Lukisan Semprotan Atom Mengubah Ilmu Material untuk Teknologi yang Lebih Ramah Lingkungan
Para peneliti telah mengembangkan teknik yang disebut “lukisan semprot atom” menggunakan epitaksi berkas molekul untuk menyesuaikan kalium niobate, sehingga meningkatkan sifat feroelektriknya.
Metode ini memungkinkan manipulasi sifat material secara tepat, dengan potensi penerapan dalam teknologi ramah lingkungan, komputasi kuantumdan eksplorasi ruang angkasa.
Penyetelan Regangan Bahan
Bagaimana para ilmuwan dapat secara tepat menyesuaikan sifat material untuk aplikasi tingkat lanjut? Menurut tim yang dipimpin oleh para peneliti di Penn State, jawabannya terletak pada ketegangan struktur atom material. Mereka menemukan bahwa “lukisan semprot atom” dari potasium niobate – bahan utama dalam elektronik canggih – memungkinkan kontrol yang luar biasa terhadap sifat film tipis. Temuan mereka, dipublikasikan di Materi Lanjutandapat membuka jalan bagi teknologi yang lebih ramah lingkungan dalam bidang elektronik konsumen, perangkat medis, dan komputasi kuantum.
Teknik ini, yang dikenal sebagai strain tuning, memodifikasi sifat suatu material dengan meregangkan atau menekan sel satuan atomnya – susunan atom yang berulang yang membentuk struktur kristalnya. Tim ini menggunakan molekuler beam epitaksi (MBE), sebuah metode yang memasukkan lapisan atom ke substrat untuk membuat film tipis. Dengan menggunakan pendekatan ini, mereka berhasil menghasilkan lapisan tipis potasium niobate yang disesuaikan dengan regangan dengan presisi luar biasa.
Pendekatan Baru dalam Rekayasa Material
“Ini adalah pertama kalinya potasium niobate ditanam menggunakan MBE,” kata Venkatraman “Venkat” Gopalan, profesor ilmu dan teknik material di Penn State dan penulis studi tersebut. “Tekniknya seperti menyemprotkan atom ke permukaan.”
Menurut para peneliti, teknik MBE baru – yang dikombinasikan dengan kristal yang berfungsi sebagai cetakan substrat – menciptakan tegangan yang diperlukan untuk menyempurnakan material.
“Metode ini memungkinkan atom-atom dalam film tipis untuk menyesuaikan diri dengan struktur atom substrat yang mendasarinya, sehingga menyebabkan ketegangan,” kata rekan penulis Sankalpa Hazra, kandidat doktor di bidang ilmu dan teknik material. “Bahkan regangan kecil sekitar 1% saja dapat menciptakan tekanan yang tidak mungkin dicapai hanya dengan menarik atau menekan bahan rapuh tersebut dari luar. Tekanan ini dapat secara signifikan meningkatkan cara kerja material dari sudut pandang feroelektrik.”
Sifat dan Aplikasi Feroelektrik
Kalium niobate bersifat feroelektrik, atau kelas bahan dengan polarisasi listrik alami yang dapat dibalik dengan menerapkan medan listrik eksternal, seperti magnet yang memiliki polarisasi magnet yang dapat dibalik dengan medan magnet eksternal.
“Feroelektrik itu seperti baterai mini yang secara alami sudah terisi daya secara permanen,” kata Gopalan. “Meski bukan merupakan produk yang terkenal, feroelektrik ada di mana-mana dalam teknologi utama yang kita anggap remeh dalam kehidupan sehari-hari. Internet, misalnya, mengandalkan konversi sinyal listrik menjadi sinyal optik, yang dilakukan oleh kristal feroelektrik. Bahan-bahan ini dapat membalikkan polaritas listriknya ketika medan listrik eksternal diterapkan, suatu kualitas yang menjadikannya penting untuk perangkat seperti peralatan ultrasonik, kamera inframerah, dan aktuator presisi untuk perangkat mikro canggih.”
