Serat semikonduktor bebas patah dan dilapisi kaca – Dunia Fisika

Serat semikonduktor bebas patah dan dilapisi kaca – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 6 Februari 2024 11:37

Serat semikonduktor
Akhirnya: sebuah gelendong yang berisi ratusan meter serat semikonduktor bersama dengan beberapa bentuk awal setelah proses pembuatan. (Sumber: Zhixun Wang)

Serat semikonduktor ultralong dan bebas patah telah diproduksi di dalam lapisan kaca oleh para peneliti di Singapura dan Tiongkok. Dengan mengetsa kaca dan menggantinya dengan selubung polimer fleksibel yang tertanam dengan kabel logam, para peneliti mampu menghasilkan serat berskala mikro yang dapat dipintal menjadi tekstil. Pekerjaan ini, yang dibangun berdasarkan upaya jangka panjang untuk memproduksi elektronik berbasis serat, dapat diterapkan pada pakaian pintar, perangkat medis, dan berpotensi dalam bidang fotonik.

Serat pertama yang mengandung semikonduktor di dalam kaca optik dikembangkan oleh ahli kimia John Badding dari Universitas Negeri Pennsylvania di AS setelah mengambil cuti panjang di Universitas Southampton di Inggris. Dia menggunakan deposisi uap kimia bertekanan tinggi untuk menempatkan berbagai bahan di dalam serat optik inti berongga. “[Badding] mendatangi saya dan berkata, 'Apakah ini bagus?' dan saya berkata, 'Kamu bercanda, ini luar biasa!' dan kami mulai berkolaborasi,” kata ilmuwan dan insinyur material Venkatraman Gopalan, juga dari Penn State. Namun, teknik ini terhambat oleh lambatnya laju produksi serat, dan kolaborasi tersebut secara efektif berakhir setelah kematian mendadak Badding pada usia 57 tahun pada tahun 2019.

Dalam 2008 John Ballato dari Clemson University di South Carolina mengembangkan metode inti cair untuk memproduksi serat optik silikon dan germanium. Kedua bahan tersebut dipanaskan diatas titik lelehnya yaitu lebih dari 1000 °C. Silikon cair kemudian disuntikkan ke dalam kaca saat ditarik ke dalam serat dan, saat keduanya mendingin, satu padatan mengelilingi yang lain. Metode ini memungkinkan produksi puluhan meter setiap menitnya, dan serat telah menarik minat untuk laser medis, optik nonlinier, dan berbagai aplikasi lainnya. Salah satu masalahnya adalah perbedaan koefisien muai panas antara semikonduktor dan kaca menyebabkan semikonduktor patah saat mendingin. Hal ini menciptakan kerugian optik dan membuat kaca tidak dapat dilepas tanpa seratnya hancur.

Memecahkan studi baru

Dalam penelitian terbarunya, para peneliti di Universitas Teknologi Nanyang di Singapura, Universitas Jilin di Tiongkok, dan tempat lain melakukan studi menyeluruh terhadap retakan ini. “Kami bekerja dengan pakar mekanik yang membantu kami menjelaskan apa saja faktor kuncinya,” katanya Lei Wei dari Universitas Teknologi Nanyang. Pemahaman teoritis yang ditingkatkan ini memungkinkan para peneliti untuk memilih kaca aluminosilikat untuk dilapisi germanium, misalnya. Hasilnya adalah kabel semikonduktor panjang yang terbungkus kaca tanpa retak.

Di masa depan, para peneliti yakin serat berlapis kaca ini dapat berguna dalam fotonik. Namun, dalam makalah ini, mereka menggores kaca sehingga menyisakan kabel silikon yang tebalnya kurang dari 100 mikron. “Untuk elektronik, semikonduktor saja tidak akan berfungsi, kita perlu memiliki kontak logam untuk berkomunikasi dengan semikonduktor,” kata Wei. Oleh karena itu, mereka menggunakan proses suhu rendah untuk menempelkan dua kabel logam yang tertanam dalam polimer konduktif ke semikonduktor dan menyatukan ketiga kabel tersebut ke dalam polimer isolasi. Hasilnya adalah serat optoelektronik fleksibel yang dapat dipintal menjadi benang.

Tim tersebut memproduksi beberapa perangkat berisi benang yang dijalin ke dalam tekstil lain. Salah satu contohnya adalah topi beanie yang dapat mendeteksi cahaya dari sinyal lalu lintas dan menghasilkan sinyal getaran pada ponsel yang menunjukkan apakah sinyal tersebut berwarna merah atau hijau. Mereka memperkirakan, hal ini dapat membantu orang yang mengalami gangguan penglihatan. Lainnya adalah tali jam tangan pintar yang bisa mengukur ritme jantung seseorang.

Transistor yang dapat dicuci bisa menjadi yang berikutnya

Mereka juga menunjukkan bahwa teknologi memiliki ketahanan praktis. “Kami memasukkan perangkat kami ke dalam mesin cuci…Kami dapat mencucinya berkali-kali dan kinerja aslinya tetap terjaga,” kata Lei Wei. Para peneliti sekarang mencoba membuat transistor di dalam serat untuk memungkinkan penggabungan sirkuit elektronik secara lebih langsung.

Ballato sangat antusias dengan penelitian ini. “Saya sudah mengenal kelompok ini selama 15 tahun, jadi saya tidak terkejut dengan keunggulan pekerjaan mereka,” katanya; “Mereka telah mampu mengambil konsep-konsep penting namun agak akademis ini dan mereduksinya menjadi praktik dengan cara yang sangat berguna dan penting yang memvalidasi skalabilitas serat itu sendiri.”

Dia sangat terkesan dengan kemampuan tim dalam menggabungkan material yang memerlukan kondisi pemrosesan berbeda ke dalam satu struktur. “Dengan perangkat baru ini, mereka unggul dibandingkan yang lain dalam hal kemampuan menggunakannya untuk mengembangkan perangkat yang praktis dan fungsional,” katanya.

“Ini sangat menarik – John [Badding] pasti sangat senang melihat ini!” kata Gopalan. Dia percaya bahwa untuk penginderaan dan pencitraan, teknik ini menunjukkan harapan yang nyata, meskipun dia mengatakan bahwa serat saat ini akan terlalu tebal untuk penggunaan praktis dalam transmisi sinyal, dan menduga proses inti cair mungkin tidak mampu menghasilkan serat yang cukup murni dan tipis untuk transmisi sinyal sama sekali. Langkah selanjutnya adalah “mengkarakterisasi secara menyeluruh sifat dasar elektronik dan optik dari serat-serat ini,” katanya: “Hal ini akan menentukan di mana penerapannya.”

Proses pembuatannya dijelaskan dalam Alam.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika