Waktu Senja Teknologi Silikon

Perkembangan teknologi telah mendorong industri semikonduktor untuk memproduksi peralatan logic (logic device) yang semakin kecil, makin cepat dan lebih bertenaga. Komputer generasi pertama yang dinamakan ENIAC membutuhkan ruangan yang sangat besar. Sekitar sepuluh tahun kemudian ukuran komputer menjadi berkurang drastis karena menggunakan transistor sebagai pengganti tabung vakum. Hingga saat ini transistor yang berbahan dasar silikon masih digunakan sebagai komponen utama pada prosesor komputer. 

Salah satu pendiri Intel, Gordon Moore, pada tahun 1965 mempublikasikan sebuah tulisan tentang perkembangan teknologi silikon di masa yang akan datang. Menurut Moore, jumlah transistor yang terdapat di dalam sebuah integrated circuit (IC) akan bertambah sebanyak dua kali lipat setiap 18-24 bulan. Dengan kata lain, ukuran transistor akan semakin kecil menjadi sekitar setengahnya. Sangat mengejutkan, ternyata hukum ini berlaku hingga puluhan tahun kemudian. 

Gambar 1. Hukum Moore memprediksi jumlah transistor yang ada pada tiap microprosesor akan meningkat sebanyak dua kali tiap 18-24 bulan.

Salah satu teknologi yang mendukung tercapainya miniaturisasi transistor adalah teknologi litografi. Dengan teknologi litografi, manusia mampu menciptakan dan menyusun transistor dengan skala nanometer. Saat ini, prosesor i7 generasi kelima yang diproduksi Intel telah menggunakan teknologi litografi 14 nm. 

Apakah Hukum Moore akan selamanya berlaku? Tentu proses miniaturisasi transistor itu tidak akan selamanya bisa berlangsung. Bayangkan apabila kita mampu mengecilkan ukuran transistor dengan cara memotong bagian besar menjadi bagian yang lebih kecil secara terus-menerus. Maka akan ada saatnya kita mendapat hanya satu lapis atom silikon dan tidak mungkin lagi memotong satu atom tersebut. Bahkan saat pengurangan ukuran silikon belum mencapai satu lapis, sifatnya sebagai transistor akan berubah karena gejala mekanika kuantum mulai nampak.

Di bidang konstruksi material juga terdapat batasan fisik fundamental yang sangat sulit atau bahkan mustahil diatasi. Sebagai contoh, kebocoran muatan (charge leakage) akan terjadi ketika lapisan insulator silikon dioksida diperkecil hingga ketebalannya hanya mencapai lapisan tiga atom. Silikon dioksida merupakan insulator yang baik. Namun apabila ketebalannya semakin berkurang, kemampuannya sebagai insulator akan semakin menurun karena resistansi berbanding langsung dengan ketebalan (panjang). Pada suatu saat saat ketebalannya sangat tipis, hanya beberapa lapis atom, maka akan terjadi fenomena hantaran elektron yang disebut tunneling. Silikon dioksida tidak lagi bersifat isolator. 

Panas yang dihasilkan oleh mikroprosesor juga akan sangat besar. Bisa jauh lebih panas dari pada permukaan panci untuk memasak. Selain itu struktur pita energi silikon akan berubah saat ukurannya menjadi sangat kecil. Teknologi litografi yang sangat diandalkan juga akan segera mencapai batasannya, bahkan sekalipun dengan teknologi litografi canggih seperti e-beam lithography, extreme UV lithography, dan x-ray lithography.

Dengan semakin kecilnya ukuran, kontrol terhadap kontaminan dan cacat kristal menjadi sangat penting. Saat ini pengotor logam yang terdapat pada asam sulfat yang digunakan pada proses fabrikasi silikon mempunyai kadar sangat rendah, dalam ukuran part-per-billion (ppb). Namun apabila asam sulfat ini digunakan untuk produksi silikon dengan ukuran jauh lebih kecil lagi, maka kadar kontaminan yang diijinkan haruslah sekitar part-per-trillion (ppt). Kadar yang sangat sulit dipenuhi oleh industri asam sulfat. 

