laporan praktik kerja lapangan pusat penelitian fisika...

55
LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA) LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA (LIPI) Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan, 15314 Telp. +62(21)7560556 PRAKTIK FISIKA TEORITIS DAN KOMPUTASI UNTUK ANALISIS FENOMENA TEROBOSAN KLEIN DALAM MATERIAL GRAPHENE Disusun sebagai syarat tugas akhir matakuliah Praktik Kerja Lapangan Oleh: ASSA EKA OKTAVIANI NIM 160322605244 UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI FISIKA DESEMBER 2019

Upload: others

Post on 28-Sep-2020

17 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN

PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA) LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA (LIPI) Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang Selatan, 15314

Telp. +62(21)7560556

PRAKTIK FISIKA TEORITIS DAN KOMPUTASI UNTUK ANALISIS FENOMENA TEROBOSAN KLEIN DALAM MATERIAL GRAPHENE

Disusun sebagai syarat tugas akhir matakuliah Praktik Kerja Lapangan

Oleh: ASSA EKA OKTAVIANI

NIM 160322605244

UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

PROGRAM STUDI FISIKA DESEMBER 2019

Page 2: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

8

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada era disruptif masa kini, teknologi menjadi aspek yang tidak dapat

dipisahkan dari kehidupan manusia sehari-hari [1]. Teknologi telah berkembang

dan bertransformasi ke dalam sektor produksi dengan tingkat efisiensi yang tinggi

dan ukuran yang kecil. Pembuatan teknologi menjadi lebih hemat dan ramah

lingkungan dikarenakan hanya memerlukan bahan yang sedikit namun berkualitas

[2].

Perkembangan teknologi khususnya pada bidang elektronika telah mencapai

ukuran skala nanometer (10-9 meter) – selanjutnya disebut dengan nanotechnology

(teknologi nano) [3][4]. Aplikasi teknologi nano pada bidang elektronika bertujuan

untuk meningkatkan tenaga, kapasitas, serta kecepatan piranti beberapa kali lipat

dari yang ada sekarang ini.

Salah satu teknologi yang dimungkinkan untuk dibuat dalam skala nano

adalah transistor. Transistor adalah devais yang berfungsi sebagai “saklar listrik”.

Pada awal penemuannya, transistor sudah mencapai ukuran 1 cm dan berkurang

hingga sepersejuta meter beberapa tahun kemudian. Arnold Thackray dalam buku

“Moore’s Law: The Life of Gordon Moore, Silicon Valley’s Quiet Revolutionary”

menyebutkan bahwa pada tahun 2016, 100 miliar transistor tercipta untuk

memenuhi kebutuhan satu manusia [5]. Angka tersebut menunjukkan bahwa

tingkat kebutuhan akan transistor sangat tinggi. Transistor penting dalam

pembuatan perangkat elektronik karena berhubungan dengan pemrosesan bilangan

biner. Semakin banyak transistor yang menjalankan fungsi on‒off, semakin banyak

kerja komputasi yang bisa dilakukan.

Perkembangan teknologi saat ini, selain telah merambah pada teknologi nano,

juga mengembangkan devais yang lentur. Devais yang lentur dapat dibuat

menggunakan material 2D. Transistor sebagai salah satu devais yang tinggi angka

kebutuhannya bagi manusia juga tak luput dari upaya pengembangan transistor

nano dan lentur. Upaya ini dapat dilakukan dengan menggunakan material

Page 3: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

9

9

graphene sebagai bahan pembuatan transistor.

Graphene adalah material dua dimensi (2D) yang ditemukan oleh K.S.

Novoselov dan A.K. Geim pada tahun 2004. Graphene telah lazim pada sebagian

besar bahan berbasis karbon. Terlepas dari sifat elektroniknya, graphene

merupakan makromolekul yang mampu menghantarkan listrik dan panas dengan

baik dalam dua dimensi [6]. Sebagai material dengan mobilitas elektron yang tinggi,

graphene sangat cocok digunakan untuk komponen elektronik berfrekuensi tinggi

[7][8], salah satunya adalah transistor. Fenomena tak lazim yang dijumpai pada

monolayer graphene adalah elektron yang mampu menembus perintang kuantum

secara sempurna pada kondisi tertentu [9]. Hal ini disebut dengan terobosan Klein,

yaitu sebuah fenomena yang awalnya diprediksi terjadi pada ranah relativistik [9],

sementara kecepatan elektron di dalam graphene tidaklah seorde dengan kecepatan

cahaya. Akan tetapi, kelebihan pada monolayer graphene tersebut tidak dapat

langsung dimanfaatkan karena kondisi demikian tidak memungkinkan untuk dibuat

transistor. Oleh karena itu, perlu dilakukan controlling terobosan elektron pada

perintang potensial [9]. Solusinya yang lain untuk diuji adalah dengan bilayer

graphene [10].

