NANOSAINS: STRUKTURNANO SEMIKONDUKTOR Rustam E. Siregar Dept. Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran 1 Fisika Terapan adalah bidang studi yang mempelajari kombinasi disiplin fisika, matematika dan teknik. Fokus pada metoda saintifik sebagai basis yang kuat, fisika terapan mencari cara untuk menggunakan, mendesain dan mengembangkan solusi-solusi baru untuk teknologi baru. Pada tingkat undergraduate kurikulum diisi dengan matakuliahmatakuliah metematika, fisika, kimia, biologi, elektronik dan komputasi. Selain itu kurikulum diperlengkapi dengan pilihanpilihan khusus antara lain: optik, zat padat, material, nanosains, nanoteknologi dan fotonik. 2 ABSTRAK Nanosains adalah suatu ilmu multidisiplin yang muncul di awal 1980. Dalam suatu material berukuran hanya beberapa nanometer, muncul sifat-sifat fisis baru sebagai akibat dari efek fisika kuantum. Dalam kuliah ini akan dikemukakan strukturnano dari bahan semikonduktor khususnya heterostruktur Alx Ag1-x As/AgAs/ Alx Ag1-x As untuk membentuk berbagai sumur kuantum. Mula-mula dikemukakan konsep “perangkap” elektron menggunakan sumur potensial berukuran nanometer. Kemudian konsep itu dipakai untuk membangun tiga macam sumur kuantum: Quantum Well, Quantum Wire dan Quantum Dot. Sifat-sifat sumur kuantum itu akan dibahas satu-persatu. Akhirnya dikemukakan beberapa aplikasi teknologi. 3 Outline Abstrak 1 Pendahuluan 1.1 Teori Pita 1.2 Heterostruktur 1.3 Strukturnano 2. Perangkap Elektron 2.1 Sumur Potensial Tak terhingga 2.2 Sumur Potensial Terhingga 3. Sumur Kuantum 3.1 Quantum Well 3.2 Quantum Wire 3.3 Quantum Dot 4. Aplikasi 4 1. PENDAHULUAN 1.1 Teori Pita semikonduktor (bulk) Pita konduksi Pita konduksi elektron 𝐸𝐶 foton 𝐸𝑔 𝐸𝑉 hole Pita Valensi Pita Valensi 5 Energi gap beberapa bahan semikonduktor Bahan Eg (eV) Si 1,12 Ge 0,67 GaN 3,44 GaAs 1,44 Ga1-xAlxAs 1.44+1.247x 1.9+0.125x+0.143x2 x<0,45 x>0,45 Ga1-xInxAs 1,44-1,415x 1,077-1,195x x<0,2 0,25<x<0,45 6 Massa efektif elektron dan hole Si Ge GaAs InP CdS CdSe m∗e /m0 0,26 0,12 0,068 0,077 0,21 0,13 m∗𝐡h /m0 0,49 0,28 0,45 0,4 0,7 0,45 m∗𝐥h /m0 0,16 0,044 0,082 m0=9,110-31kg m∗𝐡h : massa efektif heavy hole m∗𝐥h : massa efektif light hole 7 Kerapatan keadaan E 4 3 V k Volume ruang k: k 3 bulk (e ) PK 2 3 Volume satu modus: Vmod k x k y k z EC Lx L y Lz Vk k3 Lx L y Lz Jumlah modus: N 2 2 Vmod 3 3 (E) EV PV (h ) N k Jumlah keadaan pervolume: L x L y L z 3 2 k 2 m e* E 2 1 2 me* E 2 2 3 Rapat keadaan: ( e ) 3/ 2 (e) ( E ) d d k3 2 dE dE 3 3/ 2 1 2 2 2 me* 2 * 2 m 1 (h) h (E) 2 2 2 3/ 2 E EC 3/ 2 EV E 1 2 me* (e) (E) E 2 2 2 Jumlah keadaan per selang energi per satuan volume (1/eVnm3 ) 8 1.2 Heterostruktur Heterostruktur