S E M I E M P I R I S Z I N D O / 1
Oleh:
Hendro Jansya Sinaga NIM 4123240013
Fisika
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Parapat, Sumatera Utara pada 09 Januari 1995. Ayah
bernama Amirson Sinaga dan Ibu bernama Helena Simanjuntak dan merupakan
anak pertama dari 3 bersaudara. Pada tahun 2000, Penulis masuk SD Negeri
094151 Parapat dan lulus pada tahun 2006. Pada tahun 2006, penulis melanjutkan
pendidikan di SMP Negeri 01 Parapat dan lulus pada tahun 2009. Kemudian pada
tahun 2009, penulis melanjutkan pendidikan di SMAN 01 Parapat dan lulus pada
tahun 2012. Pada tahun 2012 penulis diterima di jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Medan melalui jalur
SNMPTN reguler. Selama perkuliahan selain di bidang akademis, penulis juga
aktif dalam berbagai kegiatan internal maupun eksternal kampus yg telah banyak
memberikan banyak pelajaran berharga bagi penulis. Diantaranya adalah
Pengurus di Unit Kegiatan Mahasiswa Kristen Khatolik ( UKM-KK) dan sebagai
iii
STUDI PENENTUAN SEMIKONDUKTOR MELALUI KAJIAN CELAH ENERGI KOMPLEKS SENYAWA BE-PORFIRIN MENGGUNAKAN
METODE KOMPUTASI SEMIEMPIRIS ZINDO/1
Hendro Jansya Sinaga (4123240013)
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian untuk menentukan celah energi dari Be-Porfirin yang dapat digunakan sebagai bahan semikonduktor dan menganalisis penyerapan inframerah dari Be-Porfirin.
Penelitian ini menggunakan software Hyperchem versi 8.0 untuk Windows 7. Celah energi dan analisis penyerapan inframerah dari Be-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 3,535352 eV dan energi LUMO sebesar 3,856724 eV, sehingga celah energinya sebesar 0.321372. Be-Porfirin yang diberi radiasi inframerah 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. BePorfirin 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 Be-Porfirin dapat dijadikan sebagai bahan semikonduktor organik dan memiliki kemiripan dengan bahan semikonduktor lead selenide(PbSe). Be-Porfirin menyerap baik sinar infra merah pada area mid infrared sehingga dapat diaplikasikan dalam pembuatan sensor dalam area mid infrared.
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 penilitian skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik.
Adapun judul skripsi ini yang berjudul “ studi Penentuan Semikonduktor Melalui
Kajian Celah Energi Kompleks Senyawa Be-Porfirin 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 penilitian, pelaksanaan penilitian sampai penyusunan skripsi antara lain
Bapak Dr. 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. Sahyar, MS,
MM selaku dosen penguji I, Ibu Dr. Rita Juliani, M.Si selaku dosen penguji II,
dan Bapak Drs. Jonny H Panggabean, M.Si selaku dosen penguji III yang telah
memberikan kritikan dan saran demi penyempurnaan skripsi ini serta Bapak
Drs.Togi Tampubolon,M.Si selaku dosen pembimbing akademik yang telah
memberikan arahan, bimbingan, dan teguran yang berharga, dan nasehat selama
masa perkuliahan dan juga telah banyak membantu menyelesaikan 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.
Secara khusus penulis ucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada
kedua orang tua saya Amirson Sinaga dan Helena Simanjuntak yang telah
v
tulus. Begitu juga kepada kedua adik saya Febri N Sinaga dan Renita Sinaga yang
telah mendukung dan memberi saya semangat.
Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada orang terdekat, Andy
Maha, Wesli Sinaga teman satu kamar, Renny Purba, Pitri K Sidabutar, yang telah
memberi dukungan, semangat, dan tenaga sehingga penulis dapat menyelesaikan
tulisan ini. Saya ucapkan terimakasih juga kepada teman-teman Fisika Non dik
2012 yang merupakan teman seperjuangan mulai dari awal perkuliahan sampai
akhir perkuliahan atas dorongan, bantuan, serta semangat yang diberikan oleh
teman-teman.