Berdasarkan topik penelitian yang akan dilakukan untuk Praktik Kerja

Lapangan (PKL), penulis memilih Pusat Penelitian Fisika (P2 FISIKA)‒Lembaga

Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) sebagai tempat PKL. P2 FISIKA‒LIPI

memiliki grup fisika komputasi dengan spesialisasi material berdimensi rendah

(material nano), sehingga sesuai untuk melakukan PKL dengan topik di atas.

1.2 Tujuan Praktik Kerja Lapangan

1. Memahami cara kerja sehari-hari para peneliti, khususnya di bidang

fisika teori dan komputasi material.

2. Sarana belajar untuk menjadi fisikawan profesional dalam bidang teori

dan komputasi material.

3. Mempersiapkan penelitian skripsi.

1.3 Ruang Lingkup

Ruang lingkup PKL adalah mereproduksi hasil penelitian tentang efek

terobosan Klein pada monolayer graphene dan bilayer graphene sebagai titik awal

Page 4: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

10

10

persiapan skripsi. PKL belum bisa menghasilkan penelitian yang orisinal, tetapi

hasil belajar selama PKL akan dilanjutkan untuk memberikan keluaran riset yang

orisinal dan dipaparkan dalam skripsi di semester berikutnya.

1.4 Metodologi Praktik Kerja Lapangan

Metodologi yang digunakan dalam PKL adalah:

1. Studi Literatur

Membaca dan mereproduksi hasil perhitungan dalam berbagai literatur yang

berkaitan dengan topik penelitian. Literatur utama yang dibaca adalah:

• Makalah:

▪ Klein Tunneling in Graphene: optics with massless electrons oleh P.E.

Allain dan J.N. Fuchs.

▪ Chiral Tunneling in Single-layer and Bilayer Graphene oleh T.

Tudorovskiy, K.J.A. Reijnders, dan M.I. Katsnelson.

• Buku:

▪ Quantum Mechanics 1: The Fundamentals, oleh S. Rajasekar dan R.

Velusamy.

▪ Fisika Kuantum (Edisi ke-2), oleh Agus Purwanto.

• Catatan Kuliah:

▪ Graphene: an introduction oleh Geerts Brocks, Computational Material

Science, University of Twente.

▪ Mekanika Kuantum oleh Eny Latifah, Universitas Negeri Malang

• Tesis Master:

Electron Tunneling and Confinement in Bilayer Graphene oleh Y. Inou,

Department of Physics, Tohoku University, Japan.

2. Komputasi dan Visualisasi

• Pemrograman dengan Python.

• Memplot gambar menggunakan Python.

Page 5: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

11

BAB II

IHWAL TEMPAT PRAKTIK KERJA LAPANGAN

2.1 Sejarah Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)

LIPI adalah lembaga penelitian pertama, terbesar dan terbaik di Indonesia.

Pembentukan LIPI memiliki sejarah yang panjang. Setelah melewati beberapa fase

kegiatan ilmiah sejak abad ke-16 hingga tahun 1956, pemerintah Indonesia

membentuk Majelis Ilmu Pengetahuan Indonesia (MIPI) melalui Undang-Undang

(UU) No.6 Tahun 1956. Tugasnya adalah membimbing perkembangan ilmu

pengetahuan dan teknologi serta memberi pertimbangan kepada pemerintah dalam

hal kebijaksanaan ilmu pengetahuan.

Pada tahun 1962, pemerintah membentuk Departemen Urusan Riset Nasional

(DURENAS) dan menempatkan MIPI di dalamnya dengan tugas tambahan

membangun dan mengasuh beberapa lembaga riset nasional. Pada tahun 1966,

DURENAS bertransformasi menjadi Lembaga Riset Nasional (LEMRENAS).

Sejak Agustus 1967, pemerintah membubarkan LEMRENAS dan MIPI dengan SK

Presiden RI No. 128 Tahun 1967.

