BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Semikonduktor menjadi

BAB I
PENDAHULUAN
I.1
Latar Belakang
Semikonduktor menjadi topik yang banyak dikaji dalam perkembangan
sains dan teknologi abad ini. Pemanfaatannya dalam bidang elektronika seperti
transistor, dioda, telepon genggam dan kamera menjadi bahasan yang sangat
menarik di bidang teknologi (Neamen, 2003). Semikonduktor adalah suatu material
yang sifat kemampuannya sebagai penghantar listrik berada di antara insulator dan
konduktor. Perbedaannya didasarkan atas ukuran celah pita (Eg) yang didefinisikan
sebagai ukuran energi orbital-orbital tertinggi yang terisi (pita valensi) dengan
orbital orbital terendah yang masih kosong (pita konduksi) (Yu, 2010). Umumnya
aplikasi dari semikonduktor banyak dimanfaatkan dalam komponen elektronika
dan komponen sel surya.
Bahan bahan organik atau alamiah semakin berkembang karena sifatnya
yang ramah lingkungan (mudah terdekomposisi di alam) sehingga sesuai dengan
konsep green chemistry. Bahan organik juga memiliki potensi sebagai material
semikonduktor, makromolekul terkonjugasi yang memiliki ikatan tunggal C-C dan
ikatan rangkap C=C terkonjugasi memiliki sistem elektron π pada rantainya adalah
senyawa organik yang dapat dimanfaatkan sebagai material semikonduktor.
Penemuan dan pengembangan semikonduktor organik dimulai pada tahun
1954 (Tsutsul dan Fujita, 2002) hingga berujung pada penemuan sel surya organik
di tahun 1977. Brutting (2005) menyebutkan permasalahan yang ditemui adalah
rendahnya efisiensi sel surya organik (>5%) jika dibandingkan sengan sel surya
anorganik (10-20%).
Sel surya organik memiliki keunikan lain yaitu dapat disintesis dari tumbuhtumbuhan yang melimpah serta mudah dibudidayakan di Indonesia. Pigmen
tumbuhan dapat digunakan sebagai sensitizer pada sel surya yang dikenal dengan
sel surya tersensitasi zat warna (Triyana, 2006).
Porfirin adalah salah satu contoh dari senyawa organik yang memiliki
potensi sebagai material semikonduktor organik. Ikatan rangkap terkonjugasi
dengan empat pirola yang terhubung oleh ikatan π melalui gugus etilen (=CH-)
1
2
yang dimilikinya memungkinkan terjadinya serapan gelombang elektromagnetik
sehingga terjadi eksitasi elektron dari tingkat dasar menuju tingkat tereksitasi.
Serapan panjang gelombang yang dilakukan senyawa tersebut merupakan serapan
salah satu dari radiasi elektromagnetik. Porfirin merupakan bahan organik yang
memiliki kemiripan struktur dengan klorofil sehingga senyawa porfirin mampu
menyerap panjang gelombang elektromagnetik yang dipancarkan matahari. Attaila
(2010) menyatakan bahwa porfirin memiliki tingkat absorbsi yang baik terhadap
sinar ultraviolet karena sistem susunan ikatan rangkapnya.
Kimia komputasi merupakan cabang ilmu kimia yang dapat memprediksi
sifat dan struktur molekul kimia dengan pendekatan matematika yang
terdeskripsikan dengan media komputer. Metode kimia komputasi dapat menekan
biaya penelitian eksperimen yang tinggi, waktu dan tenaga profesional yang
dibutuhkan. Prediksi dengan pendekatan komputasi sangat memberikan
kemudahan bagi peneliti untuk melakukan penelitian secara eksperimen di
laboratorium. Kimia komputasi didasarkan hasil dari kimia teori yang kemudian
diterjemahkan ke dalam program komputer dengan tujuan menghitung sifat-sifat
molekul serta perubahannya, melakukan simulasi terhadap sistem-sistem makro
dan menerapkan program tersebut dalam sistem kimia nyata. Optimasi struktur,
energi, selisih tingkat energi, muatan, momen dipol, kereaktifan, frekuensi getaran,
besaran spektroskopi dan lain sebagiannya merupakan sifat-sifat molekul yang
umumnya dihitung dengan menggunakan kimia komputasi (Pranowo, 2003).
Studi terkait aspek kinetik dan dinamik semikonduktor organik umumnya
dilakukan di laboratorium eksperimen dengan menggunakan perangkat analisis
instrumen. Metode komputasi dapat mereduksi perhitungan spektra elektronik dari
orbital senyawa dengan hasil perhitungan yang akurat. Simulasi dengan media
komputer dilakukan dengan membuat sistem yang sangat mirip dengan eksperimen,
tujuannya untuk menjaga akurasi perhitungan sehingga dapat dibandingkan
langsung dengan hasil eksperimen. Penelitian eksperimen umumnya terhambat oleh
beberapa faktor seperti keterbatasan alat, waktu, dan biaya sehingga perhitungan
komputasi menjadi solusi dari hambatan tersebut. Penelitian menggunakan metode
komputasi banyak memberikan peran penting dalam perkembangan sains.
