STUDI PENENTUAN SEMIKONDUKTOR MELALUI KAJIAN CELAH ENERGI KOMPLEKS SENYAWA Ca-Porfirin MENGGUNAKAN
METODE KOMPUTASI SEMIEMPIRIS ZINDO/1
Oleh :
Renny Dorothy Roos Lestari Purba NIM 4123240027
Program Studi Fisika
Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN
ii
RIWAYAT HIDUP
iii
STUDI PENENTUAN SEMIKONDUKTOR MELALUI KAJIAN CELAH ENERGI KOMPLEKS SENYAWA Ca-Porfirin MENGGUNAKAN
METODE KOMPUTASI SEMIEMPIRIS ZINDO/1
Renny Dorothy Roos Lestari Purba (4123240027) ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian untuk menentukan celah energi dari Ca-Porfirin yang dapat digunakan sebagai bahan semikonduktor dan menganalisis penyerapan inframerah dari Ca-Porfirin.
Penelitian ini menggunakan software Hyperchem versi 8.0 untuk Windows 7. Celah energi dan analisis penyerapan inframerah dari Ca-Porfirin diperoleh dengan metode komputasi semiempiris ZINDO/1. Adapun celah energi dihitung dari selisih energi pada energi HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) dan energi LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). Energi Homo yang dihasilkan sebesar 3,108005 eV dan energi LUMO sebesar 3,702375 eV, sehingga celah energinya sebesar 0,59473. Ca-Porfirin yang diberi radiasi infra merah akan menyerap energi yang mampu mengeksitasi elektron dari pita valensi menuju pita konduksi. Energi foton yang diserap harus lebih besar dari celah energi yang dihasilkan. Ca-Porfirin menyerap energi foton pada panjang gelombang 2,04 µm – 2,11 µm.
Sesuai dengan literatur, semikonduktor memiliki celah energi 0 < Eg <3. sehingga dapat disimpulkan bahwa Ca-Porfirin dapat dijadikan sebagai bahan semikonduktor organik dan memiliki kemiripan dengan bahan semikonduktor germanium (Ge). Ca-Porfirin menyerap baik sinar infra merah pada area mid infrared sehingga dapat diaplikasikan dalam pembuatan sensor dalam area mid infra merah.
iv
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan rahmatNya yang telah memberikan kesehatan dan hikmat kepada penulis sehingga penelitian skripsi ini dapat di selesaikan dengan tepat waktu sesuai yang di rencanakan. Adapun judul skripsi ini yang berjudul “Studi Penentuan Semikonduktor Melalui Kajian Celah Energi Kompleks Senyawa
Ca-Porfirin Menggunakan Menggunakan Metode Komputasi Semiempiris ZINDO/1”
disusun untuk memperoleh gelar Sarjana Sains, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Medan.
Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terimakasih kepada pihak yang telah membantu menyelesaikan skripsi ini mulai dari pengajuan proposal penelitian, pelaksanaan penelitian sampai penyusunan skripsi antara lain Bapak Alkhafi Maas Siregar, M.Si selaku dosen pembimbing skripsi, yang telah memberikan bimbingan dan saran-saran kepada penulis sejak awal penelitian sampai dengan selesainya penulisan skripsi ini dan Bapak Prof.Dr.Nurdin Bukit, M.Si selaku dosen penguji I, Bapak Dr. Eidi Sihombing, M.S selaku dosen penguji II, Bapak Dr. Ridwan A. Sani, M.Si selaku dosen penguji III yang telah memberikan kritikan dan masukan demi penyempurnaan skripsi ini serta Ibu Mariati P Simanjuntak, M.Si selaku pembimbing akademik yang telah memberikan bimbingan, arahan, teguran yang berharga dan nasehat selama masa perkuliahan dan juga telah banyak membantu dalam penyelesaian skripsi ini termasuk studi selama perkuliahan berlanjut. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada Bapak Yusuf Hasibuan M.Si yang sudah bersedia membimbing dan berdiskusi dalam penyelesaian skripsi ini.
v
Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada Konni teman satu kamar sekaligus sahabat, Erni sahabat seperjuang, kos jitu (Bang Berkat, Bang Eko, Bang Evan, Jonathan, Agustina, Rosa), teman-teman Fisika non dik 2012, adik-adik Latreia SG, Tedy Salikh Beruriah R SG, sahabat PA Remata SG, Pengurus Kordinasi 2015, 2016 UKMKP UP FMIPA yang turut memberikan dukungan, semangat dan doanya.
Penulis telah berupaya dengan semaksimal mungkin dalam menyelesaikan skripsi ini namun penulis menyadari masih banyak kekurangan baik dari segi isi maupun tata bahasa dan penulisan, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi. Akhir kata penulis ucapkan terima kasih.
