Para peneliti dari Arizona State University menciptakan bahan kristal senyawa baru yang dapat membantu kemajuan dalam sejumlah pencapaian teknologi dan ilmiah.
Profesor teknik listrik ASU, Cun-Zheng Ning mengatakan bahan yang bernama erbium klorida silikat ini, dapat digunakan untuk mengembangkan generasi baru komputer, meningkatkan kemampuan internet, meningkatkan efisiensi sel fotovoltaik berbasis silikon untuk mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik, dan meningkatkan kualitas penerangan keadaan padat dan teknologi sensor.
Tim peneliti Ning terdiri dari mahasiswa dan pasca doktoral yang membantu mensintesis senyawa baru dalam Lab Nanofotonik Sekolah Teknik Listrik, Komputer, dan Energi ASU, salah satu Sekolah Teknik Ira A. Fulton.
Penelitian erbium lab ini didukung oleh Kantor Penelitian Angkatan Darat AS dan Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara AS. Detail mengenai senyawa baru ini dilaporkan dalam Optical Materials Express di situs Optical Society of America.
Terobosan ini melibatkan sintesis senyawa erbium baru pertama kali dalam bentuk kawat nano kristal tunggal, yang memiliki sifat superior dibandingkan senyawa erbium dalam bentuk lain.
Erbium adalah salah satu anggota paling penting dalam keluarga bumi langka dalam tabel periodik unsur kimia. Ia memancarkan foton dalam panjang gelombang 1,5 mikron, yang digunakan dalam serat optik untuk kinerja internet dan telepon kualitas tinggi.
Erbium digunakan dalam pengotoran serat optik untuk memperkuat sinyal internet dan telepon dalam sistem telekomunikasi. Pengotoran adalah istilah yang digunakan untuk menjelaskan proses memasukkan konsentrasi tinggi berbagai unsur dalam zat lain sebagai cara mengubah sifat listrik atau optik zat tersebut untuk memberi hasil yang diinginkan. Unsur yang digunakan dalam proses tersebut disebut dopant atau pengotor.
“Karena kita tidak dapat mengotori banyak atom erbium dalam serat semau kita, serat harus sangat panjang agar dapat berguna memperkuat sinyal internet. Ini membuat integrasi komunikasi internet dan komputer dalam sebuah chip sangat sulit,” jelas Ning.
“Dengan senyawa erbium baru ini, terdapat seribu kali lebih banyak atom erbium tersimpan dalam senyawa. Ini artinya banyak alat dapat diintegrasikan kedalam sistem berskala chip,” katanya. “Karenanya, bahan senyawa baru mengandung erbium dapat diintegrasikan dengan silikon untuk menggabungkan fungsionalitas internet dan komputer pada landasan silikon yang sama dan murah untuk meningkatkan laju komputasi dan operasi internet pada saat bersamaan.”
Bahan erbium dapat pula dipakai untuk meningkatkan efisiensi konversi energi sel surya silikon.
Silikon tidak menyerap radiasi surya dengan panjang gelombang lebih dari 1,1 mikron, yang menghasilkan limbah energi – membuat sel surya kurang efisien.
Bahan erbium dapat memperbaiki situasi ini dengan mengubah dua atau lebih foton pembawa jumlah kecil energi menjadi satu foton yang membawa jumlah energi lebih besar. Foton tunggal yang lebih kuat ini kemudian dapat diserap oleh silikon, dan meningkatkan efisiensi sel surya.
Bahan erbium juga membantu penyerapan sinar ultraviolet dari matahari dan mengubahnya menjadi foton-foton pembawa energi kecil, yang kemudian dapat lebih efisien diubah menjadi listrik oleh sel silikon. Fungsi konversi warna yang mengubah cahaya ultraviolet menjadi cahaya lain yang tampak ini juga penting dalam membangkitkan cahaya putih untuk alat penerangan keadaan padat.
Sementara manfaat erbium diketahui dengan baik, pembuatan bahan erbium berkualitas tinggi merupakan tantangan besar, kata Ning.
Pendekatan standar adalah dengan menjadikan erbium sebagai pengotor pada berbagai bahan induk, seperti silikon oksida, silikon, dan banyak kristal dan kaca lainnya.
“Salah satu masalahnya adalah kita belum mampu memberikan cukup atom erbium ke dalam kristal atau kaca tanpa merusak kualitas optiknya, karena terlalu banyak pengotor dapat menimbulkan gerombolan yang merendahkan mutu optik,” katanya.
Yang unik pada bahan erbium baru yang disintesis kelompok Ning adalah erbium tidak lagi diberikan secara acak sebagai pengotor. Erbium menjadi bagian dari senyawa seragam dan jumlah atom erbiumnya adalah seribu kali lebih banyak dari jumlah maksimum yang dapat diberikan dalam bahan terkotor erbium lainnya.
Meningkatkan jumlah atom erbium memberikan aktivitas optik lebih banyak untuk menghasilkan pencahayaan lebih kuat. Ia juga meningkatkan konversi berbagai warna cahaya menjadi cahaya putih untuk menghasilkan penerangan keadaan padat dan memungkinkan sel surya lebih efisien dalam mengubah sinar matahari menjadi energi listrik.
Selain itu, karena atom erbium terorganisir dalam array yang periodik, mereka tidak menggerombol dalam senyawa baru ini. Faktanya bahan ini telah menghasilkan bentuk kristal tunggal bermutu tinggi yang membuat kualitas optiknya superior dibandingkan bahan yang dikotori lainnya, kata Ning.
Seperti banyak penemuan ilmiah, sintesis bahan erbium baru ini dibuat secara tak sengaja.
“Sama dengan apa yang dilakukan peneliti lainnya, kami pada awalnya mencoba mengotori erbium ke dalam serat nano silikon. Namun karakteristik yang ditunjukkan bahan ini mengejutkan kami,” katanya. “Kami memperoleh bahan baru. Kami tidak tahu apa itu, dan tidak ada dokumen ilmiah yang menjelaskannya. Perlu setahun bagi kami untuk menyadari kalau kami menemukan bahan kristal tunggal baru yang belum pernah ada sebelumnya.”
Ning dan timnya kini mencoba menggunakan senyawa erbium baru ini untuk berbagai aplikasi, seperti peningkatan efisiensi sel surya silikon dan membuat penguat optik miniatur untuk sistem fotonik skala chip untuk komputer dan internet kecepatan tinggi.
“Yang paling penting,” katanya, “ada banyak hal yang kami harus pelajari mengenai apa yang dapat dicapai oleh bahan baru ini. Studi awal kami pada karakteristiknya menunjukkan kalau ia punya banyak sifat mengagumkan dan kualitas optik yang superior. Penemuan lain yang lebih mengagumkan sedang menunggu untuk dibuat.”
Sumber berita:
Arizona State University.
Minggu, 04 Desember 2011