Penelitian dan Pengembangan Kolaboratif
Untuk “menyemprotkan cat” potasium niobate untuk penelitian ini, Gopalan beralih ke mantan rekannya di Penn State, Darrell Schlom, yang saat ini menjabat sebagai Profesor Tisch University di Departemen Ilmu dan Teknik Material di Cornell University. Mereka mengembangkan film tipis tersebut di fasilitas pertumbuhan film tipis Platform for the Accelerated Realization, Analysis, and Discovery of Interface Materials (PARADIM) yang didanai oleh US National Science Foundation, yang dipimpin oleh Schlom di Cornell. Schlom mencatat bahwa dia dan Gopalan bekerja di Penn State pada penyetelan regangan bahan feroelektrik yang pertama sekitar 20 tahun yang lalu.
“Peran kami adalah membantu Venkat dan Sankalpa mewujudkan materi yang telah diimpikan Venkat selama beberapa dekade,” kata Schlom. “Venkat mensintesis film tipis tanpa regangan dari bahan ini selama masa doktoralnya di Cornell tiga dekade lalu, jadi dia tahu betapa menantangnya mengembangkannya. Untuk pekerjaan ini, murid saya Tobias Schwaigert dan saya membantu mereka mengembangkan materi ini.”
Dampak Rekayasa Regangan
Schlom menjelaskan bahwa rekayasa regangan bekerja dengan melapisi dua material dengan ukuran yang sedikit berbeda. Bayangkan menghujani atom ke permukaan yang terdiri dari jenis atom yang sama tetapi jaraknya sedikit berbeda. Jika lapisan yang ditambahkan cukup tipis, lapisan tersebut akan meregang atau menekan sedikit agar sesuai dengan permukaan di bawahnya. Perubahan kecil pada jarak menciptakan ketegangan pada material, mirip dengan bagaimana karet gelang meregang saat ditarik. Regangan ini, yang dikendalikan oleh ukuran dan jarak atom di permukaan, menyebabkan perubahan sifat material, seperti peningkatan batas suhu atau peningkatan kinerja feroelektrik.
“Kekuatan kopling yang unggul antara regangan dan polarisasi dalam potasium niobate dibandingkan dengan feroelektrik lainnya memungkinkan adanya peluang unik di mana jumlah regangan yang relatif kecil dapat menghasilkan penyesuaian yang sangat besar pada struktur feroelektrik dan polarisasinya,” kata Hazra. “Konsekuensi utama dari sensitivitas regangan yang unggul ini adalah bahwa kinerja feroelektrik kalium niobate dapat ditingkatkan secara signifikan bahkan melebihi kinerja timbal titanat atau timbal zirkonat titanat yang dianggap sebagai tingkat feroelektrik standar industri untuk aplikasi perangkat.”
Implikasi Lingkungan dan Praktis
Mendemonstrasikan penyesuaian regangan potasium niobate sangat penting, kata Hazra, karena potasium niobate bebas timbal. Meskipun timbal meningkatkan toksisitas pada manusia dan masalah lingkungan, bahan feroelektrik terbaik – seperti timbal titanat dan timbal zirkonat titanat – cenderung mengandung timbal. Tanpa penyesuaian regangan, sifat feroelektrik potasium niobate cenderung tidak sekuat rekan-rekan timbalnya, namun Hazra mengatakan penelitian saat ini menunjukkan potensi potasium niobate sebagai bahan feroelektrik yang kuat, namun ramah lingkungan dan aman.
Menurut Hazra, tim peneliti juga menemukan bahwa kinerja feroelektrik strain-tuned-potassium niobate tetap stabil bahkan pada suhu tinggi. Biasanya, bahan feroelektrik, ketika dipanaskan, akan kehilangan polarisasinya sehingga tidak dapat lagi mengalihkan muatan listriknya.
