Downloaded 78 times
Uploaded bySuhufa Alfarisa
Quantum dot
Dokumen tersebut membahas tentang quantum dot, yaitu partikel semikonduktor nano berukuran yang dapat mengurung elektron secara tiga dimensi sehingga energinya menjadi terkuantisasi. Quantum dot dapat dibuat dengan mengurung elektron di antara dua lapisan isolator di dalam semikonduktor. Sifat kuantumnya memungkinkan aplikasi pada alat optik, bioteknologi, komunikasi, dan detektor sensitif.
Quantum dot
- 1. QUANTUM DOT Oleh : Suhufa Alfarisa NIM.08306144005 Program Studi Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Yogyakarta Januari 2012
- 2. Pendahuluan • Pertama ditemukan pada awal tahun 1980-an oleh Alexei Ekimo (Rusia), Louis E.Bruss (Colombia) dan istilah quantum dot pertama kali dikenalkan oleh Mark Reed (Fisikawan Amerika) • Termasuk ke dalam atom buatan / artificial atom • Atom Buatan : Partikel yang berukuran cukup kecil dari logam atau semikonduktor yang muatan dan energinya terkuantisasi seperti atom sebenarnya serta memiliki muatan inti efektif yang dapat dikontrol dengan elektroda logam ( Marc A.Kastner, 1993 )
- 3. All-metalArtificial atom Partikelnya dipisahkan dari leadnya dengan isolator tipis, dimana elektron harus menerobos / menembus untuk bisa berpindah dari satu sisi ke sisi lain. Gambar 1a. All-metal artificial atom, warna biru merupakan logam dan putih isolator
- 4. Controlled Barrier - Atoms / Atom Perintang - Terkontrol Gambar1b. Controlled-barrier atom. Warna biru merupakan logam, putih insulator dan merah semikonduktor Pengurungan elektron dengan dipasang medan listrik pada Gallium Arsenide (GaAs) Memiliki gerbang logam di bagian dasarnya dengan isolator (AlGaAs) diatasnya
- 5. Atom buatan yang lebih simpel ; Atom 2-Probe / Quantum Dot Gambar 1c. Atom 2-probe / “quantum dot” Elektron dalam lapisan GaAs diapit antara 2 lapisan isolator AlGaAs. Satu atau kedua isolator ini bertindak sebagai terowongan perintang Jika kedua perintang tipis, elektron dapat menerobos perintang
- 6. APA ITU QUANTUMDOT? Elektron tunggal yang terjebak dalam atom ( Matt Kennedy,2008 ) „Tetesan‟ muatan buatan-manusia yang bisa berisi apa saja dari sebuah elektron tunggal hingga beberapa ribu elektron, dengan range dimensinya dari nanometer – beberapa mikro ( L. Kowenhoven & Charles Marcus, 1998 ) Pengungkungan elektron ke segala arah dalam ruang hingga nol dimensi ( Wahyu Tri Cahyanto, dkk, 2006 ) Material semikonduktor buatan berukuran nano yang membatasi gerak elektron dalam ruang dengan spektrum energi diskret
- 7.
- 8. Mengapa membuat quantum dot? Bagaimana membuat quantum dot? “Mengurung” elektron dalam daerah yang kecil : • Menyelubungi partikel logam dengan insulator • Menggunakan medan listrik (di dalam semikonduktor) • Fabrikasi struktur yang sangat kecil ; tekhnik litografi elektron dan sinar x • Fabrikasi QD biasanya dilakukan dengan membatasi gas elektron 2 dimensi dalam semikonduktor heterostruktur (contoh:GaAs &AlGaAs) secara lateral dengan gerbang elektrostatik sangat kecil
- 9. Lapisan pertama adalah lapisan GaAs dengan dop silikon. Lapisan ke-2, perintang AlGaAs tipis (10nm). Di atas lapisan ke-2 ada sumur kuantum GaAs. Di atas sumur ada perintang ALGaAs yang cukup tebal , dan di bagian atas kristal, kromium diendapkan yang disebut sebagai „gerbang‟. Proses sampel tambahan di atas permukaan sampel digunakan untuk membuat gerbang yang secara lateral mengurung elektron di sumur kuantum bagian bawah dan membentuk quantum dot
- 10. Salah satusifat quantum dot, terobosan elektron : efek kuantum yang memungkinkan elektron untuk bisa melewati potensial perintang yang tidak bisa dilewati secara klasik Jika terobosan lemah, contoh ketika potensial perintang cukup tinggi, jumlah elektron dalam dot = N, bilangan bulat terdefinisi. elektron dan hole di dalam quantum dot terkurung dan terbatas geraknya dalam arah tiga dimensi sehingga tingkat-tingkat energinya bernilai diskrit Energi tambahan yang dibutuhkan untuk menambahkan 1 elektron ke dot dikenal sebagai “Blokade Coulomb” yang besarnya =
- 11. Elektron dapat menerobos perintang jika energinya Hole dapat menerobos jika energinya Energi tersebut bisa diubah dengan mengubah tegangan gerbang , sehingga energi elektrostatik dari muatan Q pada partikel adalah : (1) suku pertama : gaya tarik elektrostatik dot dengan gerbang positif suku kedua : energi pengisian muatan (charging energy) karena tolakan elektron dalam dot Dengan memasang tegangan negatif pada gerbang, diameter dot bisa dikecilkan secara bertahap, mengurangi jumlah elektron dalam dot satu per satu.
