BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Untuk mereduksi dimensi konduktor sampai mendekati ukuran beberapa atom saja memicu lahirnya teknologi berbasis skala nanometer. Komponen elektronik yang berukuran lebih kecil akan bekerja dengan arus dan tegangan yang lebih kecil pula, sehingga akan lebih efisien dan hanya membutuhkan konsumsi daya yang rendah. Saat ini, perkembangan industri mikroelektronika telah berhasil membuat isolasi sistem terkontrol yang hanya terdiri dari beberapa partikel. Dalam hal ini piranti elektronik memasuki alam mesoskopik yang mengikuti hukum-hukum fisika kuantum. Pengurungan partikel dalam dua dimensi telah dikenal sebagai sumur kuantum (quantum well), pembatasan partikel sampai satu dimensi disebut dawai kuantum (quantum wire), dan pengungkungan elektron ke segala arah dalam ruang sampai nol dimensi disebut titik kuantum (quantum dot)
(Wahyu Tri Cahyanto, Kamsul Abraha, Pekik Nurwantoro, 2007)
Sistem quantum dot diperoleh dari terkuantisasinya partikel dalam semua arah oleh bekerjanya potensial penghalang tiga dimensi dalam suatu material berdimensi kuantum (nanostruktur). Pemunculan potensial penghalang untuk menghasilkan sistem quantum dot (dapat berhingga atau tak berhingga) dimungkinkan oleh kemajuan dalam teknik fabrikasi nanokristal. Nanokristal adalah struktur dimensi tiga yang terletak antara fase molekul dan bulk yang terdiri dari beberapa ratus hingga beberapa ribu atom dengan interval ukuran diameter 2 hingga 20 nm (Wahyu Tri Cahyanto, Kamsul Abraha, Pekik
Penelitian di bidang material semikonduktor berskala nanometer yang berpotensi untuk diaplikasikan sebagai devais elektronik dan optoelektronik sangat giat dilakukan oleh para peneliti beberapa tahun belakangan ini. Laporan penelitian mengenai sintesa dan karakterisasi material semikonduktor berstruktur nanometer serta berbagai kemungkinan aplikasinya dapat dengan mudah ditemukan di berbagai jurnal dan pertemuan ilmiah. Keunikan material semikonduktor berstruktur nanometer ini terletak pada efek kuantum yang sangat berpengaruh dalam menentukan sifat material dan kerja devais itu sendiri. Fenomena kuantum seperti kuantisasi energi, efek terobosan dapat teramati dan menjadi basis kerja devais tersebut. Sehingga lahir suatu cabang baru dalam
condensed matter physics yakni fisika sistem berdimensi rendah (physics of low dimensional system) dalam kerangka mekanika kuantum yang dibangun oleh
Erwin Schrödinger, Paul Dirac, dan Heisenberg puluhan tahun silam. Keunikan sifat material berdimensi rendah tersebut sebenarnya telah diketahui, meskipun hanya sekedar penemuan fakta dan asumsi, pada tahun 1932 ketika H. P. Rocksby menemukan fakta bahwa warna merah atau kuning dari beberapa silikat gelas mungkin dapat dikaitkan dengan adanya molekul-molekul mikroskopik CdSe dan CdS. Namun setelah 53 tahun kemudian, pada tahun 1985, baru diketahui bahwa perubahan warna tersebut berkaitan dengan keadaan energi yang ditentukan oleh aspek pengurungan kuantum dari quantum dot CdSe dan CdS. Sejak saat itu, penelitian mengenai quantum dot berkembang pesat seiring dengan berkembangnya teknologi fabrikasi quantum dot seperti Molecular Beam Epitaxy
(MBE) atau dengan teknik lithography. Gambar 1.1 memperlihatkan angka
publikasi tentang quantum dot yang semakin meningkat dari tahun ke tahun. Sedangkan capaian ukuran minimum devais seperti transistor yang digunakan pada Personal Computers (PC) atau telpon selular dari tahun ke tahun diperlihatkan pada Gambar 1.2. Tampak bahwa ukuran devais diproyeksikan mencapai ukuran quantum dot terbesar (dalam orde 30 – 40 nm) (Borovitskaya E,
dan Shur M.S, 2003). Pada saat yang bersamaan, teknik karakterisasi modern telah
Transmission Elektron Microscopy (TEM), Atomic Force Microscopy (AFM), atau
teknik lainnya.