adalah struktur dengan heterojunction dari dua material semikonduktor berbeda. GaAlAs (1) GaAs (2) Δ𝐸𝐶 =0,3 eV Eg1=1,94 eV Eg2=1,44 eV Δ𝐸𝑉 =0,2 eV 9 1.3 Strukturnano Strukturnano: material berukuran panjang 1-100 nm. Di dalam strukturnano semikonduktor elektron dan hole terkurung (confined), tetapi bebas bergerak dalam dimensi lainnya. Efek kuantum menghadirkan sifat-sifat elektronik baru di dalam strukturnano, berbeda dengan sifat-sifat sampel besar (bulk) dari mana strukturnano itu dibuat. 10 2. KURUNGAN KUANTUM Elektron dipandang sebagai gelombang (de Broglie). Persamaan Schrödinger d 2 dx 2 2 m0 2 E V 0 V : energi potensial ( x ) : fungsi gelombang elektron E : energi elektron m0 9,1 10 31 kg massa elektron 1,05 10 -34 Js konstanta Planck/2 Solusi : E dan ( x ) 11 2.1 Elektron Bebas V 0 d 2 dx 2 E 2 k x 0; 2 kx 2 m0 2 E 2 2 kx 2 m0 ( x ) e ik x x 12 2.2 Sumur Potensial tak terhingga 0; V ( x) ; V= a xa x a; x a Di –a<x<a d 2 dx -a 0 a x Di xa, =0 2 k 2 0; k 2 2 m0 2 E A sin kx ( x) A cos kx n sin ka 0 k ; n 2, 4.... 2a n cos ka 0 k ; n 1, 3,... 2a 13 V= Energi elektron di dalam sumur 2 2 ; n 1, 2, 3, .... En n 2 8m a 0 n=3 2 2 1 -a 0 a x a 1,5 nm n E(eV) 1 0,07 2 0,28 n2 a2 ( 0,15 eVnm 2 ) sin 1 𝜑𝑛 = ൞ 𝑎 cos 𝑛𝜋𝑥 2𝑎 𝑛𝜋𝑥 2𝑎 ; 𝑛 = 2,4 … ; 𝑛 = 1,3. . ∆𝐸21 =0,21 eV kT=0,026 eV pada 300K 14 2.3 Sumur Potensial Terhingga V V0 0; V ( x) V0 ; a xa x a; x a Di –a<x<a -a 0 a x Syarat kontinuitas di x=a A cos ka Be Ka Ka ka tan ka Ka (1) kA sin a KBe Ka A sin ka Be Ka kA cos ka KBe ka cot ka Ka ( 2 ) ( ka ) 2 ( Ka ) 2 2m0 2 d 2 dx 2 k 2 0; k 2 2 m0 2 E A cos kx ( x) A sin kx Di x>a d 2 dx 2 K 2 0; K 2 2 m0 2 (V E ) ( x ) B e Kx Va 2 (3) 15 Vo=0,3 eV, a=1,5 nm V0=0,3 eV a=1,5 nm 1.2 n=1 n=1 1 2 2 0.8 n ka/ E (eV) 1 0,28 0.02 2 0,63 0,10 3 1,03 0,27 ∆𝐸21 =0,08 eV Ka/pi kT=0,026 eV pada 300K 3 0.6 V=V0 0.4 n=3 3 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 ka/pi 0.8 1 1.2 2 1 -a 0 a x 16 3. SUMUR KUANTUM Lapisan tipis Batang halus 2D 1D Quatum Well Quantum Wire Elektron bebas bergerak pada bidang (y,z), terperangkap dalam sumbu-x Elektron bebas bergerak pada sumbu-z, terperangkap dalam bidang (x,y) Kotak kecil 0D Quantum Dot Elektron terperangkap dalam volume (x,y,z). 17 3.1 Quantum Well Quantum well adalah lapisan tipis bahan semikonduktor di antara dua lapisan semikonduktor lain yang bandgapnya lebih lebar. Dalam quantum well elektronelektron terperangkap dalam satu arah (sumbu-x), dan bebas bergerak dalam dua arah yang lain (sumbu-y dan sumbu-z). Karena elektron bebas bergerak dalam dua arah, maka quantum well dikatakan berdimensi dua (2D). y 2a AlGaAs AlGaAs GaAs 2D C0,3 eV EC 2 Eg1=1,94 eV Eg2=1,44 eV x y z x EV 2 V 0,2 