Adanya keterbatasan-keterbatasan yang akan dihadapi oleh teknologi silikon di masa yang akan datang membuat manusia harus berpikir alternatif material lain. Saat ini, IBM telah menginvestasikan 3 milyar dolar untuk dua program penelitian terkait dengan usaha untuk mendobrak keterbatasan teknologi chip dan hukum Moore. Penelitian itu mempunyai tujuan untuk menguasai teknologi 7 nm. 

Read More

Prinsip Dasar Mode Ketukan (Tapping Mode) pada Mikroskop Gaya Atom (Atomic Force Microscope = AFM)

Telah dibahas sebelumnya bahwa dalam pengoperasian AFM, kita dapat memilih mode apa yang akan kita gunakan, apakah mode sentuh, mode tak sentuh atau mode ketukan. Masing-masing mode mempunyai kelebihan dan kekurangan. Pada kesempatan kali ini, saya akan mencoba membahas mode ketukan sedikit lebih banyak. 

Di antara mode yang lain , mode ketukan merupakan mode yang paling populer. Metode ini dikembangkan untuk memperbaiki kelemahan pada mode sentuh. Mode sentuh dapat memberikan resolusi yang tinggi namun karena tip diseret sepanjang permukaan sampel, tip menjadi mudah patah. Pada metode ketukan, tip dibawa mendekat permukaan sampel hingga menyentuh namun kemudian tip secara cepat diangkat dari permukaan sampel sehingga tip tidak terseret saat scanning dilakukan.

Metode ketukan dilakukan dengan cara menggetarkan catilever dengan bantuan piezeelectric material. Piezo ini memberi gaya ke atas secara cepat sehingga cantilever akan bergetar pada ujungnya. Hal yang sama dapat kita amati kalau kita memegang sebuah tongkat lentur panjang, misal terbuat dari bilah bambu. Kemudian tangan kita memberi gaya seperti gerakan mengetuk, maka ujung bambu yang jauh dari tangan kita akan berayun bolak-balik melalui titik keseimbangan awal. Apabila ujung bambu tadi kita dekatkan ke tanah, maka seakan-akan bambu itu mengetuk-ketuk tanah secara terus-menerus. Inilah yang terjadi pada cantilever, ujung cantilever dikatakan berosilasi pada frekuensi resonansinya.

Gambar 1. Ujung cantilever yang terdapat tip pada ujung bawahnya akan berosilasi pada frekuensi resonansinya. Ketika cantilever yang sedang berosilasi didekatkan ke permukaan sampel, frekuensi resonansi dan amplitudonya akan turun. (gambar diambil dari www.azonano.com)

Saat cantilever berada jauh di atas permukaan sampel, cantilever dapat berosilasi dengan bebas dengan ampitudo tinggi (biasanya mencapai 20 nm). Cantilever yang sedang berosilasi kemudian dibawa mendekati permukaan sampel hingga menyentuh permukaan. Saat cantilever mendekati permukaan sampel, amplitudo osilasinya berkurang karena ruang untuk berosilasinya menjadi berkurang. Berkurangnya amplitudo digunakan untuk mendapat informasi mengenai kondisi permukaan sampel. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada video di bawah ini.

Read More

Mari Berkenalan dengan Scanning Tunneling Microscopy (STM)

Setelah sedikit pembahasan tentang mikroskop gaya atom (AFM), pada kesempatan kali ini saya tertarik menulis tentang STM. Kebetulan saya dapat pelatihan STM minggu lalu jadi menulis tentang STM membantu saya mengingat prinsip dan cara kerja STM.

AFM dan STM termasuk kelompok Scanning Probe Microscopy (SPM) karena keduanya menggunakan tip sebagai alat peraba permukaan sampel. Perbedaannya terletak pada mekanisme perabaannya. Pada AFM, gaya tarik/tolak antara permukaan sampel dan ujung tip diterjemahkan menjadi informasi morfologi 3D permukaan sampel. Sedangkan pada STM, morfologi permukaan sampel diketahui dari besar kecilnya elektron tunneling yang mengalir saat tip mendekati permukaan sampel. Karena STM bekerja dengan berdasarkan arus tunneling, maka sampel pada STM haruslah bersifat konduktor.

