aplikasi nano silikon

29
APLIKASI NANO SILIKON DALAM FOTONIK, ELEKTRONIK DAN AKUSTIK Disampaikan Oleh: MELI MUCHLIAN PROGRAM STUDI FISIKA PASCASARJANA UNIVERSITAS ANDALAS

Upload: meli-muchlian

Post on 24-Jul-2015

113 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Aplikasi Nano Silikon

APLIKASI NANO SILIKON DALAM FOTONIK, ELEKTRONIK DAN AKUSTIK

Disampaikan Oleh:MELI MUCHLIAN

PROGRAM STUDI FISIKA

PASCASARJANAUNIVERSITAS ANDALAS

Page 2: Aplikasi Nano Silikon

PENDAHULUANNano silikon dari electrochemical anodization memiliki beberapa fungsi spesifik sebagai material berukuran kuantum / Quantum size (memanfaatkan lebar band gapnya).

Aplikasi perangkat nanosilikon yang diatur band gapnya bisa dimanfaatkan sebagai emiter cahaya tampak, elektron balistik dan gelombang akustik.

Band dan Bandgap

Page 3: Aplikasi Nano Silikon

EKSITASI Eksitasi dalam semikonduktor

Eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi menciptakan

pasangan elektron hole

h e (CB)h(VB)

E=h

optical detector

semiconductor

E

EVB

CBE h=Eg

Penciptaan pasangan lubang elektron di mana h adalah energi foton

exciton: elektron terikat dan pasangan hole yang biasanya terkait dengan elektron yang terjebak dalam keadaan lokal di band gap/ celah pita

Band Gap (energy barrier)

Page 4: Aplikasi Nano Silikon

E

EVB

CBE

band-to-band recombination

recombination atinterband trap states (e.g. dopants, impurities)

E

EVB

CBEE=h

radiative recombination

non-radiative recombination

Proses rekombinasi

rekombinasi radiasi foton rekombinasi non-radiasi fonon (getaran kisi)

e (CB)h(VB) h

Sambungan Rekombinasi Pasangan Elektron Lubang

Rekombinasi terjadi dengan 2 cara:

radiatif and non-radiatif

Page 5: Aplikasi Nano Silikon

Sambungan Foto Eksitasi

Foto eksitasi (a) semikonduktor intrinsik (b) ekstrinsik fotoelektrik detektor

Page 6: Aplikasi Nano Silikon

Perangkat aplikasi nanosilikon (nc-Si)

Page 7: Aplikasi Nano Silikon

Fo-tonik

Kontrol Bandgap dan blue

Phosphorescence (pemendaran warna

biru)

Kontrol Band-gap nanosilicon dengan perlakuan oksidasi

Hubungan waktu spektrum pendar biru pada nanosilicon teroksidasi

Lapisan nanosilikon yang di anodizing memiliki batas energi penyerapan kisaran 1,7 – 2,4 eV pada tekanan uap air tinggi (HWA).

Page 8: Aplikasi Nano Silikon

Fo-tonik

Kontrol Bandgap dan blue

Phosphorescence (pemendaran warna

biru) continue HWA : PL (photoluminescence) = MERAH, EL (electroluminescence) stabilsaat dilakukan proses oksidasi warna merah berangsung jadi

BIRU PL

RTO (Rapid thermal oxidation) = PL tertinggi pada warna BIRU meskipun ada emisi merah pada PL puncakBiru PL: memancar dalam waktu nanodetik pada temperatur

rendahMerah PL: memancar dalam mikrosekon

HWA + RTO: PL BIRU lebih dominan dari MERAH dengan proses perpendaran berlangsung dalam beberapa detik

RTO + HWA : transisi warna biru tidak bisa diterangkan dengan gambaran pita energi.

Page 9: Aplikasi Nano Silikon

Fo-tonik

Kontrol Bandgap dan blue

Phosphorescence (pemendaran warna

biru) continueFTIR (Fourier Transform Infra Red) = alat untuk mengidentifikasi gugus fungsi ikatan molekul

sampel RTO Si-Hx (x = 1, 2, 3)

sampel HWA asimetris Si-O-Si

FTIR dan contoh hasil FTIR

Page 10: Aplikasi Nano Silikon

Fo-tonik

Avalanche photoconduction / foto

konduksi longsoran

Kebergantunan medan pada gelap dan foto-arus dari dioda nanosilicon pada

temperatur berbeda.

Pengaturan bandgap pada nanosilikon penting aplikasinya sebagai foto sensing dan konversi sel surya.Fotokonduksi (nanosilikon dot): pernah dikaji pada dioda diameter nanosilikon 3,1 nm yang dibias mundur

Film nanosilikon dalam wafer diolah dengan metoda CVD kering tekanan rendah dan oksidasi termal.

