Mengenal Perkembangan Nanoteknologi Berbasiskan Material Semikonduktor II-VI

Artikel Spesial tentang nanoteknologi! Silahkan Membaca….. 🙂

Nanoteknologi merupakan teknologi yang dibangun dengan orde 10 pangkat -9 meter alias 0.000000009 m atau 10^-9 m. Bisa dibayangkan sebuah ukuran yang amat sangat kecil. Bandingkan dengan diamater sebuah atom yang berkisar 0.00000000010 m atau 10^-10 m. Jadi dalam fabrikasi dan karakterisasinya dibutuhkan alat yang resolusinya ber orde nano juga. Untuk sintesis material berbasiskan skala nano biasanya digunakan yang namanya molekular beam epitaxy (MBE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), phase vapor transport (VPT), magnetic sputtering, hydrothermal, deposisi menggunakan LASER, dsb. Sedangkan untuk karakterisasinya digunakan transmission elektron mikroskopi (TEM) yang memiliki resolusi tinggi kurang lebih 200 kV, scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), field emission SEM, dsb.

Gambar 1, menunjukkan contoh dari image mikroskopis material semikonduktor GaAs. Image yang dihasilkan sebanding dengan jumlah atom dari Ga dan As. Terlihat dari gambar bahwa jarak sumbu pusat antara dua buah atom tersebut adalah 1.4 x 10^-10 m. Dari resolusi yang dimiliki oleh scanning TEM/STEM sebesar 200 kV dapat dihasilkan pancaran electron dengan panjang gelombang 0.0025 nm. Dengan demikian karakterisasi nano sekarang ini sudah sangat maju, karena kita dapat melihat struktur kristal dari material. Nah dari alat karakterisasi tersebut kita akan mengenal berbagai jenis bentuk nanostructure, seperti : nanotube, nanowire, nanopilar, nanorod, nanocomb, nanoflower, dsb. Gambar 2 menunjukkan bentuk dari material nano, yaitu nanotube. Disebut nanotube karena bentuknya seperti tabung yang dibentuk oleh rangkaian struktur Kristal dalam skala nano.

Mengapa ilmu nano dan teknologinya penting? Begini, dalam perkembangan teknologi saat ini, yang dibutuhkan adalah improvisasi alat/device. Untuk lebih mendapatkan material yang secara makroskopis unggul dan efisien dari segi sifat listrik maupun optisnya, maka modifikasi dan analisis nano memegang peranan yang penting. Ketika kita menganalisis material dalam ukuran nano, maka kita akan melihat bagaimana distribusi dari elektron yang terlihat dari image yang yang diperoleh (menggunakan STEM/TEM, FESEM, High Resolution TEM, SEM, dan AFM). Para ilmuwan Fisika, Kimia dan termasuk ilmuwan dalam bidang material elektronik saat ini tengah berusaha menciptakan material untuk menghasilkan material yang berguna dalam industri optoelektronik. Tentu dasarnya adalah teknologi semikonduktor yang sudah dikenal lama. Dalam perkembangannya, teknologi semikonduktor mampu menghasilkan dioda, lalu transistor bahkan yang lebih kompleks lagi yaitu mikroprosesor. Peralatan/Devices tersebut sangat berperan dalam penemuan dan pembuatan piranti elektronik untuk komputer, handphone, dsb.

Analisis nano berperan cukup penting untuk mengimprove metode-metode yang digunakan saat ini. Analisis tersebut tidak hanya digunakan para eksperimentalis saja, namun juga para teoritis yang menggunakan first principle mengacu pada persamaan Schrodinger, bandstructure, fungsi gelombang Bloch, nearly free electron model, density functional theory, dsb untuk memprediksikan besar energi yang dapat dihasilkan oleh material.

Untuk melihat bagaimana nanostruktur dari salah satu material semikonduktor, saya ambil contoh image dari material semikonduktor golongan II-VI (ZnO) yang di sintesis menggunakan Vapour Phase Transport (VPT) seperti yang terlihat pada gambar 3. Dengan menggunakan SEM terlihat bahwa material ZnO tersebut membentuk pilar yang hampir uniform disetiap titiknya. Di dalam sebuah pilar probabilitas terdapat electron akan semakin besa r. Dari hasil sintesis dan karakterisasi tersebut lalu hasilnya dikonfirmasi dengan pengukuran Hall (Hall effect) menggunakan 4 buah probe untuk melihat sifat listrik dari material semikonduktor. Dari hasil pengukuran, sebuah nanopilar ZnO dapat menghasilkan hambatan spesifik sebesar 8 x 10^-2 ?cm, bila diasumsikan mobilitas dari electron sebesar 100 cm²/Vs maka akan menghasilkan konsentrasi pembawa electron sebesar 8 x 10¹⁷ cm^-3 [2]. Secara teori apabila jumlah konsentrasi pembawa elektronnya besar maka proses generasi dan rekombinasi akan sebanding dengan jumlah tersebut. Sehingga untuk menghasilkan kualitas cahaya (light diode, LD, berbasis pn junction) yang berasal dari material ZnO akan sesuai dengan yang diharapkan.

Dalam uji photonic, digunakan juga pengukuran Photoluminescence (PL) dari material ZnO/Zn(0.9)Mg(0.1)O berbasiskan quantum well (quantum well adalah representasi dari potensial sumur yang berfungsi sebagai perangkap buat electron, dapat dipelajari dengan menggunakan konsep persamaan Schrodinger dan fungsi gelombang Bloch) seperti terlihat pada gambar 4. Dalam gambar tersebut terlihat bahwa panjang gelombang dari material ZnO/Zn(0.9)Mg(0.1)O dapat menghasilkan energi foton sebesar 3.36 eV untuk kedalaman sumur (well thickness) 3 nm dan 3.35 eV dan 3.51 eV untuk kedalaman sumur 14 nm pada temperature 8 K. Pada kedalaman sumur 14 nm terdapat dua buah peak yang mengindikasikan adanya efek kuantum confinement [3]. Sebagai informasi saat ini para ilmuwan dan insinyur sedang melakukan riset untuk mengimprove teknologi semikonduktor berbasiskan material ZnO.

Material tersebut memiliki energi gap (energi antara pita valensi dan konduksi) sebesar 3.34 eV dalam temperatur ruang dan energi eksiton (pasangan electron dan hole) sebesar 60 meV. Oleh karena itu material ini diprediksikan akan menggeser kejayaan material GaN dalam aplikasi optoelektronik yang sudah establish. Secara ekonomis karena harga produksinya juga lebih kecil maka peluang ZnO semakin besar.