Medan, Agustus 2016 Penulis
vi
DAFTAR ISI
Halaman
Lembar Pengesahan i
Riwayat Hidup ii
Abstrak iii
Kata Pengantar iv
Daftar Isi vi
Daftar Gambar viii
Daftar Tabel ix
Daftar Lampiran x
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang 1
1.2. Rumusan Masalah 3
1.3.Batasan Masalah 3
1.4. Tujuan Penelitian 3
1.5. Manfaat Penelitian 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Semikonduktor 5
2.1.1. Semikonduktor Anorganik 5
2.1.2. Semikonduktor Organik 7
2.1.2.1. Porfirin 8
2.2. Kalsium (Ca) 9
2.3. Kajian Celah Energi 10
2.4. Spektrum Infra Merah 12
2.5. Software Hyperchem 15
BAB III METODE PENELITIAN
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian 17
3.2. Alat dan Bahan Penelitian 17
3.2.1. Alat Penelitian 17
3.2.2. Bahan Penelitian 17
3.3. Prosedur Penelitian 17
3.3.1. Pemodelan Awal 17
3.3.2. Optimasi Geometri 18
3.3.3. Penentuan Celah Energi 18
3.3.4. Perhitungan Spektrum Infra Merah 18
3.4. Diagram Alir Penelitian 19
3.4.1. Pemodelan Awal 19
3.4.2. Optimasi Geometri 20
3.4.3. Penentuan Celah Energi 21
vii
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil 23
4.1.1. Model Ca-Porfirin 23
4.1.2. Hasil Optimasi Geometri 24
4.1.3. Celah Energi 25
4.1.4. Kajian Spektra Infra Red (IR) 27
4.2. Pembahasan 27
4.2.1. Model Ca-Porfirin 27
4.2.2. Celah Energi 29
4.2.3. Kajian Spektrum Infra Red (IR) 31
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan 33
5.2. Saran 33
viii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Semikonduktor Silikon (Si) 5
Gambar 2.2 Semikonduktor Germanium (Ge) 6
Gambar 2.3 Struktur Dasar Porfirin 8
Gambar 2.4 Material Dilihat Dari Struktur Pita Energi 11
Gambar 2.5 Spektrum Gelombang Elektromagnetik 13
Gambar 3.1 Diagram Alir Pemodelan Awal 19
Gambar 3.2 Diagram Alir Optimasi Geometri 20
Gambar 3.3 Diagram Alir Penentuan Celah Energi 21
Gambar 3.4 Diagram Alir Penggambaran Spektrum Inframerah 22
Gambar 4.1 Ca-Porfirin dalam Bentuk 2D 23
Gambar 4.2 Ca-Porfirin 3D 24
Gambar 4.3 Ca-Porfirin Teroptimasi 25
Gambar 4.4 Energi Homo 26
Gambar 4.5 Energi LUMO 26
Gambar 4.6 Spektrum Infra Merah Ca-Porfirin 27
Gambar 4.7 Konfigurasi Ca-Porfirin 30
ix
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Sifat-sifat Fisika Kalsium 10
Tabel 2.2 Energi dan Panjang Gelombang yang Bersesuaian 14
Tabel 3.1 Alat Penelitian 17
Tabel 3.2 Bahan Penelitian 17
Tabel 4.1 Panjang Ikatan Ca-Porfirin 28
x
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Prosedur Penelitian 36
Lampiran 2. Energi Foton 40
Lampiran 3. Surat Keterangan Penugasan Dosen PS 46
Lampiran 4. Surat Izin Penelitian 47
1
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Pada masa kini, penggunaan semikonduktor berkembang dengan pesat. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik dan optik. Semikonduktor merupakan bahan yang memiliki sifat hantar di antara bahan konduktor dan isolator. Berdasarkan elektron valensinya, suatu bahan dikatakan semikonduktor apabila bahan tersebut memiliki elektron valensi sebanyak empat elektron valensi (Malvino, 1985). Ditinjau dari celah energinya, suatu bahan dapat dikategorikan sebagai bahan semikonduktor apabila celah energinya berada diantara interval 0 eV – 3 eV (Strehlow dan Cook, 1973).
