(Kredit: © Alessio Ponti | Dreamstime.com)
CLEVELAND — Sebuah tim peneliti internasional baru saja menemukan sesuatu yang luar biasa tentang salah satu material bumi yang paling menakjubkan: berlian. Dengan menambahkan sejumlah kecil elemen umum yang disebut boron ke berlian, sebuah proses yang disebut “doping,” mereka telah menciptakan material yang berperilaku sedemikian rupa sehingga dapat merevolusi segala hal mulai dari sensor medis hingga komputer kuantum.
Meskipun para peneliti telah lama mengetahui bahwa berlian yang didoping boron (BDD) dapat menghantarkan listrik seperti logam, penelitian baru ini mengungkapkan sesuatu yang tidak terduga: berlian dapat mendukung gelombang khusus aktivitas elektronik. Gelombang ini, dikenal sebagai plasmon intervalensimewakili cara baru berlian dapat berinteraksi dan mengontrol cahaya dan listrik pada skala mikroskopis.
Gagasan memanipulasi cahaya dan listrik mungkin terdengar modern, namun sebenarnya manusia telah melakukannya selama berabad-abad tanpa menyadarinya. Perhatikan warna merah dan kuning cemerlang di jendela kaca patri abad pertengahan; warna-warna tersebut berasal dari partikel logam kecil di kaca yang menciptakan efek seperti gelombang serupa saat sinar matahari menerpanya. Apa yang membuat penemuan berlian ini istimewa adalah para ilmuwan kini mempunyai potensi untuk menawarkan kendali yang lebih baik dan lebih banyak kemungkinan untuk teknologi maju.
Untuk memahami cara kerjanya, bayangkan berlian sebagai kristal tersusun sempurna yang terbuat dari atom karbon. Ketika para ilmuwan menambahkan boron, yang memiliki satu elektron lebih sedikit daripada karbon, hal itu menciptakan “lubang” periodik dalam susunan yang sempurna ini. Lubang-lubang ini memungkinkan listrik mengalir melalui berlian sekaligus menjaganya tetap transparan, meskipun dengan warna biru yang khas (ini sebenarnya alasan yang sama mengapa Hope Diamond yang terkenal memiliki ciri khas warna biru).
“Berlian terus bersinar, baik secara harfiah maupun sebagai mercusuar bagi inovasi ilmiah dan teknologi,” kata Giuseppe Strangi, profesor fisika di Case Western Reserve, dalam sebuah pernyataan. “Saat kita melangkah lebih jauh ke era komputasi dan komunikasi kuantum, penemuan seperti ini membawa kita lebih dekat untuk memanfaatkan potensi material secara penuh pada tingkat paling mendasar.”
Untuk mempelajari perilaku elektronik baru ini, tim peneliti menggunakan serangkaian instrumen khusus yang luar biasa yang dapat memeriksa materi pada skala ribuan kali lebih kecil dari rambut manusia. Mereka menggunakan mikroskop canggih yang dapat mendeteksi bagaimana elektron bergerak di dalam material dan teknik khusus yang mengungkap bagaimana material berinteraksi dengan cahaya inframerah. Anggap saja seperti memiliki mata berkekuatan super yang tidak hanya dapat melihat seperti apa rupa sesuatu, tetapi juga bagaimana perilaku atom dan elektronnya.
Lalu apa yang membuat berlian begitu istimewa dibandingkan bahan lainnya? Bahan ini sangat keras, menghantarkan panas lebih baik dibandingkan bahan alami lainnya, dan kompatibel secara biologis, artinya bahan ini tidak bereaksi atau membahayakan jaringan hidup. Kombinasi sifat-sifat ini, bersama dengan perilaku elektronik yang baru ditemukan, dapat menjadikannya ideal untuk aplikasi di mana material lain tidak memiliki kekurangan.
“Memahami bagaimana doping mempengaruhi respon optik semikonduktor seperti berlian mengubah pemahaman kita tentang bahan-bahan ini,” jelas Mohan Sankaran, profesor teknik nuklir, plasma dan radiologi di Illinois Grainger College of Engineering. Aplikasi potensial berkisar dari perangkat pencitraan medis yang lebih baik hingga biochip sensitivitas tinggi, sensor molekuler, sel surya yang lebih baik, dan komputer kuantum canggih.
Terobosan ini, diterbitkan di Komunikasi Alamdibangun berdasarkan sejarah penelitian berlian yang kaya. Pada tahun 1968, John Angus di Case Western Reserve University memelopori teknik sintesis berlian pada tekanan rendah dan merupakan orang pertama yang melaporkan bahwa penambahan boron dapat membuat berlian menghantarkan listrik. Lebih dari lima puluh tahun kemudian, penemuan baru ini terus mengungkap potensi luar biasa berlian untuk teknologi masa depan.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menggunakan pendekatan multi-cabang untuk mempelajari berlian yang didoping boron. Mereka mensintesis bubuk intan menggunakan metode bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi, serta menggabungkan boron selama prosesnya. Mereka kemudian mengkarakterisasi sampel menggunakan berbagai teknik mikroskop dan spektroskopi, termasuk mikroskop elektron transmisi, spektroskopi Raman, dan teknik khusus seperti VEELS dan spektroskopi inframerah medan dekat. Metode ini memungkinkan mereka menyelidiki sifat elektronik dan optik material pada skala nanometer.
Hasil
Eksperimen tersebut mengungkapkan bukti jelas adanya plasmon intervalensi pada berlian yang didoping boron, muncul sebagai sinyal spesifik dalam pengukuran VEELS dan inframerah. Sinyal-sinyal ini secara konsisten tidak ada dalam sampel berlian yang tidak didoping, sehingga mengonfirmasi hubungannya dengan doping boron. Perhitungan teoritis tim ini sesuai dengan pengamatan eksperimental, menunjukkan bahwa sifat plasmon dapat disesuaikan dengan menyesuaikan konsentrasi boron.
Keterbatasan
Penelitian ini menghadapi beberapa tantangan teknis, termasuk keterbatasan dalam mengontrol konsentrasi boron secara tepat pada skala nano dan variasi sensitivitas pengukuran karena ketebalan sampel. Konsentrasi boron berada di bawah batas deteksi beberapa teknik analisis, sehingga memerlukan pengukuran dan korelasi tidak langsung.
Diskusi dan Kesimpulan
Studi ini menunjukkan bahwa berlian yang didoping boron dapat mendukung plasmon intervalensi, sebuah properti yang sebelumnya tidak diketahui dan mungkin berguna untuk teknologi kuantum. Kemampuan untuk menyesuaikan plasmon ini dengan mengendalikan konsentrasi boron menawarkan cara baru untuk merekayasa sifat elektronik berlian. Penemuan ini menunjukkan bahwa fenomena serupa mungkin terjadi pada semikonduktor doping lainnya, sehingga berpotensi membuka arah penelitian baru.
Pendanaan dan Pengungkapan
Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation dan berbagai lembaga pendanaan internasional, termasuk FNR (Luksemburg), Dewan Riset Swedia, dan Dewan Inovasi Eropa. Pekerjaan ini memanfaatkan fasilitas di berbagai lembaga penelitian, termasuk Universitas Illinois Urbana-Champaign dan The Ohio State University.
Informasi Publikasi
Penelitian bertajuk “Intervalensi plasmon dalam berlian yang didoping boron” diterbitkan pada 14 Januari 2025 di Komunikasi Alamvolume 16, artikel nomor 444. Penelitian ini mewakili upaya kolaboratif antara berbagai institusi di Amerika Serikat dan Eropa.