Penulis telah berupaya dengan semaksimal mungkin dalam menyelesaikan
skripsi ini namun penulis juga 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 terimakasih.
Medan, Maret 2017
Penulis
Hendro Jansya Sinaga
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 masalah 1
1.2 Identifikasi Masalah 3
1.3 Batasan Masalah 3
1.4 Rumusan Masalah 4
1.5 Tujuan Penelitian 4
1.6 Manfaat Penilitian 4
BAB II TINJAUAN TEORITIS 2.1 Semikonduktor 5
2.1.1 Semikonduktor Anorganik 5
2.1.2 Semikonduktor Organik 7
2.2 Be-Porfirin 9
2.3 Optimasi Geometri 10
2.4 Teori Molekul Orbital 11
2.5 Celah Energi 13
2.6 Kajian Spektrum Infra Merah 15
2.7 Metode Komputasi 19
2.8 Hyperchem 20
vii
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 22
3.2 Alat Penelitian 22
3.3 Prosedur Penelitian 22
3.3.1 Pemodelan awal 22
3.3.2 Optimasi Geometri 23
3.3.3 Penentuan Celah Energi 23
3.3.4 Spektrum Inframerah 23
3.4 Diagram Alir Penelitian 24
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Penilitian 25
4.1.1 Model Be-Porfirin 25
4.1.2 Hasil Optimasi Geometri 27
4.1.3 Celah Energi 28
4.1.4 Kajian Spektra Infra Red (IR) 29
4.2 Pembahasan 30
4.2.1 Model Be-Porfirin 30
4.2.2 Celah Energi 33
4.2.3 Kajian Spektra Infra Red (IR) 36
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 38
5.2 Saran 38
DAFTAR GAMBAR
[image:9.595.105.519.163.725.2]Halaman
Gambar 2.1. Semikonduktor Silikon 5
Gambar 2.2. Semikonduktor Germanium 6
Gambar 2.3 . Kerangka Dasar Porifirin 7
Gambar 2.4 . Model Molekul Be-Porifirin 9
Gambar 2.5 Representasi 3D dan fungsi gelombang 12
Gambar 2.6 Skema tingkat energik dari dua atom 12
Gambar 2.7 Diagram Celah Energi 14
Gambar 2.8 Spektrum Elektromagnetik 17
Gambar 3.1 . Diagram Alir Penilitian 24
Gambar 4.1 Be-Porfirin Dalam Bentuk 2 Dimensi 25
Gambar 4.2 Be-Porfirin Dalam Bentuk 3 Dimensi 26
Gambar 4.3 Be-Porfirin Teroptimasi 27
Gambar 4.4 Energi Homo 28
Gambar 4.5 Energi Lumo 28
Gambar 4.6 Spektrum Infra Red 29
Gambar 4.7 Panjang Ikatan Atom Be(1)- N(12) 30
Gambar 4.8 Panjang Ikatan Atom Be(1)- N(11) 31
Gambar 4.9 Sudut Ikatan Atom Be dengan N Sebelum Optimasi 32
Gambar 4.10 Sudut Ikatan Atom Be dengan N Sesudah Optimasi 32
Gambar 4.11 Perhitungan Dengan Metode Semiempiris INDO 34
Gambar 4.12 Energi LUMO Dengan Metode INDO 35
Gambar 4.13 Energi HOMO Dengan Metode INDO 35
ix
DAFTAR TABEL
[image:10.595.105.516.144.632.2]Daftar Tabel Halaman
Tabel 2.1. Energi dan Panjang Gelombang yang Bersesuaian 18
Tabel 3.1 Alat Penilitian 22
Tabel 4.1 Panjang ikatan Be dengan N 31
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Prosedur Penelitian 42
Lampiran 2. Energi Foton 46
Lampiran 3. List Program 50
Lampiran 4. Surat Keterangan Penugasan Dosen PS 52
Lampiran 5. Surat Izin Penelitian 53
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Ilmu pengetahuan dan teknologi informasi mengalami kemajuan yang
sangat pesat, sehingga kebutuhan akan informasi yang cepat, tepat dan akurat
sangat dibutuhkan oleh setiap perusahaan, instansi, organisasi maupun bidang
lainnya. Teknologi informasi merupakan hasil rekayasa manusia terhadap pengolahan data dan perhitungan-perhitungan yang cukup rumit. Salah satu
produk dari pengetahuan dan teknologi adalah komputer. Komputer banyak
digunakan sebagai alat bantu untuk mengolah data dan berbagai macam keperluan
termasuk dalam penelitian sains untuk mempermudah, meminimalisir biaya dan
mempersingkat waktu dalam penelitian. Contohnya dalam penelitian bahan
semikonduktor yang membutuhkan waktu yang cukup lama dan biaya yang
mahal. Sehingga digunakan metode komputasi dalam pengolahannya.