Efisiensi kuantum fotokonduksi menghasilkan cahaya monokromatik (400 nm) dan meningkat mencapai 2400% dengan bertambahnya medan listrik senilai 9x105 V/cm dan temperatur 77 K.

Lapisan dot nanosilikon berguna sebagai target fotokonduksi karena sensitiv terhadap tegangan operasi.

Page 11: Aplikasi Nano Silikon

Perangkat Fo-tonik

Sel surya kristal nanosilikon:

Molekul pewarna /dye yang diberikan pada bahan nanosilikon. Lapisan nanosilicon + Rhodamine B/ Rhodamine

6G, atau keduanya, sampel berpendar merah Lapisan nanosilikon Rhodamine 110, sampel

berpendar biru

Efisiensi sel surya: Foton dengan energi yang lebih rendah dari band

gap tidak diserap Foton dengan energi lebih besar dari band gap

diserap tetapi kelebihan energi hilang sebagai panas.

Page 12: Aplikasi Nano Silikon

Nano Silikon Fotonik

(a) Band-gap LED. (b) karakterisasi Elektro-optik dari

LED dengan silikon-nanokristal (Si-nc) ukuran berbeda (hitam kurva) dan struktur multilayer (kurva merah). Inset: efisiensi daya.SiO2: Silikon dioksida. SRO: Silicon (Si)-kaya oksida.

Page 13: Aplikasi Nano Silikon

Nano Silikon Fotonik (con-tinue)

(a) Skematik transceiver.(b) Foto wafer dengan beberapa

perangkat yang terhubung melalui serat optik. Dua perangkat identik digunakansebagai sumber dan penerima. Link optik menggunakan serat optik multimode tampak.

(c) Konversi efisiensi daya sebagai fungsi dari arus emitor.

Inset: Waktu respon dari transceiver pada frekuensi 1MHz. Poly-n:N-type yang didoping polysilicon.

Page 14: Aplikasi Nano Silikon

Nano Silikon Fotonik (con-tinue)

(a)Kualitatif sketsa mekanisme pelipatgandaan internal(generasi carrier sekunder) di sel surya Si-nc.(b) Photocurrent tambahan (ΔI) disebabkan oleh IR secara simultan pada penerangan oleh cahaya tampak (garis titik putus2 ) dan photocurrent di bawah hanya IR oleh pencahayaan (titik persegi) sebagai fungsi dari bias yang diterapkan. SRON: Si -rich oksinitrida.

Page 15: Aplikasi Nano Silikon

Emisi Elektron Balistik

Operasi dalam vakumElektron panas dalam lapisan nanosilikon memungkinan untuk dioda nanosilikon menjadi emiter elektron.

Dioda nanosilikon memancarkan elektron quasi balistik pada permukaan elektroda

Aplikasi 1: parallel electric beam lytographySistem: sumber elektron nanosilikon planar dengan jendela emisi, wafer target, medan listrik dan medan magnet yang tegak lurus wafer target.Hasil: gambar garis2 beresolusi 30 nm dengan pola submikron dalam 2,8 mm2

Aplikasi 2: sumber probe gambarSistem: emiter yang dikombinasikan dengan rangkaian driver matrik aktif dengan target HARP (High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor).Hasil: Protitype sensor gambar 2/3 inci yang sangat sensitif dengan kualitas gambar 0,3 lx.

Page 16: Aplikasi Nano Silikon

Perangkat Elektron Balistik ruang Vakum

Tahapan fabrikasi susunan emitor balistik permukaan. Susunan emitor poli-Si nanokristalin dibentuk pada substrat kaca.

Skema poli-Si berbasis katoda dingin pada substrat kaca.Film poli-Si di anodized untukmenghasilkan lapisan nc-Si diikuti oleh oksidasi termal cepat (RTO) atau proses oksidasi elektrokimia(ECO).

Page 17: Aplikasi Nano Silikon

Perangkat Elektron Balistik ruang Vakum continue

emisi yang sesuai gambar

Sebuah struktur skematik penampang menyilang pada layar nc-PPS penuh warna yang dibuat pada kaca substrat

Perhatikan bahwa tidak ada yang memfokuskan elektroda antara perangkat dan layarfosfor. Parameter perangkat : Ukuran 2,6 inci; diagonal piksel 128 (RGB) x126 piksel; pixel pitch 50 µm; jarak vakum 3,5 mm; Tegangan mempercepat 5 kVPenggerak = modus matriks sederhana.

Page 18: Aplikasi Nano Silikon

Perangkat Elektron Balistik ruang Vakum continue

Foto perangkat pencahayaan balistikpada keadaan on dan off.

Elektron energetik dihasilkan pada lapisan nc-Si langsung dirangsang oleh film flurecent (bahan organik dalam kasus ini). Emisi hijau seragam teramati pada saat diterapkan tegangan bias maju dari 25 V.

