Materi baru menjanjikan untuk generasi berikutnya

Selama beberapa dekade, transistor efek medan yang diaktifkan oleh semikonduktor berbasis silikon telah mendukung revolusi elektronik. Namun dalam beberapa tahun terakhir, produsen telah menghadapi batasan fisik yang keras untuk pengurangan ukuran lebih lanjut dan peningkatan efisiensi chip silikon. Itu membuat para ilmuwan dan insinyur mencari alternatif untuk transistor semikonduktor oksida logam (CMOS) konvensional.

Semikonduktor organik menawarkan beberapa keunggulan berbeda dibandingkan perangkat semikonduktor berbasis silikon konvensional: mereka terbuat dari elemen yang tersedia berlimpah, seperti karbon, hidrogen, dan nitrogen; mereka menawarkan fleksibilitas mekanis dan biaya pembuatan yang rendah; dan mereka dapat dibuat dengan mudah dalam skala, ” catat profesor teknik UC Santa Barbara Yon Visell, bagian dari sekelompok peneliti yang bekerja dengan materi baru. “Mungkin yang lebih penting, polimer itu sendiri dapat dibuat menggunakan berbagai metode kimia untuk memberikan perangkat semikonduktor yang dihasilkan dengan sifat optik dan listrik yang menarik. Sifat ini dapat dirancang, disetel atau dipilih dengan lebih banyak cara daripada anorganik (misalnya, transistor berbasis silikon).

Fleksibilitas desain yang dijelaskan Visell dicontohkan dalam konfigurasi ulang perangkat yang dilaporkan oleh peneliti UCSB dan lainnya di jurnal Bahan Lanjutan.

Sirkuit logika yang dapat dikonfigurasi ulang sangat menarik sebagai kandidat untuk elektronik pasca-CMOS, karena memungkinkan untuk menyederhanakan desain sirkuit sambil meningkatkan efisiensi energi. Satu kelas yang baru-baru ini dikembangkan dari transistor berbasis karbon (sebagai lawan, katakanlah, berbasis silikon atau galium-nitrida), yang disebut transistor elektrokimia organik (OECT), telah terbukti sangat cocok untuk elektronik yang dapat dikonfigurasi ulang.

Dalam makalah baru-baru ini, profesor kimiaThuc-Quyen Nguyen, yang memimpin Pusat Polimer dan Padatan Organik UCSB, dan rekan penulis termasuk Visell menjelaskan bahan terobosan — polimer lunak berbasis karbon semikonduktor — yang dapat memberikan keunggulan unik dibandingkan semikonduktor anorganik yang saat ini ditemukan dalam transistor silikon konvensional.

“Perangkat logika organik yang dapat dikonfigurasi ulang adalah kandidat yang menjanjikan untuk generasi berikutnya dari sistem komputasi yang efisien dan elektronik adaptif,” tulis para peneliti. “Idealnya, perangkat semacam itu memiliki struktur dan desain yang sederhana, [as well as] hemat daya dan kompatibel dengan teknik mikrofabrikasi throughput tinggi.”

Konjugasi untuk Konduktivitas

Polielektrolit terkonjugasi, atau CPE-K, terdiri dari tulang punggung terkonjugasi pusat, dengan ikatan tunggal dan ganda bergantian, dan beberapa rantai samping bermuatan dengan ion terpasang. “Memiliki ikatan terkonjugasi di seluruh polimer membuatnya konduktif, karena elektron terdelokalisasi memiliki mobilitas tinggi di sepanjang polimer,” jelas penulis utama Tung Nguyen-Dang, seorang peneliti postdoctoral di lab Nguyen yang dibimbing oleh Visell. “Anda mengawinkan dua bahan klasik, polimer dan semikonduktor, dalam desain molekul ini.”

Kecerdasan buatan (AI) berperan dalam mengembangkan materi tersebut. “Anda dapat melanjutkan dengan coba-coba untuk membuat materi,” kata Nguyen. “Anda dapat membuat banyak dari mereka dan berharap yang terbaik, dan mungkin satu dari dua puluh karya atau memiliki properti yang menarik; namun, kami bekerja dengan seorang profesor di California State Northridge, Gang Lu, yang menggunakan AI untuk memilih blok bangunan dan lakukan perhitungan untuk mendapatkan gambaran kasar tentang bagaimana melanjutkan, mengingat tingkat energi dan sifat yang kami tuju.”

Mencari tahu konfigurasi ulang

Salah satu manfaat utama CPE-K adalah memungkinkan gerbang logika yang dapat dikonfigurasi ulang (“mode ganda”), yang berarti mereka dapat diaktifkan dengan cepat untuk beroperasi baik dalam mode penipisan atau mode akumulasi, hanya dengan menyesuaikan tegangan di gerbang. Dalam mode deplesi, arus yang mengalir melalui bahan aktif antara saluran pembuangan dan sumber awalnya tinggi, sebelum penerapan tegangan gerbang apa pun (alias keadaan ON). Ketika tegangan gerbang diterapkan, arus turun dan transistor berubah menjadi keadaan OFF. Mode akumulasi adalah kebalikannya – tanpa tegangan gerbang, transistor dalam posisi OFF, dan menerapkan tegangan gerbang menghasilkan arus yang lebih tinggi, mengalihkan perangkat ke keadaan ON.