Berdasarkan jenis bahannya, semikonduktor terdiri dari dua bagian yaitu semikonduktor anorganik dan semikonduktor organik. Semikonduktor anorganik terbuat dari logam. Semikonduktor anorganik yang sering digunakan adalah silikon (Si), Germanium (Ge). Si dan Ge memiliki empat elektron valensi. Kedua bahan ini merupakan semikonduktor murni yang tidak perlu dipadukan dengan bahan lain dan sering diaplikasikan dalam pembuatan komponen-komponen elektronika seperti transistor, resistor dll (Malvino, 1985). Berdasarkan celah energinya, Si memiliki celah energi sebesar 1,14 eV dan Ge memiliki celah energi sebesar 0,67 eV (Hameed dan Al-Sheikh, 2011).
Penelitian tentang bahan semikonduktor terus berkembang, yaitu dengan adanya semikonduktor yang berbahan dasar senyawa organik atau yang disebut dengan semikonduktor organik. Semikonduktor organik dapat diaplikasikan pada alat optik dan elektronik. Semikonduktor organik harus dipadu dengan logam sehingga elektron dapat berpindah dari logam ke semikonduktor organik. Keunikan dari bahan semikonduktor organik adalah dapat disintesis dari tumbuh-tumbuhan yang melimpah serta mudah dibudidayakan di Indonesia dan sifatnya yang ramah lingkungan (Triyana, 2006).
2
elektromagnetik untuk mengeksitasi elektron. Untuk memaksimalkan penyerapan gelombang elektromagnetik, maka porfirin harus dikonjugasikan dengan logam. Logam yang dipilih adalah logam yang memiliki energi ionisasi lebih kecil sehingga akan lebih mudah melepaskan elektron pada saat dikonjugasi dengan bahan organik. Kalsium (Ca) adalah salah satu logam yang mudah melepas elektron dan memiliki orbital d yang kosong sehingga memungkinkan terjadinya transisi elektronik jika logam tersebut dikojugasikan dengan porfirin. Ada tiga cara yang dapat digunakan dalam penyelesaian masalah semikonduktor, antara lain : (i) secara teoritis, (ii) secara eksperimen dan (iii) secara komputasi. Pada penelitian ini, metode yang digunakan adalah metode komputasi.
Berkembangnya ilmu pengetahuan dalam hal eksperimen menggunakan komputer memainkan peranan penting. Program-program perangkat lunak (software) terus mengalami perkembangan, termasuk software berbasis sains dalam rangka mempermudah eksperimen untuk mendeskripsikan suatu sistem fisika kimia dan teori yaitu eksperimen komputer, yang lebih dikenal dengan nama komputasi sains. Penelitian dengan pendekatan komputasi sains penting dilakukan dalam penentuan kaitan antara semikonduktor organik terkonjugasi dengan logam. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan kejelasan teoritis tentang aktivitas semikonduktor organik dalam kajian celah energi dan sensitivitasnya terhadap sinar inframerah. Selain itu, penelitian dengan menggunakan komputasi lebih akurat, mudah, dan tidak membutuhkan banyak biaya.
3
penyelesaian masalah semikonduktor menggunakan metode komputasi sangat menarik, mempermudah, lebih akurat dan lebih hemat.
Berdasarkan latar belakang di atas, maka penelitian ini mengkaji porfirin yang dikonjugasikan dengan logam Ca untuk menentukan celah energi dan penyerapan akan radiasi inframerah sehingga dapat ditentukan kelayakan bahan tersebut sebagai semikonduktor. Selain itu penelitian ini menggunakan metode komputasi semi empiris ZINDO/1 (Zerner Intermediate Neglect of Differential Overlap) yang hasilnya diharapkan mempermudah dan lebih akurat.
1.2 Batasan Masalah
Peneliti memberikan batasan masalah pada :
1. Kajian celah energi dihitung menggunakan metode ZINDO/1.
2. Kajian spektrum inframerah dihitung menggunakan metode ZINDO/1.
1.3 Rumusan Masalah
Mengacu pada permasalahan yang ada, maka dalam penelitian ini diutamakan pada hal-hal sebagai berikut :
1. Berapakah besar celah energi Ca-Porfirin sehingga layak digunakan sebagai bahan semikonduktor.
2. Berapa besar kemampuan penyerapan Ca-Porfirin terhadap inframerah.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini dilakukan adalah :
1. Menentukan celah energi dari Ca-Porfirin yang dapat digunakan sebagai bahan semikonduktor.
2. Menganalisis penyerapan inframerah dari Ca-Porfirin.
1.5 Manfaat Penelitian
4
1. Sebagai penambah wawasan serta meningkatkan pemahaman tentang pembuatan semikonduktor organik melalui pengkajian celah energi dan spektrum penyerapan inframerah..
33
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan :
1. Celah energi ataupun energy gap ( ) yang diperoleh adalah
0,59473 eV, hasil ini memenuhi kriteria bahan semikonduktor dan memiliki kemiripan dengan bahan semikonduktor Germanium (Ge). Dengan demikian Ca-Porfirin dapat dijadikan sebagai bahan semikonduktor organik.