Setelah itu, pemerintah berdasarkan Keputusan MPRS No. 18/B/1967

membentuk LIPI dan menampung seluruh tugas LEMRENAS dan MIPI ke dalam

lembaga tersebut. Tugas pokoknya adalah (1) membimbing perkembangan ilmu

pengetahuan dan teknologi yang berakar di Indonesia agar dapat dimanfaatkan bagi

kesejahteraan rakyat Indonesia pada khususnya dan umat manusia pada umumnya;

(2) mencari kebenaran ilmiah dengan kebebasan ilmiah, kebebasan penelitian serta

kebebasan mimbar diakui dan dijamin, sepanjang tidak bertentangan dengan

Pancasila dan UUD 1945; (3) mempersiapkan pembentukan Akademi Ilmu

Pengetahuan Indonesia (sejak 1991, tugas pokok ini selanjutnya ditangani oleh

Menteri Negara Riset dan Teknologi dengan Keputusan Presiden (Keppres) No.

179 tahun 1991).

Seiring perkembangan kemampuan nasional dalam bidang iptek, lembaga

ilmiah di Indonesia pun mengalami pertumbuhan dan perkembangan. Menyikapi

hal tersebut, peninjuan dan penyesuaian tugas pokok dan fungsi serta susunan

organisasi LIPI terus dilakukan. Di antaranya, penetapan Keppres No.128 Tahun

Page 6: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

12

12

1967 tanggal 23 Agustus 1967 diubah dengan Keppres No.43 Tahun 1985. Hal

tersebut masih disempurnakan lebih lanjut dengan Keppres No. 1 Tahun 1986

tanggal 13 Januari 1986 tentang Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Terakhir,

penyempurnaan dilakukan dengan penetapan Keppres No. 103 Tahun 2001.

2.2 Visi, Misi, dan Tujuan Pendirian LIPI

Visi LIPI adalah menjadi lembaga ilmu pengetahuan berkelas dunia dalam

penelitian, pengembangan dan pemanfaatan ilmu pengetahuan untuk meningkatkan

daya saing bangsa. Sementara itu, misi LIPI adalah:

1. Menciptakan invensi ilmu pengetahuan yang dapat mendorong inovasi dalam

rangka meningkatkan daya saing ekonomi bangsa;

2. Mengembangkan ilmu pengetahuan yang bermanfaat untuk konservasi dan

pemanfaatan Sumber Daya berkelanjutan;

3. Meningkatkan pengakuan internasional dalam bidang ilmu pengetahuan; dan

4. Meningkatkan kualitas SDM Indonesia melalui aktivitas Ilmiah.

LIPI juga memiliki beberapa tujuan pendirian seperti:

1. Peningkatan temuan, terobosan dan pembaharuan ilmu pengetahuan serta

pemanfaatannya dalam mewujudkan daya saing bangsa;

2. Peningkatan nilai tambah dan kelestarian Sumber Daya Indonesia;

3. Peningkatan posisi dan citra Indonesia di komunitas global dalam bidang ilmu

pengetahuan; dan

4. Peningkatan budaya ilmiah masyarakat Indonesia.

2.3 Struktur Organisasi LIPI

Organisasi LIPI secara garis besar terdiri atas Kepala LIPI yang dibantu oleh

Sekretaris Utama dengan 5 Kedeputian yang terkait penelitian: (1) Ilmu

Pengetahuan Kebumian, (2) Ilmu Pengetahuan Hayati, (3) Ilmu Pengetahuan

Teknik, (4) Ilmu Pengetahuan Sosial dan Kemanusiaan, serta (5) Bidang Jasa

Ilmiah. Selain itu, ada 4 pusat layanan yang berperan aktif internal maupun

eksternal, yakni (1) Pusat Pembinaan, Pendidikan, dan Pelatihan, (2) Pusat Data

dan Dokumentasi Ilmiah, (3) Pusat Pemanfaatan dan Inovasi Iptek, dan (4) LIPI

Press.

Page 7: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

13

13

Gambar 2.1 Struktur organisasi LIPI.