eV z GaAs AlGaAs -a a 18 Elektron di pita konduksi Sepanjang sb-y dan sb-z elektron bebas bergerak. Energi kinetik elektron dalam kedua arah adalah: (yze ) Total energi: E (e) 2k 2 2 me*2 ; k 2 k y2 k z2 EC 2 ( e ) (yze ) AlGaAs AlGaAs -a<x<a (GaAs) GaAs d ( x) 2m (e) ( x) 0 dx 2 2 * e2 2 ( x) A cos k x x ( x ) A sin k x x kx 2 me*2 ( e ) 2 C EC 2 Eg1 Eg2 EV 2 V -a a 19 x a (GaAlAs ) d 2 ( x ) 2 me*1 ( e ) 2 ( EC ) ( x ) 0 2 dx Ce K x ( x a ) ; x a ( x) K ( xa ) Ce x ; xa ( e ) EC Kx 2 me*1 ( EC ( e ) ) 2 Syarat kontinuitas di x=a A cos k x a C 1 1 * k x A sin k x a * K x C me 2 me1 A sin k x a C 1 1 k A cos k a K xC x x * * me 2 me1 1 1 k a tg k a K xa x x * * me 2 me1 (1) 1 1 k x a ctg ka * K x a ( 2) * me 2 me1 me*1 2 me*1 2 2 2 k a K a E a (3) x x C * 2 me 2 20 Hasil perhitungan untuk elektron di pita konduksi dengan EC=0.3 eV, a=2,5 nm me1=0,092 m0 dan me2=0,067 m0.. Kxa/ EC2 kxa/ 1( e ) 0,033 eV 2( e ) 0,278 eV di atas EC2 21 Hole di pita valensi (yzh ) 2k 2 2 mh* 2 ; k 2 k y2 k z2 Total energi: E (h) EV 2 ( h ) (yzh ) –a<x<a (GaAs) d 2 ( x ) 2 mh* 2 (h) E ( x) 0 V2 2 2 dx ( x) A cos k x x ( x) A sin k x x ( h ) EV 2 k hx 2 mh* 2 (h) E V2 2 x a (GaAlAs) d 2 ( x ) 2 mh*1 (h) (h) EV 1 2 ( EV 1 ) ( x ) 0 2 dx * Ce K hx ( x a / 2 ) x a 2 m (h) h1 ( x ) K ( xa / 2 ) K ( EV 1 ) hx 2 Ce hx xa 22 Syarat kontinuitas di x=a 1 mh* 2 k x a tg ka 1 mh*1 1 0.9 K xa 0.8 0.7 mh* 2 k x a ctg ka 1 mh*1 K xa mh* 2 2 2 2 mh* 2 EV a 2 2 2 k hx a K hx a * mh1 2 0.6 Ka/pi 1 0.5 0.4 EV2 0.3 0.2 0.1 Hasil perhitungan untuk hole di pita valensi dengan EV=0.2 eV a=2,5 nm, mh2=0,092 m0 dan mh1=0,125 m0. 0 0 0.1 0.2 0.3 1( h ) 30 meV 0.4 0.5 ka/pi 0.6 0.7 0.8 0.9 1 2( h ) 190 meV di bawah EV2 23 Kerapatan keadaan Luas lingkaran dalam bidang k adalah Ak=k2 Luas satu modus: Amod ( 2 ) 2 k ykz L y Lz Ak k2 Jumlah modus: N 2 L y Lz Amod 2 k2 Jumlah keadaan persatuan luas 2 k2 2 me* 2 E Kerapatan keadaan: (e) me* 2 E me* d 2 dE Jumlah keadaan per selang energi per satuan luas(1/eV nm2 ) Kerapatan keadaan dalam (ky,kz) harus disertai oleh keadaan yang berkaitan dengan setiap nilai kx. Sedangkan setiap nilai kx menggambarkan energi elektron (subband) Ex. Jadi, secara lengkap kerapatn keadaan adalah (e) me*2 2 (e) H ( E ) n H ( E (e ) ) Fungsi heavyside (e) 1 jika E H ( E (e) ) 0 jika E ( e ) 24 E QW bulk EC 2 2( e ) EC2 EV2 EC 2 1( e ) k (e) ( E ) EV 2 1( h ) EV 2 2( e ) Subband-subband dan kerapatan keadaan pada quantum well. 25 3.2 Quantum Wire Quantum wire (kabel kuantum) adalah semikonduktor berbentuk kabel, dibungkus dengan semikonduktor lain yang bandgap-nya lebih lebar. Elektron teperangkap dalam bidang-xy dan bebas bergerak sepanjang sb-z. Karena bebas bergerak sepanjang kabel, sistem dikatakan berdimensi satu (1D). 