- 12. Model Interaksi Konstan : mengasumsikan bahwa interaksi coulomb antara elektron-elektron dalam dot dan dengan lingkungan dijelaskan oleh kapasitansi dot, C. Spektrum energi diskret digambarkan oleh jumlah elektron dalam dot secara independen. Dalam model ini, Energi tambahan diberikan oleh Mengapa dibutuhkan energi tambahan? Gaya tolak elektron Prinsip larangan Pauli
- 13. • Untuk mengukurenergi yang dibutuhkan untuk menambah atau mengurangi elektron ke dalam dot dilakukan dengan mengukur arus yang mengalir dengan memvariasi tegangan gerbang Gambar 4. Arus yang mengalir melalui quantum dot pada suhu 0,1 K diukur ketika tegangan gerbang divariasi. a) Puncak pertama menandakan energi saat elektron pertama masuk ke dalam dot. b) penambahan elektron tunggal ke dalam dot bisa digambarkan dalam orbit melingkar. Kulit pertama bisa mengandung 2 elektron, kedua bisa mengandung 4 elektron dan seterusnya.
- 14. Keadaan Eksitasi dalam Quantum Dot Gambar 5. Diagram energi untuk kasus ketika 2 elektron terjebak dalam quantum dot. Ketika tegangan rendah, elektron hanya bisa menerobos hingga keadaan elektron ke-3 (garis lurus). Tetapi pada tegangan lebih besar, elektron ke-3 juga bisa menerobos ke keadaan eksitasi selanjutnya (garis putus-putus)
- 15. KUANTISASI ENERGI Spektrum energi diskrit ketika kita menambahkan elektron Spektrum level energi bisa diukur secara langsung dengan mengamati arus terobosan dengan Vg tetap sebagai fungsi tegangan Vds antara drain dan source Level fermi dalam source meningkat sebanding dengan Vds drain Arus mengalir ketika Energi fermi dari source di atas level energi terkuantisasi pertama Kita mengukur level energi dengan mengukur tegangan dimana arus meningkat atau tegangan dimana ada puncak dari turunan arus, dI/dVds
- 16. Titik degenerasi muatan adalah nilai Vg dimana satu dari level energi atom buatan terdegenerasi dengan energi fermi dalam lead (source/drain) ketika Vds = 0, karena hanya dengan itu muatan atom berfluktuasi
- 17. Gambar 6. Levelenergi diskrit dalam atom buatan dapat dideteksi dengan memvariasi tegangan source-drain . Ketika Vds yang cukup besar dipasang, elektron melewati energi gap dan menerobos dari sumber ke atom buatan. a) Tiap waktu keadaan diskret baru dapat diakses, arus meningkat dan terdapat puncak dalam dI/dVds. Daerah blokir Coulomb pada -0,5 – 0,3 mV b) Plotting posisi puncak pada beberapa Vg memberikan level spektrum.
- 18. APLIKASI Alat-alat optik berbasis semikonduktor seperti LED, Laser Diode, Solar Cell Karena ukurannya mendekati Angstrom, mudah diletakkan pada elemen-elemen biologi seperti protein, DNA atau sel Karena ukurannya kecil dan mendekati atom, bisa digunakan dalam bidang komunikasi dan transfer informasi Aplikasi lainnya seperti elektrometer sensitif Kebanyakan aplikasi menarik lainnya melibatkan peralatan dengan memasangkan beberapa atom buatan bersama untuk membentuk molekul buatan atau dipasangkan membentuk padatan buatan karena pasangan antara atom - atom buatan bisa dikontrol
- 19. Sumber : Leo Kouwenhovenand Charles Marcus, Quantum Dots, 1998 Marc A. Kastner, Artificial Atoms, 1993 Matt Kennedy, Quantum Dots Future Technology, 2008 R.C.Ashoori, Electrons in Artificial Atoms, 1996 Wahyu Tri Cahyanto,dkk, Telaah Teoritis Atom Buatan, 2006