Gambar 1. Gambar STM permukaan Highly Ordered Pyrolitic Graphite (HOPG). Gambar ini menunjukkan dengan jelas susunan heksagonal dari atom-atom karbon pada permukaan grafit. (gambar diambil dari www.aist-nt.com)

STM dikembangkan sebelum AFM, yaitu pada tahun 1982 oleh Gerg Binnig dan Heinrich Rohrer, peneliti dari IBM. Keduanya memenangkan hadiah Nobel pada tahun 1986 atas penemuannya yang sangat mengagumkan. 

Komponen dasar pada STM ada lima, yaitu tip logam, scanner piezoelectric, current amplifier, bipotentiostat (bias) dan feedback loop (current). Kelimanya disusun seperti pada Gambar 2.

Gambar 2. Skema alat STM (diambil dari www.physicscentral.com)

Tip STM terbuat dari bahan yang bersifat konduktif seperti tungsten atau paduan platina-iridium. Tip yang baik adalah tip yang sangat runcing di bagian ujungnya. Cara membuat tip yang runcing sangat mudah. Hanya dengan memotong kawat dengan alat potong. Cara memotong kawat menentukan kualitas tip yang dihasilkan. Biasanya tip dipotong dengan sudut kurang dari 45o dan agak ditarik sehingga menghasilkan tip runcing yang mempunyai satu atom pada bagian ujungnya. 

Apakah arus tunneling itu?

Sebelum membahas lebh jauh tentang STM, alangkah baiknya kita memahami terlebih dahulu apa itu arus tunnel. Berbeda dengan arus listrik biasa dimana elektron mengalir melalui penggantar, pada arus tunnel, elektron mengalir dengan cara menerobos penghalang (barrier). Secara hukum fisika klasik, arus tunnel tidak mungkin terjadi. Dalam pandangan fisika klasik, elektron dianggap sebagai partikel menyerupai bola yang sangat kecil. Bayangkan kalau kita melempar bola ke arah tembok, maka bola tersebut akan memantul kembali ke kita, tanpa bisa melewati tembok dan tembus ke ruangan yanga ada di belakang tembok.

Namun pada pandangan fisika modern, elektron dipandang sebagai gelombang. Karena itu elektron mempunyai peluang untuk menerobos penghalang, seperti bola yang menerobos tembok. Peristiwa penerobosan inilah yang disebut dengan tunneling.

Gambar 3. Dalam mekanika kuantum, elektron dipandang sebagai gelombang yang mampu menerobos penghalang. Energi elektron setelah penerobosan tetap sama namun amplitudonya berkurang. (gambar diambil dari spectrum.ieee.org)

Gerakan elektron menghasilkan arus listrik, sehingga saat elektron menerobos penghalang, kita dapat mendeteksi adanya arus listrik di belakang penghalang. Arus listrik ini disebut sebagai arus tunneling. Arus tunneling sangat tergantung pada ketebalan penghalang. Semakin tebal penghalang maka semakin kecil arus tunneling yang dihasilkan. Gambar 4 menjelaskan bagaimana arus tunneling terjadi pada STM.

Gambar 4. Terjadinya arus tunneling pada STM

(a) Pada logam, elektron mengisi tingkat-tingkat energi. Tingkat energi tertinggi yang ditempati elektron disebut energi Fermi. Untuk terlepas dari permukaan logam, elektron pada tingkat energi fermi membutuhkan tambahan energi yang disebut fungsi kerja.

(b) ketika spesimen dan tip saling mendekat, terdapat celah kecil (vacuum gap) di antaranya. Vacuum gap ini yang berperan sebagai penghalang (barrier). Apabila jarak antara spesimen dan tip sangat dekat (vacuum gap sangat kecil), elektron dapat menerobos (tunnel) melewati penghalang ini.

(c) Apabila potensial bias diberikan antara spesimen dan tip, maka akan terjadi arus tunneling yang mengalir dari spesimen ke tip atau sebaliknya. 

Jadi ada dua faktor yang harus dipenuhi agar arus tunneling terjadi. Pertama jarak antara spesimen dan tip sangat dekat, dalam hitungan nanometer. Dalam pandangan mekanika kuantum, jarak yang saling berdekatan membuat fungsi gelombang elektron spesimen dan tip saling overlap. Faktor kedua adalah adanya potensial bias agar terjadi aliran arus yang bisa diamati. Tanpa adanya potensial bias, terjadi arus tunneling dari spesimen ke tip dan juga dari tip ke spesimen. Kedua arus tunneling tersebut sama besar sehingga arus tunneling total sama dengan nol. Apabila potensial bias positif diberikan pada spesimen maka terjadi aliran elektron dari tip ke spesimen (Gambar 5a). Sebaliknya apabila potensial bias negatif diberikan pada spesimen, maka aliran elektron terjadi dari spesimen ke tip (Gambar 5b).