Seperti pada penelitian sebelumnya(Timuda, 2010) dengan cara praktikum
, melakukan penelitian semikonduktor O. Penelitian ini mengatakan bahwa
Lapisan semikonduktor O ditumbuhkan pada substrat gelas preparat, dengan
cara melakukan tiga buah gelas preparat dibersihkan dengan membasuhnya
menggunakan air aquades, mencelupkannya ke dalam larutan 1M selama +
10 menit dan membilasnya menggunakan air aquades. Larutan NaOH 1M
sebanyak 100 ml disiapkan ke dalam gelas pyrex, yang kemudian disebut larutan
A dan dipanaskan sampai + 70 0 C. Larutan B, yaitu larutan kompleks tembaga
tiosulfat (3 .2 ), disiapkan dengan mencampur 1 M natrium
tiosulfat ( ) sebanyak 125 ml dengan 1 M larutan tembaga sulfat (Cu )
sebanyak 25 ml. Hasil dari percampuran ini diencerkan dengan air aquades
sebanyak 250 ml. Setengah dari larutan B dipergunakan untuk deposisi. Proses deposisi dilakukan dengan mencelupkan ketiga gelas preparat yang telah
dibersihkan secara bergantian ke dalam larutan A selama + 20 detik dan larutan B
selama + 20 detik tanpa ada jeda waktu antara kedua pencelupan. Dengan
dengan mengulang siklus sebanyak 10 x untuk sampel 1, 20 x untuk sampel 2, dan
30 x untuk sampel 3. Semakin banyak pencelupan, semakin tebal lapisan yang
terbentuk. Tiap pencelupan sebanyak 10 siklus, ketebalan bertambah sebesar ≈
0,15 μm. Sehingga, akan didapatkan sampel dengan urutan ketebalan sebagai
berikut: ketebalan lapisan sampel 1 < ketebalan lapisan sampel 2 < ketebalan
lapisan sampel 3 (Timuda ,2010). Penilitian ini tentu membutuhkan lebih banyak
instrumen, biaya dan waktu yg cukup lama dibandingkan dengan metode
komputasi.
Semikonduktor merupakan bahan dasar pembuatan komponen aktif
elektronika seperti dioda, transistor, dan IC. Semikonduktor juga merupakan
bahan yang memiliki kehantaran di antara konduktor dan isolator (10-8 – 103
(Ωm)-1). Silikon dan germanium, yang termasuk kelompok IV dalam sistem
periodik, merupakan semikonduktor yang paling banyak digunakan sebagai bahan
dasar komponen elektronika, karena keduanya banyak tersedia di alam. Di
samping kedua bahan itu, juga digunakan bahan semikonduktor paduan, di
antaranya silikon-karbon, indiumfosfat, serta berbagai senyawa lainnya. Pada
umumnya, bahan semikonduktor peka terhadap suhu, karena itu suhu kerja alat
sangat perlu diperhatikan (Jorena, 2009).
