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
Nurwantoro, 2007.
Universitas Sumatera Utara
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
mencapai pada suatu titik dimana individual atom bisa dilihat menggunakan
Universitas Sumatera Utara
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,
2003
Universitas Sumatera Utara
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 atomsdesigner 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 AlGaAsGaAs juga telah berhasil dilakukan. Dengan mengukur perubahan
potensial permukaan pada dot menggunakan AFMKelvin 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:
Universitas Sumatera Utara
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 2
n
, 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 GaAsAlGaAs.
1.2 Batasan Masalah
Kategori