𝐸𝐶1 y r 𝐸𝐶2 ϕ 𝑅0 z x 𝑬𝑪𝟏 𝑬𝑪𝟐 𝑬𝑪𝟏 𝑬𝑽𝟐 𝑬𝑽𝟏 26 Elektron di pita konduksi Energi kinetik elektron sepanjang sb-z z( e ) 2 k z2 2 me* Energi total elektron dalam pita konduksi: E ( e ) EC 2 r(e ) z( e ) r 2k 2 2 me* Persamaan Schrodinger dalam koordinat silinder r m k k m k m qm R0 2 me* 2 m m qm * 2 me R0 2 2 qm adalah akar akar fungsi Bessel J m ( km r ) 27 ℓ=1 ℓ=2 ℓ=3 ℓ=4 m=0 2,405 5,520 8,654 11.792 m=1 3,832 7,016 10,174 13.324 m=2 5,136 8,417 11.620 14.796 m=3 6.380 9.761 13.015 16.224 01 0,13 eV 11 0,33 eV 21 0,59 eV 28 Kerapatan keadaan Jika panjang quantum wire adalah Lz, maka bilangan gelombang sepanjang sb-z adalah 2 me* 2 me* (e) kz z ( E nxn y ) N z 2 2 Lz Jumlah keadaan persatuan panjang adalah 2N z 2 Lz 2 me* 2 E n( ex n) y Rapat keadaan adalah d 1 (e) ( E ) dE 2 me* 1 2 E n( ex n) y (e ) Jika E n x n y maka (e ) menuju . Oleh sebab itu, secara umum, untuk suatu energi E diperoleh jumlah keadaan (E) 1 2 me* 2 nxn y 1 E n( ex n) y H ( E n( ex n) y ) 29 E E EC 2 2( e ) EC2 EV2 EC 2 1( e ) k (E ) EV 2 1( h ) EV 2 2( e ) Subband-subband kerapatan muatan quantum wire 30 Konduktans Quantum Wire *) Reservoir-1 𝜇1 Reservoir-2 Quantum wire 𝜇2 Perbedaan potensial kimia 𝜇1 − 𝜇2 =eV sebagai energi elektron yang mengalir sesuai dengan sub-bandnya dengan vektor gelombang k. Besar arus dari elektron yang di subband-n: Jika energi Fermi di bawah 0 e f n F ambang subband I n ( eV ) f n F h 1 Jika energi Fermi di atas Konduktans: Gn I n 2e V h 2 2e 2 Untuk N subband: G N h ambang subband Angka 2 datang dari spin elektron berdegenerasi 2 (up dan down) G terkuantisasi, besarnya tidak bergantung pada panjang. N bergantung pada diameter dan massa efektif. *) Mukunda P Das and Frederick Green (2017), Conductance anomalies in quantum point contacts and 1D wires, Adv. Nat. Sci: Nanosci. Nanotechnol. 8, 02300 31 3.3 Quantum Dot Quantum dot adalah bahan semikonduktor berbentuk bola atau kubus kecil sekali, yang dibungkus dengan semikonduktor lain yang band gapnya lebih besar. Elektron dan hole terkurung di dalam quatum dot, tak bebas dalam semua arah (tanpa kinetik). Itu sebabnya quantum dot dikatakan berdimensi nol (0D). Karena ini adalah sifat atom, maka quantum dot disebut juga artificial atom. 𝑬𝑪𝟏 𝑬𝑪𝟏 𝑬𝑪𝟐 𝑬𝑪𝟐 𝑅0 𝑬𝑽𝟐 𝑬𝑽𝟏 Tinjaulah sebuah bola berjari-jari R0. Potensial adalah EC 2 jika r R0 V (r) EC 1 jika r R0 32 k 0; k 2 Misalkan 𝐸𝐶1 ≫ 𝐸𝐶2 2 2 2 me* E (e) 2 n ( r, , ) N n j ( kn r )Ym ( , ) E (ne ) 2 k 2,n 𝑧𝓁𝑛 2 me* ; k 2n 2 2 z ,n 2 me* R02 j ( kn r ) Fungsi Bessel bola z ,n Akar-akar fungsi n=1 n=2 n=3 n=4 𝓁=0 3,142 6,283 9.425 12.566 𝓁=1 4.493 7.725 10.904 14.066 𝓁=2 5.763 9.095 12.323 15.515 Sebagai contoh, untuk R0=2,5 nm, lima energi eigen terendah adalah: E01=0,055 eV, E11=0,113 eV, E21=0,186 eV, E02=0,221 eVdi atas 𝐸𝐶2 . Tingkat energi berbanding terbalik dengan jari-jari kuadrat. 