Kejuruteraan Atom menggunakan Alat Epitaksi Alur Molekul (MBE)

Penulis : Dr. Mohd Ambri Mohamed
Felo Penyelidik Kanan
Institut Kejuruteraan Mikro & Nanoelektronik, UKM

Perkataan epitaksi berasal dari Greek merupakan gabungan dua perkataan epi (di atas) dan taksi (tersusun). Molecular Beam Epitaxy (MBE) ataupun Epitaksi Alur Molekul adalah satu proses penumbuhan epitaksi melibatkan tindak balas aluran atom dengan permukaan kristal di dalam kondisi vakum teramat tinggi (UHV). Teknik ini membolehkan atom disusun di permukaan kristal mengikut fungsi ataupun karektor yang dikehendaki. MBE juga membolehkan ketebalan penumbuhan kristal dikawal pada ketepatan skala nano meter dan juga komposisi atom serta susunan atom di dalam kristal tersebut boleh di kawal dengan tepat.

Kelebihan teknik MBE berbanding dengan teknik endapan yang lain adalah ia mampu menumbuhkan kristal dengan aras bendasing yang cukup minimal di bawah paras 10 ppb, kadar penumbuhan kristal yang rendah dan suhu endapan yang rendah. Semua kelebihan ini menjadikan teknologi MBE merupakan teknik pilihan utama untuk penumbuhan kristal dalam penyelidikan asas seperti mengkaji sifat sesuatu bahan dari segi elektrik, optik dan juga magnetik. Teknik MBE boleh di utilasi untuk menghasilkan pelbagai peranti termaju seperti transistor berkelajuan tinggi, spin transistor, semikonduktor magnetik, superkonduktor, sel-suria, peranti MEMS / NEMS, membran tiruan dan peranti optoelektronik.

Gambar: (Atas) Keratan rentas peralatan MBE. (Bawah) Penumbuhan lapisan epitaksi GaAs.

Alat ini agak kurang popular di kalangan penyelidik kerana melibatkan kos yang mahal, proses penyediaan yang memakan masa dan memerlukan kemahiran yang tinggi untuk mengendalikannya. Ini kerana untuk mendapatkan penumbuhan atom secara epitaksi, ruang penumbuhan perlu berada dalam keadaan vakum teramat tinggi iaitu sekitar 10-¹⁰ Torr (sebagai perbandingan, tekanan di angkasa lepas dalam lingkungan 10-¹² Torr). Keadaan vakum yang teramat tinggi ini adalah hasil kombinasi pelbagai jenis pam vakum seperti pam turbo, pam ion  dan pam sublimasi serta penyejukan oleh cecair Nitrogen di sekeliling ruang penumbuhan. Namun begitu, alat ini mudah dikendalikan jika kita mempunyai pemahaman dalam teknologi vakum. Keseronokan mengendalikan alat ini dapat dirasai apabila kita boleh melihat sendiri penyusunan atom setiap lapisan semasa proses penumbuhan serta dapat melihat susunan atom yang cantik melalui cerapan mikroskop elektron.

Kajian Terbaru

Baru-baru ini, melalui kajian fundamental menggunakan MBE, penulis telah berjaya menghasilkan peranti semikonduktor magnetik berasaskan Gallium Arsenide (GaAs) tanpa melibatkan percampuran unsur bersifat magnetik. Dengan erti kata lain, fenomena magnetik telah berjaya dirakam melalui bahan semikonduktor yang ditumbuhkan melalui proses MBE tanpa melibatkan percampuran unsur magnet seperti Mn, Co dan Cr. Biasanya sifat magnetik bahan boleh didapati daripada elemen berat bersifat konduktor dan mempunyai spin yang tiada pasangan di dalam sub-orbital d seperti Fe, Co dan Ni. Fenomena ini berlaku adalah kerana jarak antara elektron di dalam orbital d adalah amat rapat yang membolehkan elektron-spin berinteraksi antara satu-sama lain dan menunjukkan fenomena magnetik. Mungkin ada yang tertanya-tanya bagaimana fenomena yang sama boleh berlaku pada bahan semikonduktor seperti GaAs yang tiada langsung percampuran unsur magnetik? Tambahan pula bahan semikonduktor ini terdiri dari elemen ringan yang hanya mempunyai elektron-spin pada orbital s dan p sahaja di mana secara alaminya jarak antara elektron-spin pada orbital ini berada agak jauh berbanding orbital d untuk berinteraksi antara satu sama lain. Perkara ini sebenarnya telah diramalkan boleh berlaku oleh ahli fizik teori R. N .Bhatt dari Princeton melalui penerbitan di Jurnal Physical Review B pada tahun 2007 yang mengatakan fenomena magnetik boleh berlaku daripada unsur bukan magnetik [1].

Melalui kaedah MBE ini, penulis telah membuktikan ramalan ini benar melalui penumbuhan GaAs pada suhu rendah dengan disertakan unsur bukan magnetik Beryllium yang menjadi penerima kepada lebihan elektron dari Arsenik. Maka atom arsenik mempunyai lebihan spin yang tidak mempunyai pasangan dalam kuantiti yang banyak, menghampiri kepada jumlah spin yang terdapat pada unsur magnetik. Pada ketika ini, fenomena magnetik daripada bahan bukan magnet ini boleh dilihat pada suhu rendah sahaja, namun melalui optimasi kaedah pertumbuhan, tidak mustahil satu hari nanti fenomena ini bakal dilihat pada suhu tinggi. Jika kaedah yang sama boleh digunakan untuk Silikon, tidak mustahil bidang yang juga dipanggil spintronik ini bakal menggegarkan industri elektronik di mana konduktiviti bahan tersebut boleh di modulasi bukan saja melalui medan elektrik tetapi juga melalui medan magnet. Maklumat terperinci mengenai fenomena ini telah diterbitkan penulis di Journal of The physical Society of Japan [2], Journal of Applied Physics [4-7] dan Journal of Crystal Growth [3].

Rujukan

[1] E. Nielsen and R.N. Bhatt, “Nanoscale ferromagnetism in nonmagnetic doped semiconductors”, Phys. Rev. B 76, 161202(R) 2007

[2] N. Otsuka and M.A. Mohamed, “ Mechanism of Large Thermal Fluctuations and Slow Relaxation of Elastically Interacting Point-Defect System” J. Phys. Soc. Jpn. 84 (7), 074005 2015

[3] M. A. Mohamed et al., “Origin of cooperative transition of antisite-Arsenic defects in Be-doped low-temperature grown GaAs layers” Journal of Crystal Growth 378, 329-332 2013

[4] M.A. Mohamed et al., “Transition of electron transport process in Be-doped low-temperature-grown GaAs layer, Journal of Applied Physics 114 (8), 083716 2013

[5] M. A. mohamed et al., “Non-equilibrium critical point in Be-doped low-temperature-grown GaAs”, Journal of Applied Physics 113 (5), 053504 2013

[6] M. A. Mohamed et al., “Cooperative transition of electronic states of antisite As defects in Be-doped lowtemperature-grown GaAs layers”, Journal of Applied Physics 110 (12), 123716 2011

[7] K. W. Bae et al., “Direct exchange interaction of localized spins associated with unpaired sp electrons in Bedoped low-temperature-grown GaAs layers”, Journal of Applied Physics 109 (7), 073918 2011