2. Energi foton yang memenuhi syarat untuk mengeksitasi elektron berada pada panjang gelombang 2,04 µm – 2,11 µm. Sesuai dengan literatur darah tersebut memasuki area mid inframerah (1,5 µm - 10 µm), sehingga dapat dimanfaatkan sebagai sensor pada rentangan area mid – infrared.
5.2 Saran
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, peneliti memberi saran untuk penelitian selanjutnya, antara lain :
1. Perlu dilakukan pengujian dengan basis set yang lain.
34
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, (2016), Kalsium, http://id.m.wikipedia.org/wiki/kalsium/. (Diakses pada tanggal 24 Maret 2016)
Hart, Harold, dan Achmadi, Suminar., (2003), Kimia Organik suatu kuliah singkat, Penerbit Erlangga, Jakarta.
Hasanah, I. U., (2013), Kajian Teoritis Sifat Semikonduktor Kompleks Logam Porfirin Dengan Menggunakan Metode Density Functional Theory (DFT)., Skripsi, FMIPA, UGM, Yogyakarta.
Hikmah, A., Utomo, S. B. dan Sukardjo, J. S.; Kajian Teoritis untuk Menentukan Celah Energi Kompleks Ag-Phthalocyanine dengan Menggunakan Metode Mekanika Kuantum Semiempiris Zindo/1. Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia VI 2014.
Malvino, A. A., (1985), Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor Pengantar Transistor dan Rangkaian Terpadu, Penerbit Erlangga, Jakarta.
Nasikhudin, (2010), Schottky Contact dan Ohmic Contact pada Persambungan Elektroda Logam dan Semikonduktor Organik.
Pamungkas, G. dan Sanjaya, I. G. M., (2013), Kajian Teoritis Untuk Menentukan Celah Energi Porfirin Terkonjugasi Logam Kalsium Menggunakan Teori Fungsi Kerapatan (DFT), UNESA Journal of Chenistry Vol. 3, No.2.
Pranowo, D. H., (2000), Kimia Komputasi, Penerbit Universitas Gajah Mada, Yogyakarta.
Raya, I., (2014), Kimia Anorganik Fisik dan Material, Penerbit Universitas Hasanuddin, Makassar.
Saito, T., (1996), Buku Teks Kimia Anorganik, Penerbit Universitas Kanagawa, Tokyo.
Sanjaya, I. G. M., Pamungkas, G. dan Novita, D.; Karakterisasi Porfirin Terkonjugasi Logam Golongan IIA Sebagai Bahan Baku Fotodetektor. Prosiding Seminar Nasional Kimia 2014 ISBN: 978-602-0951-00-3.
Saputra, Aldo. S., dan Sanjaya, I. G. M., (2014), Kajian Teoritis Untuk Menentukan Celah Energi Kompleks 8-Hidroksiquinolin Terkonjugasi Logam Besi Dengan Menggunakan Teori Kerapatan Fungsional, UNESA Journal of Chenistry Vol. 3, No.2.
35
Silverstein, R. M., Webster, F. X. dan Kiemle, D. J., (2005), Spectrometric Identification of Organic Compounds, Edition. John Wiley and Sons, New York.
Sitorus, M., (2013), Kimia Organik Fisika, Penerbit Graha Ilmu, Yogyakarta.
Strehlow, W. H., dan Cook, E. L., (1973), Compilation Of Energy Band Gaps In Elemental And Binary Compound Semiconductors And Insulators, Journal of Physic Chemical, Ref. Data, Vol. 2, No. 1.
Shur, Michael, (2002), Physic Of Semiconductor Devices, Penerbit Prentice Hall of India, New Delhi.
Sutopo, (2004), Common Textbook Pengantar Fisika Kuantum, Penerbit Universitas Negeri Malang, Malang.
Triyana, Kuwat.; Elektronika Organik : Perkembangan dan Prospeknya, Prosiding PPI-PDIPTN Batan Yogyakarta 2006.
Yacobi, B. G., (2003), Semiconductor Materials An Introduction to Basic Principles, Penerbit Kluwer Academic/Plenum Publisher, New York.
Zenkevich, E. I., Gaponenko, S. V., Sagun, E.I dan Von, Borczyskowki, (2013), Bioconjugates Based On Semiconductor Quantum Dots And Porphyrin Ligands: Properties, Excition Relaxation Pathways And Singlet Oxigen Generation Efficiency For PDT Applications, National Technical University of Belarus, Nezavisimosti Ave.