33 E (e) EC 2 E 21 (e) EC 2 E11 (e) EC 2 E01 EC 2 EV 2 (h) EV 2 E01 (E ) (h) EV 2 E11 (h) EV 2 E 21 Kerapatan keadaan quantum dot 34 4. APLIKASI 4.1 Quantum Well 4.1.1 Laser Film GaAs disisipkan di antara n-doped AlGaAs dan p-doped AlGaAs EC 2 n( e ) EV 2 n( h ) E g n( e ) n( h ) Lapisan n-doped AlGaAs memberikan elektron sedangkan p-doped AlGaAs memberikan hole ke film GaAs. Lalu terjadi inversi populasi di dalam film GaAs, lebih banyak elektron di pita konduksi. Jika ada foton yang mengenai elektron, elektron itu akan terangsang untuk turun dan berekombinasi dengan hole sambil mengemisikan foton yang sama. Inilah operasi laser. 35 4.1.2 Detektor cahaya IR Detektor cahaya IR bisa dibangun menggunakan quantum well. Transisi elektronik antar-subband di dalam quantum well berlangsung karena menyerap foton IR. Beberapa buah quantum well disusun berderet; barrier antara dua quantum well dibuat agak tebal agar tidak terjadi tunneling elektron. Quantum well didesain hanya memiliki satu tingkat energi dan kalau elektron menyerap cahaya ia tereksitasi tepat ke puncak barrier. Quantum well dibuat dari n-doped semikonduktor sehingga keadaan dasarnya berisi elektron. Ketika diberikan tegangan bias, seluruh pita konduksi menyadi miring. Bila disinari dengan cahaya yang fotonnya sama dengan beda energi antarsubband atau lebih maka elektron tereksitasi. 36 foton IR Medan listrik elektron barrier Pita konduksi emitter Quantum well collector (μm ) 1,24 ; E 0,3 eV 41 μm (IR) E ( eV ) Begitu elektron tereksitas karena menyerap foton, elektron melepaskan diri masuk ke daerah kontinum dan tercatat sebagai arusfoto. 37 4.2 Quantum Wire 4.2.1 Bio-Chem-FET Bio-Chem-FET adalah field-effect transistor yang gate-nya bisa dipengaruhi oleh perubahan potensial permukaan yang terinduksi oleh molekul dipermukaan itu. Ketika molekul-molekul bermuatan seperti biomolekul terikat di gate, molekul-molekul itu bisa mengubah distribusi muatan di bahan gate sehingga menyebabkan perubahan konduktans kanal FET (nanowire). Gate Quantum wire Lin et al., Control and Detection of Organosilane Polarization on Nanowire Field-Effect Transistors, Nano Lett., 2007, 7 (12), pp 3656–3661 38 4.2.2 Devais elektronik Quantum wire bisa dipakai untuk transistor. Suatu tantangan bagi pembuatan transistor di masa depan adalah bagaimana memastikan gate sebagai pengontrol yang baik terhadap kanal. Karena aspect ratio yang tinggi sekali, jika dieletrik gate dibuat