Page 19: Aplikasi Nano Silikon

Emisi Elektron Balistik

Operasi dalam gasEmiter balistik nanosilikon pada gas atmosfer terlihat sebagai sumber ion negatif di udara dan sumber cahaya UV vakum (VUV) dalam gas Xe.

Energi elektron yang dipancarkan = energi memisahkan molekul oksigen

Page 20: Aplikasi Nano Silikon

Emisi Elektron Balistik

Operasi dalam solusiEmisi balistik nanosilikon juga bisa beroperasi dalam cairan yang dimanfaatkan sebagai pengontrol pH dan jumlah H pada elektrokimia

Proses deposisi film tipis ini mengemiter dalam larutan garam-logamContoh: larutan CuSO4 yang dijadikan sebagai pengemisi elektron pada nanosilikon. Proses ini bisa dimanfaatkan untuk membuat susunan nano wires/ kabel nano Cu secara paralel

Driver tunggal emitor elektron nanosilicon dalam larutan CuSO4 dan gambar optik permukaan perangkat di sekitar area emisi setelah operasi.

Page 21: Aplikasi Nano Silikon

Emisi Termo Akustik

Isolasi termal lapisan nanosilikon dapat dimanfaatkan sebagai pengemisi gelombang bunyi ke udara dengan getaran mekanik.

Perangkat ini terdiri dari: film tipis dengan elektroda panas lapisan nanosilikon lapisan kristal tunggal silikon

Cara Kerja:Saat tegangan AC atau pulsa listrik diberikan pada elektroda panas, tekanan suara secara signifikan dihasilkan oleh transfer panas cepat pada wilayah difusi termal panjang perangkat.

Thermo phone ini merespon frekuensi datar melebihi lebar range

Page 22: Aplikasi Nano Silikon

Emisi Termo Akustik continue

Aplikasi sistem ini: sensor gambar objek 3D di udara transmisi informasi elektronik digitalAktuator non kontak pada MEMSDigital speaker

Bentuk gelombang dari impuls input listrik(atas) dan Output sinyal akustik pada transduser konvensional (tengah) dan perangkat nanosilicon (bawah)

Page 23: Aplikasi Nano Silikon

Aplikasi Emisi Termo Akustik

Struktur dasar dari emitor akustik silikon berpori

Page 24: Aplikasi Nano Silikon

Aplikasi Emisi Termo Akustik

Perangkat struktur dan operasi

(a) Pengukuran tinggi seorang pria berdiri 170 cm 1 m terpisah dari sensor gambar 3D danbola berdiameter 20 cm, (b): Hasil dari digitalisasi pada dua sudut pandang

Page 25: Aplikasi Nano Silikon

KESIMPULAN

Efek Confinement nanosilikon dapat dimanfaatkan pada berbagai aplikasi pendar biru dan longsoran foto konduksi berpotensi sebagai pengembang

perangkat fotonik operasi emiter elektron balistik dalam ruang hampa, gas dan larutan

menimbulkan fenomena karakteristik fisika dan kimia Emisi termal akustik untuk aplikas perangkat digital

Page 26: Aplikasi Nano Silikon

DAFTAR PUSTAKA

Koshida, N, et all. 2011. Photonic, Electronic, and Acustic Applications of Nanosilikon. Proceedings Of International Conference Nanomeeting. Minsk, Belarus

Koshida, N, et all. 2003. Application of Nanocrystalline Silicon and Ballistic Electron Emitter to Flat Panel Display Device. The Electrochemical Society Interface –Summer

Pavesi, Lorenzo. 2010. Nanosilicon Photonics. SPIE

Shinoda, Hiroyuki. 2009. Ultrasonic Emission from Nanocrystalline Porous Silicon. Device Applications of Silicon Nanocrystals and Nanostructures. Springer Science + Business Media, LLC

Page 27: Aplikasi Nano Silikon

Definisi Kata

• Fotonik merupakan bidang ilmu dan kajian tentang optik dan rekayasa optik, yang berhubungan dengan partikel foton dalam spektrum elektromagnetik.

• Akustik adalah interdisiplin ilmu yang mempelajari fenomena gelombang suara di berbagai bidang, yang berkaitan dengan segala aspek tentang sumber suara, medium perambatan, dan penerima.

Page 28: Aplikasi Nano Silikon

2828

Sel Surya

• Efek Photovoltaic:– Sambungan p-n– Sinar matahari

mengakibatkan elektron bergerak dan menciptakan pasangan elektron – hole

– Elektron terkonsentrasi pada satu sis dan hole di sisi lainnya

– Ketika kedua sisi diberika medan listrik, maka akan timbul arus listrik

Page 29: Aplikasi Nano Silikon

2929

BAGAIMANA QUANTUM DOT MENINGKATKAN EFISIENSI SEL SURYA?

Quantum dot dapat menghasilkan beberapa eksiton (pasangan elektron-hole) setelah bertabrakan dengan foton