Gambar 1.1: Angka publikasi tentang quantum dot. (Borovitskaya E, dan Shur
M.S, 2003)
Gambar 1.2: Capaian ukuran minimum devais. (Borovitskaya E, dan Shur M.S,
Quantum dot yang berukuran beberapa lapis atom saja dan mampu
mengurung elektron dalam ruang dalam jumlah yang sangat terbatas (kurang dari 1000 elektron) sangat berpotensi diaplikasikan untuk devais optoelektronik maupun mikroelektronik. Quantum dot terutama berbasis material Silikon sangat berpotensi untuk diaplikasikan sebagai novel functional devices yang mampu beroperasi pada temperatur ruang seperti floating gate metal oxide semicondutor
memories, spintronic, single elektron transistor, dan quantum dot lasers. Quantum dot lazim juga disebut sebagai artificial atoms/designer atoms dengan
potensial pengurungan (confinement potential) menggantikan potensial inti pada atom. Kemampuan quantum dot untuk mengurung elektron dalam ruang, secara eksperimen telah terbukti dengan mengukur spektrum eksitasinya. Keberadaan struktur kulit dan magic number pada quantum dot secara eksperimen telah dilakukan oleh L.P Kouwenhoven dengan mengukur fluktuasi spektrum energi pengisiannya (charging energy spektrum). Kemudian investigasi sifat transpor pada quantum dot juga dilakukan oleh Kouwenhoven dengan mengukur karakteristik kurva I-V sistem quantum dot. Serangkaian eksperimen karakterisasi
elektronic charged state pada quantum dot berbasis material Silikon dan
AlGaAs/GaAs juga telah berhasil dilakukan. Dengan mengukur perubahan potensial permukaan pada dot menggunakan AFM/Kelvin probe setelah diberikan tegangan bias (bias voltage). Sebaran perubahan potensial permukaan pada dot sangat unik bergantung pada tegangan bias yang diberikan, ukuran dot, serta struktur quantum dot yang dibangun. Estimasi jumlah elektron yang terkurung dalam dot dihitung dengan membandingkan perubahan potensial permukaan dengan energi single elektron dalam dot. Keunikan profil potensial permukaan tersebut diduga muncul karena adanya interaksi antar elektron dalam dot yang terkait dengan interaksi elektron-elektron dalam sistem berdimensi rendah. (L.P.
Kowenhoven, Marcus Charles M, at.al)
Faktor-faktor yang menjadikan topik quantum dot menarik untuk diangkat dalam penelitian teoroitik ini adalah karena banyaknya peran sistem quantum dot bagi kehidupan, antara lain (Meri Helle, 2005):
1. Dalam bidang industri elektronik sistem quantum dot memungkinkan efisiensi piranti elektronik, yaitu pengaturan jumlah elektron transport dalam sistem transistor yang dapat diupayakan memberikan konsumsi daya sekecil mungkin. Dalam hal ini quantum dot dikatakan sebagai
prototype dari single elektron transistor (SETs).
2. Dalam bidang teknologi informasi sistem quantum dot merealisasikan gagasan quantum computing, yaitu dengan konsep spin quantum bit (spin
qubit) yang menjadikan daya komputasi 2n
, sehingga dengan algoritma kuantum memungkinkan komputer berkecepatan tinggi. Prinsip koherensi dalam quantum dot berperan dalam koreksi kesalahan secara kuantum (quantum error correction) dengan keakuratan tinggi.
3. Dalam bidang industri otomotif perkembangan nanoteknologi sangat berperan dalam pembaharuan subsistem dan komponen-komponennya. Sistem nanopartikel digunakan sebagai filter pada ban mobil, lapisan antireflektif untuk display dan cermin, katalitis nanopartikel sebagai bahan bakar aditif, campuran karbon nanotube untuk keperluan ultra-lightweight pada mobil, dan lain-lain.
4. Dalam bidang lingkungan hidup nanoteknologi dapat berperan sebagai pembersih pada prosess dan hasil produksi, yaitu menurunkan volume polutan. Nanoteknologi juga berperan pada penanggulangan kerusakan lingkungan dengan cara mereduksi beberapa gas polutan.
5. Dalam bidang medis sistem quantum dot digunakan untuk riset dan diagnostik medis, serta dapat mendeteksi sel tumor.
Fokus penelitian ini diarahkan pada aras-aras spektrum energi quantum dot berbasis GaAs/AlGaAs.
1.2 Batasan Masalah
Dengan mempertimbangkan jenjang pendidikan dan jangka waktu penelitian maka penelitian ini dibatasi hanya untuk perilaku elektron dalam bahan semikonduktor berdasarkan ukuran dan dimensi quantum dot nanokristal.