“Dalam penelitian kami, kami telah menunjukkan bahwa penerapan regangan dapat meningkatkan suhu di mana material kehilangan sifat feroelektriknya,” kata Gopalan. “Hal yang lebih mengesankan adalah hanya dengan tekanan 1%, kita dapat mendorong suhu tersebut hingga lebih dari 975 derajat Kelvin, yang mendekati titik di mana material mulai terdegradasi.”
Arah dan Penerapan Masa Depan
Selanjutnya, para peneliti perlu mengatasi apa yang mereka sebut sebagai “rintangan serius” untuk aplikasi praktis: menumbuhkan film tipis pada silikon, yang banyak digunakan dalam industri elektronik. Tim Gopalan juga berupaya meningkatkan sifat listrik material dengan menyempurnakan proses pertumbuhan film. Hal ini akan memungkinkan penggunaan potasium niobate yang disesuaikan dengan regangan dalam perangkat praktis, seperti penyimpanan memori suhu tinggi untuk eksplorasi ruang angkasa, komputasi kuantum, dan perangkat teknologi tinggi yang lebih ramah lingkungan.
“Dengan pengembangan lebih lanjut, material versi baru ini dapat menjadi pemain kunci dalam generasi berikutnya dari teknologi ramah lingkungan dan berkinerja tinggi yang berdampak pada segala hal mulai dari perangkat pribadi hingga eksplorasi ruang angkasa,” kata Gopalan.
Referensi: “Penyesuaian Regangan Kolosal Transisi Feroelektrik di KNbO3 Film Tipis” oleh Sankalpa Hazra, Tobias Schwaigert, Aiden Ross, Haidong Lu, Utkarsh Saha, Victor Trinquet, Betul Akkopru-Akgun, Benjamin Z. Gregory, Anudeep Mangu, Suchismita Sarker, Tatiana Kuznetsova, Saugata Sarker, Xin Li, Matthew R. Barone, Xiaoshan Xu, John W. Freeland, Roman Engel-Herbert, Aaron M. Lindenberg, Andrej Penyanyi, Susan Trolier-McKinstry, David A. Muller, Gian-Marco Rignanese, Salva Salmani-Rezaie, Vladimir A. Stoica, Alexei Gruverman, Long-Qing Chen, Darrell G. Schlom dan Venkatraman Gopalan, 12 November 2024, Materi Lanjutan.
DOI: 10.1002/adma.202408664
Bersama dengan Gopalan, Hazra, Schwaigert dan Schlom, penulis studi lainnya dari Departemen Sains dan Teknik Material Penn State adalah Aiden Ross, kandidat doktor; Utkarsh Saha, Tatiana Kuznetsova dan Saugata Sarker, semuanya asisten peneliti pascasarjana; Betul Akkopru-Akgun, asisten profesor riset; Susan Trolier-McKinstry, Profesor Universitas Evan Pugh dan Profesor Sains dan Teknik Keramik Flaschen; Vladimir A. Stoica, profesor riset asosiasi; dan Long-Qing Chen, Profesor Ilmu dan Teknik Material Hamer, profesor ilmu teknik dan mekanika serta matematika. Rekan penulis lainnya termasuk Haidong Lu, Xin Li, Xiaoshan Xu dan Alexei Gruverman, Universitas Nebraska; Victor Trinquet dan Gian-Marco Rignanese, Institut Materi Terkondensasi dan Nanosains di Belgia; Benjamin Z. Gregory, Suchismita Sarker, Matthew R. Barone, Andrej Singer dan David A. Muller, Universitas Cornell; Anudeep Mangu dan Aaron M. Lindenberg, Universitas Stanford; John W. Freeland, Laboratorium Nasional Argonne; Roman Engel-Herbert, Institut Paul Drude untuk Elektronika Solid State; dan Salva Salmani-Rezaie, Universitas Negeri Ohio.
Departemen Energi AS dan Yayasan Sains Nasional AS antara lain mendukung penelitian ini.