Bahan semikonduktor adalah bahan penghantar listrik yang mungkin
tidak sebaik konduktor tetapi tidak seburuk isolator yang sama sekali tidak bisa
menghantarkan arus listrik. Pada dasarnya kemampuan menghantarkan arus listrik
semikonduktor berada diantara konduktor dan isolator. Akan tetapi
semikonduktor berbeda dengan resistor, karena semikonduktor dapat
menghantarkan listrik atau berfungsi sebagai konduktor jika diberikan arus listrik
tertentu, suhu tertentu dan juga tata cara tertentu. Untuk memproses bahan-bahan
semikonduktor tersebut menjadi komponen elektronika perlu dilakukan “doping”
yaitu proses menambahkan ketidakmurnian pada semikonduktor yang murni
sehingga dapat merubah sifat atau karakteristik kelistrikannya. Beberapa bahan
yang digunakan untuk menambahkan ketidakmurnian semikonduktor antara lain
3
sedangkan semikonduktor yang melalui proses doping disebut sebagai
semikonduktor ekstrinsik ( Nazwa, 2014).
Kajian terhadap celah energi akan mengarahkan pada pemanfaatan
bahan/molekul tersebut sebagai pengembangan aplikasi bahan semikonduktor.
Ditinjau dari celah energi nya, suatu bahan dapat dikatakan bahan
semikonduktor, apabila celah energi nya berada diantara interval 0 Ev- 3 eV.
Semikonduktor organik telah banyak diteliti dengan menggunakan metode
komputasi. Pada Sudanti (2006) dilakukan kajian terhadap Ag-Porphyrin,
menggunakan ZINDO/1 melalui eksperimen komputer. Hasil kajian menunjukkan
bahwa kompleks Ag-Porphyrin mempunyai celah energi sebesar 2,12 ev, daya
serap inframerah dengan intensitas serapan 5,08 µm . Perak memiliki
konduktivitas termal tinggi, logam perak memiliki kontak terendah resistansi dari
logam perak memiliki reflektifitasi optik logam tertinggi (Hikmah D, 2014).
1.2Identifikasi Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka peneliti mengidentifikasi masalah
sebagai berikut:
1. Mahalnya biaya eksperimen untuk melakukan penelitian terhadap
pengujian semikonduktor organik yang dikonjugasikan dengan logam.
2. Membutuhkan waktu yang cukup lama melalui kajian penelitian.
3. Terbatasnya instrumen yang digunakan dalam penelitian.
1.3Batasan Masalah
Peneliti memberikan batasan masalah pada:
1. Metode yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah metode semi
empirik Zemer’s Intermediate Neglect of Differential Overlap/1
(ZINDO/1).
2. Bentuk molekul, celah energi, dan kajian spektrum Inframerah
1.4Rumusan Masalah
Mengacu pada permasalahan yang ada, maka dalam penelitian ini diutamakan
pada hal-hal sebagai berikut :
1. Bagaimana bentuk molekul dari Be-Porphyrin.
2. Bagaimana celah energi Be-Porphyrin.
3. Berapa besar kemampuan penyerapan Inframerah dari Be-Porphyrin.
1.5Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini dilakukan adalah :
1. Menentukan bentuk molekul Be- Porphyrin.
2. Menentukan celah energi dari Be-Porphyrin yang dapat digunakan
sebagai bahan semikonduktor organik.
3. Menganalisis penyerapan inframerah dari Be- Porphyrin.
1.6Manfaat Penelitian
Penilitian ini diharapkan dapat menambah pemahaman tentang pembuatan
bahan semikonduktor organik melalui pengkajian celah energi dan analisis
penyerapan inframerah, dan juga sebagai panduan untuk dapat memperdalam
pengetahuan tentang pembuatan bahan semikonduktor organik melalui pengkajian
38
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa :
1. Bentuk molekul Be-Porfirin sebelum dan setelah dilakukan optimasi
mengalami perubahan, dimana sudut atom Be dengan N sebelum
dilakukan optimasi sebesar 178,0170, sedangkan setelah dilakukan
optimasi, sudut ikatan mengecil menjadi 148,1850. Dapat disimpulkan
bahwa dengan dilakukannya optimasi, susunan atom menjadi lebih stabil.
2. Celah energi ataupun energy gap ( ) yang diperoleh dengan metode
semiempiris Zindo/1 adalah 0,321372 eV. Pada penelitian sebelumnya
yang dilakukan oleh Sanjaya pada tahun 2013 dengan metode teori
fungsional kerapatan, mendapatkan celah energi Be-Porfirin sebesar 1,11
eV. Hasil ini memenuhi kriteria bahan semikonduktor. Dengan demikian
Be-Porifirin dapat dijadikan bahan semikonduktor organik.