Gambar 5. Arus tunneling terjadi apabila jarak antara tip dan spesimen sangat dekat dan juga apabila potensial bias diberikan terhadap tip dan spesimen.

Bagaimana prinsip kerja STM?
STM dapat bekerja dengan dua mode, yaitu arus tetap dan tinggi tetap. Selama proses pemindai (scanning) apabila tip menjumpai bagian yang lebih tinggi pada permukaan sampel maka terjadi peningkatan arus tunneling. Pada mode arus tetap, feedback control akan memberi perintah kepada material piezoelectric untuk menggerakkan tip menjauh dari permukaan sampel hingga arus kembali konstan. Pergerakan tip kemudian direkam dan digunakan untuk mengetahui topografi permukaan sampel. Pada mode tetap, tinggi tip selalu konstan, perubahan arus tunneling yang direkam sebagai informasi topografi permukaan sampel.

Gambar 6. Prinsip kerja pada STM. (a) mode tinggi konstan, (b) mode arus konstan (gambar diambil dari www.parkafm.co.jp)

Satu hal yang perlu diperhatikan adalah besarnya arus tergantung juga pada local density of state dari sampel. Sebagai contoh bisa dilihat pada Gambar 7. Pada Gambar 7 terlihat bahwa adsorbat warna hijau dan biru mempunyai tinggi yang sama namun arus tunneling yang dihasilkan berbeda. Arus tunneling ketika tip berada di atas adsorbat warna biru lebih tinggi daripada arus tunneling pada adsorbat warna hijau. Hal ini menunjukkan bahwa density of state adsorbat biru lebih tinggi daripada adsorbat hijau. Jadi, STM sebenarnya TIDAK dapat menentukan posisi atom atau molekul secara langsung, namun STM hanya mampu menentukan posisi DENSITAS ELEKTRON di sekitar atom atau molekul.

Gambar 7. Proses pemindai pada STM. Apabila tip STM mendekati permukaan yang lebih tinggi, maka jarak antara tip dan sampel berkurang. Akibatnya terjadi peningkatan arus tunneling.

Mengapa STM sangat sensitif?
Seperti dibahas sebelumnya bahwa besarnya arus tunneling tergantung dengan jarak antara tip dengan spesimen. Untuk logam dengan fungsi kerja 4 eV, arus tunneling bertambah sebanyak 10 kali untuk tiap penurunan jarak tip-spesimen sebesar 0,1 nm. Ini berarti apabila terdapat perbedaan jarak satu atom (sekitar 0,3 nm), terjadi perbedaan arus tunneling sebesar 1000 kalinya. Sensor elektronik di dalam STM tentu dengan mudah membedakan arus tunneling dengan perbedaan hingga 1000 kali. Inilah yang membuat STM sangat sensitif, lebih baik daripada AFM untuk melihat hingga skala atomik.

Begitulah sekilas penjelasan mengenai STM dari saya. Semoga memberi manfaat.

Read More

Mengenal Mikroskop Gaya Atom (Atomic Force microscope)

Apakah anda pernah menggunakan aplikasi google map untuk melihat peta suatu daerah? Apabila kita menggunakan mode terrain pada google map, kita dapat melihat bentuk muka bumi secara tiga dimensi. Artinya kita bisa membedakan mana dataran tinggi dan mana dataran rendah. Contoh mode terrain pada google map ditunjukkan pada Gambar 1. 

Gambar 1. Bentuk permukaan bumi daerah Wonosobo (Jawa Tengah) dan sekitarnya.

Pada Gambar 1 kita bisa mengetahui bahwa daerah Wonosobo dan Banjarnegara lebih tinggi daripada daerah Pekalongan dan Semarang. Hal ini ditunjukkan dengan warna hijau yang lebih gelap. 