membungkus kanal quantum wire, kontrol elektrostatis kanal dapat berlangsung lebih sempurna. Dengan demikian proses on dan off menjadi sangat efisien. Drain Source Gate Beberapa nm Quantum wire 39 4.3 Quantum Dot elektron 4.3.1 Laser p-GaAs QD InAs p-GaAs InGaAs n-GaAs • Arus ambang sangat kecil karena kerapatan keadaan yang kecil • Diferensial gain besar karena modulasi arus sangat cepat • Kontrol panjang gelombang emisi lewat quantum size effect. n-GaAs laser hole 40 4.3.2 Single-elektron Transistor (SET) SET adalah transistor yang on dan off setiap kali sebuah elektron ditambahkan padanya. Devais ini sepenuhnya bersifat kuantum. Antara source dan drain ditempatkan QD yang satu sama lain terisolasi dieletrik. Dekat QD ditempatkan elektroda gate. Elektron bisa tunneling dari source ke QD ke drain dengan pengontrolan melalui gate . dielektrik Kapasitas antara gate dan QD: C g 4 0 r 0 GaAs: 𝜀 𝜀0 - = 12,4 sehingga 𝐶𝑔 = 1,4710−9 𝑟 Source F . m QD + Drain Gate Jari-jari QD r=2 nm, 𝐶𝑔 = 0,2810−17 𝐹. + Tegangan 𝑉𝑔 = 𝑒/𝐶𝑔 =0,06 volt diperlukan untuk melewatkan satu elektron di QD 41 𝐸𝐶 E source QD 𝐸𝐹 E source drain 𝐸𝐹 𝑉𝐺 = 0 QD 𝐸𝐹 drain 𝐸𝐹 𝑉𝐺 > 0 𝐸𝐶 =𝑒 2 /2𝐶𝑔 =0,029eV adalah energi pengisian muatan satu elektron; 𝐸𝐶 >kT Tegangan bias 𝑉𝑆𝐷 antara source dan drain memberikan energi pada elektron e𝑉𝑆𝐷 untuk tunneling dari soursc ke drain. Jika 𝑒𝑉𝑆𝐷 < 𝐸𝐶 elektron tidak dapat tunneling ke QD (a). Ini disebut blokade Coulomb. Kecuali kalau Vg>0, elektron dapat tunneling (b). Dalam rangkaian digital berbasis single-electron transistor, satu bit informasi (1 atau 0) bisa dipresentasikan oleh lewat atau tidak elektron tunggal dalam QD. Keseluruhan blok memory dengan kapasitas 1011 bit (100 kali lebih tinggi daripada yang dimiliki chip modern) bisa ditempatkan pada satu kristal dengan luas permukaan 1 𝑐𝑚2 . Realisasi praktis devais seperti itu adalah tujuan peneliti diseluruh muka bumi ini. 42 4.3.3 Pendeteksi kanker Sel-sel kanker cenderung memiliki protein tertentu di permukaannya; ini tidak ditemukan pada sel yang sehat. QD dikonjugasikan dengan antibody tertentu sehingga akan mencantel pada sel-sel kanker. Jika disinari, QD itu akan berfluoresensi, menandakan di sana ada sel kanker. Molekul antibody foton1 foton2 Jaringan fluoresensi Sel kanker QD CdSe-ZnS 43 Bahan Bacaan Vladimir V. Mitin, Dmitry I. Sementsov, Nizami Z. Vagidov, Quantum Mechanics for Nanostructures, Cambridge University Press 2010. Rustam E. Siregar, Fisika Kuantum , Teori dan Aplikasi,2010. Paul Harrison, Quantum Wells,Wires and Dots, Wiley 2005 Manijeh Razeghi, Fundamentals of Solid State Engineering, Kluwer 2002 44 Terimakasih semoga bermanfaat [email protected] 45