Penerapan persamaan Hamiltonian dan Schrödinger akan digunakan sebagai penelaah parameter spektrum energi dalam penelitian ini untuk menelaah perilaku elektron pada bahan semikonduktor. Penelitian dibatasi pada kajian teoretik yang hasilnya akan dibandingkan dengan data kuantitatif eksperiment (spektrum energi
quantum dot berbasis GaAs dan AlGaAs) dari penelitian Leo P. Kouwenhoven
dan Tarucha.
1.3 Perumusan Masalah
Mencermati kesemarakan penelitian-laboratorium tentang quantum dot serta peran material semikonduktor nanostruktur kristal, dan juga tersedianya berbagai perangkat metode teoritis untuk memperoleh informasi fisis, maka penelitian/riset teoritis terhadap berbagai model sistem quantum dot berbasis GaAs/AlGaAs perlu kiranya dilakukan meliputi berbagai sifat fisis misalnya sifat optik dan elektronik. Salah satu model yang ditawarkan disini adalah struktur elektronik nanostruktur. Ini dimaksudkan agar pada akhirnya terjalin suatu sinergis yang memperluas spektrum perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi berbasis quantum dot.
Sebagai penelitian awal sebelum mempelajari lebih jauh sifat optik
quantum dot tentunya informasi tentang pola dan ketepatan struktur elektronik
adalah penting adanya. Untuk itu dalam penelitian ini akan dipelajari metode pendekatan penggunaan persamaan Hamiltonian dan Schrödinger untuk mendapatkan spektrum energi secara teoritis maupun nilai eigen dan fungsi eigen dalam memperoleh informasi struktur elektronik sistem quantum dot berbasis GaAs/AlGaAs. Rangkaian kerja ini disusun sebagai upaya memperoleh informasi fisis berupa tingkat-tingkat energi quantum dot sebagai atom buatan. Perilaku informasi ini meliputi bagaimana ketergantungan struktur elektronik terhadap bentuk dan ukuran quantum dot. Diharapkan pada akhirnya akan diperoleh pertimbangan-pertimbangan terhadap penggunaan persamaan Hamiltonian dan Schrödinger untuk sistem quantum dot.
1.4 Tujuan Penelitian
1. Mengetahui spektrum energi sistem quantum dot berbasis GaAs/AlGaAs secara teoritis kemudian dibandingkan hasilnya dengan data kuantitatif eksperimen yang diperoleh dari pengumpulan data [L.P. Kouwenhoven dan Tarucha] melalui jurnal-jurnal penelitian mengenai spektrum energi quantum dot.
2. Mengaplikasikan persamaan Hamiltonian dan Schrödinger dalam sistem quantum dot bahan semikonduktor berbasis GaAs/AlGaAs.
1.5 Manfaat Penelitian
1. Sebagai studi awal dalam mempelajari sifat elektronik sistem
quantum dot berbasis GaAs/AlGaAs melalui spektrum energi
2. Sebagai bahan rujukan awal untuk mengetahui spektrum energi
quantum dot pada bahan semikonduktor GaAs/AlGaAs dengan
biaya yang sangat ekonomis dan sangat efisien digunakan di negara Indonesia mengingat bahwa peralatan eksperimen yang digunakan untuk penelitian perilaku elektron dalam struktur elekronik semikonduktor sangat mahal biayanya.
1.6 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah kajian teoritis terhadap perilaku elektron dalam bahan semikonduktor GaAs/AlGaAs melalui penentuan spektrum energi secara teoritis. Adapun struktur semikonduktor yang dikaji adalah struktur semikonduktor quantum dot. Pada struktur ini akan diperoleh spektrum energi maupun nilai eigen dan fungsi eigen dengan menerapkan persamaan Hamiltonian dan Schrödinger.
Desain Penelitian
Bahan Semikonduktor
AlGaAs dan GaAs
Struktur Quantum Dot
Persamaan Hamiltonian dan Schrödinger
Dicari Spektrum energi, nilai eigen
dan fungsi eigen
Spektrum energi
Dibandingkan Hasilnya
Hasil penelitian eksperiment dari jurnal
[Kouwenhoven dan Tarucha]
1.7 Lokasi dan Waktu Penelitian
Sehubungan penelitian dilakukan secara teoritis, maka penelitian dilakukan melalui studi pustaka di perpustakaan USU, internet Pascasarjana USU, Perpustakaan Fisika ITB, Pusat Dokumentasi dan Informasi LIPI, dan Perpustakaan Universitas dan FMIPA UGM yakni dengan mengumpulkan bahan referensi jurnal-jurnal penelitian eksperiment dan teoritis di bidang transport elektron semikonduktor. Waktu penelitian dijadwalkan selama tiga bulan yaitu pada bulan Maret 2010 sampai dengan bulan Mei 2010.
