Perilaku dot yang berisi beberapa elektron dapat dipahami dengan cara mengamati aras energi quantum dot yang terdiri dari satu elektron. Atom buatan
diletakkan cukup dekat dengan salah satu keping untuk memungkinkan elektron dapat menerobos atau meloncat kearah dekat keping kapasitor. Dinyatakan juga
bahwa realisasi eksperimen pembuatan quantum dot sebagai struktur tipis berlapis-lapis. Lapisan pertama adalah Galium Arsenida GaAs yang didoping
dengan Silikon Si untuk membuat lapisan bersifat logam sehingga berfungsi sebagai keping kapasitor. Lapisan diatasnya adalah tanggul tipis AlGaAs yang
bersifat isolator yang dibuat tipis sehingga memungkinkan elektron dapat menembusnya. Diatasnya lagi berturut-turut dibuat sumur kuantum GaAs untuk
tempat pembentukan quantum dot dan lapisan AlGaAs yang cukup tebal. Bagian paling atas adalah lapisan GaAs yang dideposisi dengan Kromium Cr untuk
membentuk keping kapasitor atas, yang sering dibuat juga ‘gerbang’ gate. Sumur kuantum GaAs diantara dua lapisan AlGaAs digunakan untuk
mengungkung elektron secara vertikal artinya elektron hanya bisa bergerak dalam arah menyamping. Sumur kuantum dibuat cukup tipis, sehingga pada temperatur
rendah elektron hanya akan mengisi keadaan energi kuantum terrendah pada sumur kuantum. Selanjutnya, dengan menerapkan gerbang elektrostatik pada
permukaan pelapis-pelapis diatas maka gas elektron dua dimensi 2DEG tersebut akan terkungkung secara menyamping dan terbentuklah sistem quantum dot.
Dengan mengubah-ubah tegangan antara elektroda atas dan bawah, elektron- elektron dapat ditambahkan atau dipindahkan dari dot Wahyu Tri Cahyanto dkk,
2007 dan Abraha Kamsul, 2007.
3.3 Blokade Coulumb dan Transport Elektron
Transport elektron dalam quantum dot diselidiki dengan menghubungkan dot dengan reservoir disekelilingnya. Transport antara reservoir dan dot terjadi
melalui penerobosan penghalang yang cukup tebal sehingga transport ini didominasikan oleh resonansi sebagai akibat dari pengungkungan kuantum dalam
dot. Agar elektron dapat berpindah dari source ke dot atau dari dot ke drain melewati penorobosan tanggul maka diperlukan energi yang lebih tinggi dari
Universitas Sumatera Utara
energi Coulomb. Hal ini dapat diatasi dengan menaikkan tegangan balik bias voltage antara sorce dan drain. Tegangan kritis yang diperlukan untuk transfer
ekektron menuju dan keluar dot dinamakan Coulomb gap voltage dan fenomena semacam ini disebut blockade Coulomb Coulomb blockade. Tambahan elektron
pada dot memerlukan energi yang cukup besar karena besarnya tolakan Coulomb seluruh elektron di dalam dot Coulomb blockade Wahyu Tri Cahyanto dkk,
2007. Fenomena blokade Coulomb dapat dijelaskan menggunakan model iterasi
konstan CI-model.. Didalam model ini, intraksi Coulomb antara elektron dalam dot dan antara elektron-elektron dalam dot dengan lingkungannya dicirikan oleh
kapasitansi tunggal dan konstan sebagai jumlah dari kapasitansi source C
s
drain C
d
dan gate Cg menurut ungkapan Yun Chan - Ian Hin, 2003 C = C
s
+ C
d
+ C
g
3.1 Spektrum energi diskret dapat digambarkan oleh jumlah elektron dalam dot secara
independen. Spektrum atas tenaga ini dapat digeser dengan tegangan gerbang V
g
. Energi Coulomb pada dot dapat dituliskan sebagai Yun Chan - Ian Hin, 2003
E = Q V
g
+ Q
2
2C 3.2
dengan Q menyatakan muatan total elektron-elektron dalam dot yang dikuantisasi menurut Q = - Ne dengan demikian energi persamaan 3.2 akan memiliki nilai-
nilai diskret. Suku pertama Pers 3.2 menyatakan interaksi tarikan elektrostatik antara dot dengan gerbang positif dan suku kedua adalah pengisian energi
charging energy E
C
karena tolakan elektron-elektron dalam dot. Tampak bahwa persamaan 3.2 merupakan persamaan parabola dengan titik minimum Q = -CV
g
sketsa grafik E vs Qe ditunjukkan dalam Gamabar 3.9 Yun Chan - Ian Hin, 2003
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.9: Blokade Coulomb parabola, energi vs muatan pada dot. Yun Chan -
Ian Hin, 2003
Saat Q
m
= N
e
, interaksi Coulomb menghasilkan perbedaan Coulomb yang sama besar e
2
2C untuk penambahan dan pengurangan satu elektron dalam dot. Keadaan dengan jumlah elektron N dan N +1 terdegenerasi hanya tercapai pada
saat tegangan gerbang dinaikkan sehingga Q
m
= - N + 1 2e. Energi minimum yang diperlukan untuk menambah elektron ke-N kedalam dot dapat diketahui
dengan memeperkenalkan defenisi potensial elektrokimia dot sebagai 1
− −
≡ N
E N
E
dot
μ 3.3
dengan EN adalah energi total N – elektron. Arus dapat mengalir melewati dot hanya jika potensial kimia dot bernilai antara potensial kimia source µ
s
dan drain µ
d
µ
d
≤ µ
dot
≤ µ
s
untuk tegangan cukup kecil eV
sd
= µ
s
- µ
d
≈ 0 puncak Coulomb ke–N terukur secara lansung dari potensial kimia quantum dot N-
elektron. Jarak antara puncak ke–N dan ke-N+1 dinyatakan sebagai
[ ]
[ ]
1 1
N V
N V
e N
N e
N
g g
− +
= −
+ =
Δ α
μ μ
3.4 dengan adalah penambahan energi, yang dihubungkan dengan gerbang
melalui terapan tak berdimensi N
Δ α
yang dinilai bergantung dari geometri piranti Yun Chan - Ian Hin, 2003.
3.4 Atom Buatan dengan Sistem Quantum Dot