Untuk melihat bentuk permukaan bumi tersebut, manusia menggunakan satelit yang mengorbit di atas permukaan bumi. Namun bagaimana caranya melihat bentuk permukaan suatu material yang sangat kecil? Misalnya melihat carbon nanotubes, gold nanoparticle, ataupun nanomaterial lainnya? Salah satunya adalah dengan menggunakan alat yang bernama Atomic Force Microscope.

Atomic force microscope (AFM) atau dikenal sebagai scanning force microscope merupakan suatu jenis mikroskop yang mampu memberikan informasi topografi tiga dimensi suatu permukaan pada skala hingga nanometer. Resolusi lateralnya mencapai 1,5 nm sedangkan resolusi vertikalnya mencapai 0,05 nm. Artinya ketelitian AFM dalam mengukur ketinggian suatu pemukaan lebih besar daripada ketelitiannya dalam mengukur panjang atau lebar. 

AFM merupakan pengembangan dari scanning tunneling microscope (STM) yang ditemukan sebelumnya. Berbeda dengan STM yang hanya bisa digunakan untuk sampel yang bersifat konduktor, AFM dapat digunakan untuk sampel yang bersifat konduktor maupun isolator seperti klaster atom dan molekul, makromolekul, dan spesies biologi seperti sel, DNA, dan protein. Namun dibandingkan dengan STM, resolusi AFM lebih rendah. 

Gambar 2. Nanowire MoO3 yang diamati dengan AFM (diambil dari www2.potsdam.edu)

Di Indonesia mungkin belum banyak yang mengenal AFM karena jenis mikroskop ini kalah populer dengan SEM dan TEM. Berbeda dengan SEM dan TEM yang menggunakan berkas elektron, AFM menggunakan jarum (tip) berukuran sangat kecil sebagi alat deteksinya. Panjang tip AFM kurang dari 5 mikrometer dan diameter ujung tip biasanya kurang dari 10 nm. Tip ini diletakkan di ujung cantilever yang panjangnya sekitar 100-500 mikrometer. 

Dalam penggunaannya, AFM tidak membutuhkan kondisi hampa udara (vakum). Karena itu AFM sangat baik digunakan untuk deteksi sel dan sampel biologi lainnya tanpa membuat sel biologi tersebut menjadi kering. Kelebihan AFM lainnya adalah mampu menampilkan gambaran permukaan sampel secara tiga dimensi sehingga kita bisa mengetahui ukuran nanopartikel secara lebih mendetail. Sedangkan SEM hanya mampu menampilkan gambaran permukaan secara dua dimensi.

AFM ditemukan pada tahun 1986 oleh Binnig, Quante dan Gerber. Walaupun pengembangan AFM sudah dilakukan pada tahun-tahun sebelumnya, pada tahun 1986 inilah implementasi eksperimental AFM dilakukan pertama kalinya. Tiga tahun kemudian, AFM komersil untuk pertama kalinya dibuat.

Komponen utama pada AFM ada tiga, yaitu cantilever, scanner dan feedback control. Cantilever merupakan bagian AFM yang berinteraksi langsung dengan permukaan sampel. Seperti dijelaskan sebelumnya, pada ujung cantilevel terdapat tip yang sangat kecil menyerupai jarum berukuran nanometer. Tip ini yang akan melakukan scanning sepanjang permukaan sampel. 

Komponen yang kedua adalah scanner. Scanner ini berfungsi untuk mengontrol pergerakan tip atau sampel pada arah x, y dan z. Pada scanner terdapat piezo-electric material yang mampu memberikan pergerakan dalam skala nanometer. 

Komponen ketiga adalah feedback control. Komponen ini berfungsi untuk menterjemahkan signal yang diberikan oleh tip pada photodiode detector. Signal yang diterima akan diterjemahkan untuk menggerakkan piezo-electric material.

Secara umum cara kerja AFM seperti tangan kita. Bayangkan kondisi dimana kita berada di sebuah kamar yang sangat gelap sehingga mustahil bagi kita untuk melihat. Kemudian kita diberikan sebuah benda. Untuk mengetahui benda itu tentunya kita akan meraba dan merasakan halus kasarnya permukaannya dengan tangan kita. Sebagai pengganti tangan, ujung jarum (tip) digunakan sebagai alat peraba pada AFM. Karena ukuran jarum yang sangat kecil, maka permukaan benda yang dapat diraba juga sangat kecil. 