3
Tahir dkk. (2005) melakukan penelitian secara teoritis tentang
fotosensitivitas suatu senyawa menggunakan senyawa antibakteri flourokuinolon
berdasarkan karakteristik spektra elektronik dan selisih energi HOMO-LUMO.
Tsuda dan Oikawa (1976) melakukan penelitian tentang struktur elektronik pada
keadaan transisi dari polivinil sinamat yang mempunyai gugus bersifat fotosensitif.
Amao dkk. (2013) dan Wang dkk. (2005) telah membuktikan senyawa klorofil dan
turunannya dapat digunakan sebagai sensitizer untuk DSSC. Daphnomili dkk.
(2013) juga melaporkan senyawa kompleks Zn(II) porfirin tersubstisusi baik secara
asimetris maupun simetris juga memiliki aktivitas yang baik sebagai sensitizer pada
DSSC. Roth dkk. (2014) melakukan penelitian terkait sintesis senyawa kompleks
platina porfirin sebagai dioda cahaya organik.
Penelitian dengan menggunakan pendekatan kimia komputasi penting
untuk menentukan kaitan antara struktur porfirin tersubstitusi dengan aktifitasnya.
Penelitian dilakukan untuk mendapatkan kajian teoritis tentang aktivitas porfirin
tersubstitusi dalam sensitivitasnya terhadap sinar ultraviolet.
Kajian porfirin
dengan menggunakan metode komputasi yang banyak diteliti adalah konjugasi
porfirin dengan senyawa logam. Barbee dan Kuznetsov (2011) melakukan
penelitian terhadap pengaruh substituen pada sifat elektronik dan struktur senyawa
Ni(II) porfirin dengan metode Density Functional Theory (DFT). Rovira (1997)
melakukan doping logam Fe dengan porfirin sebagai ligannya, metode kimia
komputasi yang dipilih adalah metode DFT. Konjugasi logam Fe-porfirin
menghasilkan serapan pada gelombang UV, sehingga membutuhkan energi yang
sangat besar untuk melakukan eksitasi elektron. Pedersen (2004) juga melakukan
penelitian terkait porfirin dengan konjugasi logam Zn, Mg dan Ni.
Metode
perhitungan yang digunakan adalah metode ab initio, dari penelitian tersebut
dibuktikan bahwa Zn dan Ni porfirin memiliki peluang untuk menjadi detektor
inframerah organik dan cahaya tampak karena memiliki celah pita (Eg) yang kecil
yaitu 0,63 eV. Pemilihan himpunan basis ab initio memberikan waktu yang lama
dalam optimasi geometri molekul. Kajian efek jenis logam yang terikat pada
porfirin juga diteliti oleh Hasanah (2014) dan Shalabi dkk. (2014) dengan metode
DFT, mereka melaporkan jenis logam yang terikat pada porfirin mempengaruhi
4
nilai Eg pada senyawa kompleks logam-porfirin. Tai dkk. (2013) mengkaji efek
gugus samping pada substituen porfirin terhadap Eg dan spektra serapan
elektroniknya.
Berdasarkan latar belakang tersebut dapat disimpulkan bahwa logam yang
didopingkan dan substituen yang ditambahkan pada senyawa kompleks logamporfirin memberikan pengaruh terkait performa senyawa kompleks tersebut sebagai
material semikonduktor organik. Pada penelitian ini penulis mencoba mengkaji
efek substituen pada senyawa kompleks logam-porfirin dengan menggunakan
metode komputasi DFT. Ion logam yang dipilih adalah Pt(II) yang didoping dengan
ion porfirin2- dengan penambahan substituen pada posisi meso. Parameter yang
digunakan berupa nilai celah pita (Eg), rapat keadaan (DOS) dan spektra serapan
UV-Vis.
I.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang maka dibuat rumusan masalah bagaimana efek
substituen terhadap nilai Eg, spektra rapat keadaan (DOS) dan spektra serapan UVVis senyawa kompleks platina(II) porfirin tersubstitusi.
I.3 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji sifat elektronik dan struktur
senyawa kompleks platina(II) porfirin secara teoritis dengan pendekatan komputasi
menggunakan metode DFT/TD-DFT.
Secara spesifik tujuan penelitian ini dapat dijabarkan sebagai berikut:
1. Mempelajari efek substituen terhadap nilai Eg, spektra DOS, dan spektra
serapan UV-Vis pada senyawa platina(II) porfirin tersubstitusi
2. Merekomendasikan senyawa yang memiliki sifat semikonduktor terbaik
berdasarkan paramater Eg, DOS, dan spektra serapan UV-Vis.