“Gerbang logika elektronik konvensional, yang merupakan blok bangunan untuk semua sirkuit digital yang ditemukan di komputer atau ponsel pintar, adalah perangkat keras yang hanya melakukan satu pekerjaan yang dirancang untuk mereka,” kata Nguyen. Misalnya, gerbang AND memiliki dua input dan satu output, dan jika input yang diterapkan semuanya 1, maka outputnya akan menjadi 1. Demikian pula, gerbang NOR juga memiliki dua input dan satu output, tetapi jika semua input yang diterapkan padanya adalah 1, maka outputnya akan menjadi 0. Gerbang elektronik diimplementasikan menggunakan transistor, dan mengkonfigurasi ulang (seperti mengubah dari gerbang AND ke gerbang NOR) memerlukan modifikasi invasif, seperti pembongkaran, yang biasanya terlalu rumit menjadi praktis.

“Gerbang yang dapat dikonfigurasi ulang, seperti yang kami tunjukkan, dapat berperilaku sebagai kedua jenis gerbang logika, beralih dari AND ke NOR dan sebaliknya dengan hanya mengubah tegangan gerbang,” lanjutnya. “Saat ini dalam elektronik, fungsionalitas ditentukan oleh struktur, tetapi di perangkat kami Anda dapat mengubah perilaku dan membuatnya menjadi sesuatu yang lain hanya dengan mengubah tegangan yang diterapkan padanya. Jika kami meningkatkan penemuan ini dari satu gerbang ke sirkuit yang jauh lebih kompleks yang terdiri dari dari banyak gerbang yang dapat dikonfigurasi ulang seperti itu, kami dapat membayangkan perangkat keras yang kuat yang dapat diprogram dengan lebih banyak fungsi daripada yang konvensional yang memiliki jumlah transistor yang sama.”

Keuntungan lain dari OECT berbasis CPE-K: mereka dapat dioperasikan pada tegangan yang sangat rendah, membuatnya cocok untuk digunakan dalam elektronik pribadi. Itu, dikombinasikan dengan fleksibilitas dan bio-kompatibilitasnya, menjadikan materi sebagai kandidat yang mungkin untuk biosensor implan, perangkat yang dapat dikenakan, dan sistem komputasi neuromorfik di mana OECT dapat berfungsi sebagai sinapsis buatan atau memori yang tidak mudah menguap.

“Rekan kami membuat perangkat yang dapat memantau penurunan kadar glukosa di otak yang terjadi sesaat sebelum kejang,” jelas Nguyen dari seorang kolaborator di University of Cambridge di Inggris. “Dan setelah deteksi, perangkat lain — perangkat mikofluida — akan mengirimkan obat secara lokal untuk menghentikan proses sebelum itu terjadi.”

Perangkat yang dibuat dari CPE-K memiliki fitur doping dan de-doping bersamaan tergantung pada jenis ion, menurut Nguyen. “Anda membuat perangkat dan memasukkannya ke dalam cairan elektrolit — natrium klorida [i.e., table salt] dilarutkan dalam air,” katanya. “Anda kemudian dapat mendorong natrium untuk bermigrasi ke lapisan aktif CPE-K dengan menerapkan tegangan positif di gerbang. Atau, Anda dapat mengubah polaritas tegangan gerbang dan mendorong klorida untuk bermigrasi ke lapisan aktif. Setiap skenario menghasilkan jenis injeksi ion yang berbeda, dan ion yang berbeda itulah yang memungkinkan kami mengubah mode pengoperasian perangkat.”

Self-doping juga menyederhanakan proses pembuatan dengan menghilangkan langkah tambahan penambahan dopan. “Sering kali ketika Anda menambahkan dopan, itu tidak merata di seluruh volume material,” kata Nguyen. “Bahan doping organik cenderung mengelompok bersama bukannya menyebar. Tetapi karena bahan kami tidak memerlukan langkah itu, Anda tidak mengalami masalah distribusi dopan yang tidak merata. Anda juga menghindari seluruh proses pengoptimalan dopan dan menentukan campuran dan proporsi yang tepat, yang semuanya menambah langkah dan memperumit pemrosesan.”

Tim juga mengembangkan model fisika untuk perangkat yang menjelaskan mekanisme kerjanya dan memprediksi dengan benar perilakunya di kedua mode operasi, sehingga menunjukkan bahwa perangkat melakukan apa yang tampaknya dilakukan.

Visell menyimpulkan, “Teknologi transistor baru yang luar biasa ini secara ideal mencontohkan fungsionalitas elektronik dan komputasi yang mengejutkan yang dimungkinkan melalui penelitian konvergen dalam bidang kimia, fisika, material, dan teknik listrik.”

Komputasi Seluler