Secara teknis prinsip kerja AFM ditunjukkan pada Gambar 3. Pada posisi normal, sinar laser diarahkan pada ujung cantilever. Oleh cantilever, laser ini dipantulkan menuju bagian tengah detektor photodiode. Ketika tip mendekati permukaan sampel, terjadi gaya tarik atau gaya tolak antara tip dan permukaan sampel. Gaya ini akan menyebabkan cantilever bengkok. Bengkoknya cantilever ini akan terdeteksi dengan adanya pergeseran posisi laser yang ditangkap oleh photodioda. Semakin besar gaya tarik/tolak antara tip dan permukaan sampel, pergeseran laser akan semakin besar. Karena besarnya gaya tarik/tolak tergantung pada jarak antara tip dan permukaan sampel, maka topografi permukaan sampel dapat diketahui dengan melakukan scanning tip sepanjang permukaan sampel. 

Gambar 3. Prinsip kerja AFM (gambar diambil dari wikipedia.org)

Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat video berikut:

Ada tiga mode dalam pengoperasikan AFM, yaitu mode sentuh (contact mode), mode tapping, dan mode tak sentuh (noncontact mode). 

Pada mode sentuh, tip cantilever berada sangat dekat dengan permukaan sampel sehingga terjadi gaya tolakan. Gaya tolakan ini menyebabkan cantilever menekuk. Konstanta pegas dari cantilever ini lebih kecil daripada konstanta pegas antar atom sehingga saat terjadi gaya tolak, cantilever inilah yang akan menekuk tanpa menyebabkan kerusakan pada sampel. Saat tip menelusuri permukaan sampel, perbedaan tinggi rendahnya sampel menyebabkan perbedaan gaya tolakan. Agar gaya tolakan selalu konstan, feedback control mengirim signal ke piezo-electric material untuk bergerak ke atas atau ke bawah. Pergerakan ini direkam dan diterjemahkan sebagai topografi 3D permukaan sampel. Jenis tip yang digunakan pada AFM mode sentuh biasanya terbuat dari silikon nitrida karena mempunyai fleksibilitas yang baik. Biasanya pihak perusahan menjual tip dengan berbagai ukuran dan tipe coatingnya sehingga pengguna dapat menyesuaikannya dengan sampel yang akan dianalisa.

Pada mode tak sentuh, jarak antara tip dengan sampel lebih besar sehingga gaya yang dirasakan adalah gaya tarikan. Mode ini relatif sulit dilakukan pada kondisi ambien karena adanya lapisan air yang teradsorpsi pada permukaan tip ataupun permukaan sampel. Saat tip mendekati permukaan sampel, lapisan air menyebabkan gaya kapiler terjadi secara tiba-tiba sehingga tip langsung kontak dengan permukaan sampel.

Pada mode tapping, cantilever digetarkan pada frekuensi resonansinya. Saat scanning dilakukan, perbedaan topografi sampel menyebabkan pergeseran frekuensi resonansinya. Pergeseran frekuensi ini yang kemudian diterjemahkan menjadi topografi permukaan melalui serangkaian proses yang dilakukan oleh feedback control. Sama seperti mode sentuh, mode tapping berada pada daerah gaya tolakan antara sampel dan tip. Jenis tip yang digunakan biasanya terbuat dari kristal silikon. Jenis tip ini dapat bergetar pada frekuensi tinggi namun lebih rapuh daripada tip dari silikon nitrida.

Pilihan mode yang mana yang digunakan tergantung pada karakteristik permukaan sampel dan juga kekerasan sample. Mode sentuh baik digunakan untuk sampel yang permukaannya keras. Kelemahan dari metode sentuh adanya mudah terjadi kontaminasi pada tip akibat kontak dengan material yang mudah lepas di permukaan sampel. Selain itu gaya yang berlebihan pada mode sentuh dapat menggores sampel dan merusak tip. Mode tapping sangat baik untuk sampel yang lunak seperti spesimen biologi, dan juga untuk sampel yang mempunyai adhesi permukaan rendah seperti DNA dan karbon nanotubes. Mode tak sentuh juga baik untuk sampel lunak namun mode ini sangat sensitif terhadap vibrasi eksternal.

Read More