3. Energi Foton yang memenuhi syarat untuk mengeksitasi elektron berada
pada panjang gelombang 2,04 µm – 2,11 µm. Sesuai dengan literatur
daerah tersebut memasuki area mid inframerah (1,5 µm – 10 µm),
sehingga dapat dimanfaatkan sebagai sensor pada rentangan daerah
mid-infrared.
5.2 Saran
Berdasarkan penelitian yang dilakukan, peneliti memberi saran untuk
penelitian selanjutnya, antara lain :
1. Perlu dilakukan simulasi dengan menggunakan jenis logam yang
2. Perlu dilakukan pengujian dengan basis yang berbeda, misalnya pengujian
dengan eksperimen.
40
DAFTAR PUSTAKA
Hikmah, A., Utomo,S.B., Sukardjo., (2014), Kajian Teoritis Untuk Menentukan Celah Energi Kompleks Ag-PHTHALOCYYANINE Dengan Menggunakan Metode Mekanika Kuantum Semiempiris Zindo/1, Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia VI
Hart,Harold., (2003), Kimia Organik suatu kuliah singkat, penerbit Erlangga, Jakarta
Jorena., 2009, Menentukan Energi Gap Semikonduktor Silikon Melalui Pengukuran Resistansi Bahan pada Suhu Beragam, Sumatera Selatan : FMIPA
Universitas Sriwijaya, Jurnal Penilitian Sains
Malvino,A.A.,(1985), Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor Pengantar Transistor dan Rangkaian Terpadu, Penerbit Erlangga,Jakarta
Nazwa, Infadni., Darmawan., Diana., Lutvia, H., Maghfiroh, I., Kumalasari R.D., (2014),Efek Hall, Universitas Airlangga, Surabaya
Pamungkas, G., Sanjaya,G.M., (2013), Kajian Teoritis Untuk Menentukan Celah Energi Porfirin Terkonjugasi Logam Kalsium Menggunakan Teori Fungsional Kerapatan (DFT), UNESA Journal of Chemistry, 2 (1) :54-61
Pranowo, D. H., (2000), Kimia Komputasi, Penerbit Universitas Gajah Mada, Yogyakarta
Raya,Indah.,(2014), Kimia Anorganik Fisik dan Material., Penerbit Universitas Hasanuddin, Makasar
Sanjaya, I.G.M., Pamungkas, G., Novita, D., (2014) Karakterisasi Porfirin Terkonjugasi Logam Golongan IIA Sebagai Bahan Baku Fotodetektor, Prosiding Seminar Nasional Kimia, FMIPA Universitas Negeri Surabaya
Sanjaya, I.G.M., Pamungkas, G., Novita, D., (2013) Karakterisasi Berilium Porfirin Sebagai Bahan Dasar Fotodetektor, Prosiding Seminar Nasional Kimia
Shur, Michael, (2002), Physic Of Semiconductor Device, Penerbit Prentice Hall of India, New Delhi
Sitorus,Marham., (2013), Kimia Organik Fisika, penerbit Graha Ilmu, Yogyakarta
Stella, M., (2009), Study Of Organic Semiconductors For Device Applications, Barcelona: Universitas de Barcelona
Timuda, E.G., (2010) Pengaruh Ketebalan Terhadap Sifat Optik Lapisan Semikonduktor Cu2O yang Dideposisikan dengan Metode Chemical Bath Deposition (CBD), Institut Pertanian Bogor, Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Zarlis, M., (2007), Pemodelan Algoritma Gerakan Berdimensi : Satu Tinjauan Metode Komputasi Dalam Fisika, Laporan Penelitian, Lembaga Penelitian Universitas Sumatera Utara
Zenkevich, E. I., Gaponenko, S V., Sagun, E.I dan Von, Borczyskowki, (2013), Bioconjugates Based On Semiconductor Quantum Dots And Porphyrin Ligands: Properties, Excition Relaxtion Pathways And Singlet Oxigen Generation Efficiency For PDT Applications, National Technical University of Belarus, Nezavisimosti Ave