Page 8: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

14

14

2.4 Pusat Penelitian Fisika LIPI

Pusat Penelitian Fisika (P2 FISIKA) didirikan pada tahun 1967 dengan nama

Lembaga Fisika Nasional (LFN). Pada tahun 1986 Lembaga Fisika Nasional (LFN)

berubah nama menjadi Pusat Penelitian dan Pengembangan Fisika Terapan (P3FT)

dan bergabung dengan LIPI. Berdasarkan SK Kepala LIPI No.1151/M/2001, sejak

tanggal 5 Juni 2001 Pusat Penelitian dan Pengembangan Fisika Terapan berubah

nama menjadi Pusat Penelitian Fisika (P2 FISIKA) sampai sekarang. Secara

institusi, P2 Fisika berada di bawah Kedeputian Bidang Ilmu Pengetahuan Teknik

(IPT) LIPI.

Tugas dan Fungsi P2 FISIKA-LIPI dituangkan pada bagian ketiga Pasal 128

Peraturan Kepala LIPI No. 1 Tahun 2019 yaitu melaksanakan penelitian di bidang

fisika dengan fungsi

a. penyiapan perumusan dan pelaksanaan kebijakan di bidang penelitian fisika;

b. pemberian bimbingan teknis dan supervisi di bidang penelitian fisika;

c. pelaksanaan pengelolaan penelitian di bidang penelitian fisika;

d. pemantauan, evaluasi, dan pelaporan di bidang penelitian fisika; dan

e. pelaksanaan urusan tata usaha.

Berdasarkan Peraturan Kepala LIPI No. 1 Tahun 2019, P2 FISIKA-LIPI yang

dipimpin oleh seorang Kepala Pusat setingkat eselon IIa membawahi satu eselon

IIIa dan membawahi langsung kelompok penelitian (“keltian”) yang dikoordinir

oleh seorang ketua kelompok penelitian. Struktur demikian diharapkan dapat

mensinergikan semua potensi yang ada dalam menjalankan Tugas dan Fungsi P2

FISIKA–LIPI.

P2 FISIKA-LIPI berkomitmen untuk mengoptimalkan seluruh potensi

organisasi melalui dukungan sumber daya manusia (SDM), dana, sarana, dan

prasarana yang ada, serta terus menerus melaksanakan, memantau,dan

mengevaluasi seluruh kegiatan untuk meningkatkan koordinasi dan sinergi baik

secara internal maupun kerjasama institusional dengan pihak lain.

Visi dituangkan dalam Rencana Strategis Implementatif menjadi Pusat

Penelitian Berkelas Dunia di bidang fisika dengan moto memasyarakat dan

mendunia diharapkan mampu memberikan semangat menghasilkan kebaharuan

dan inovasi riset di bidang ilmu pengetahuan dan teknologi fisika.

Page 9: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

15

15

P2 FISIKA-LIPI memiliki 9 keltian, yakni:

(1) Material Nano Magnetik,

(2) Material Berketahanan Tinggi,

(3) Baterai Lithium dan Superkapasitor,

(4) Teknologi Fuel Cell dan Hidrogen,

(5) Laser,

(6) Fisika Teori Energi Tinggi,

(7) Fisika Komputasi,

(8) Optoelektronik, dan

(9) Fisika Tektonik.

Gambar 2.2 Struktur P2-FISIKA LIPI. Kelompok Jabatan Fungsional di sini adalah kelompok-

kelompok penelitian (keltian).

Page 10: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

16

16

P2 FISIKA-LIPI beralamat di Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

Selatan 15314. Ada 3 gedung yang terkait dengan P2-FISIKA di Kawasan

Puspiptek, yakni gedung 440, 441, dan 442.

2.5 Kelompok Penelitian Fisika Komputasi

Keltian Fisika Komputasi dulunya adalah bagian dari “Grup Fisika Teori dna

Komputasi” di P2 FISIKA-LIPI. Namun, seiring dengan perkembangan riset

komputasi, beberapa peneliti memutuskan untuk membentuk keltian tersendiri

mulai tahun 2015 dengan ketua Dr. Suharyo Sumowidagdo, seorang fisikawan

partikel yang pernah terlibat dalam penemuan partikel Higgs di CERN. Saat ini

keltian Fisika Komputasi memiliki 7 anggota yang terbagi menjadi dua spesialisasi

besar, yakni high-energy physics computation dan theoretical and computational

condensed matter physics. Pembimbing yang dipilih penulis masuk ke dalam

spesialisasi yang kedua atau dikenal juga dengan istilah komputasi fisika material.

Meskipun hanya mengandung nama “komputasi”, seluruh anggota Keltian Fisika

Komputasi pada dasarnya adalah juga fisikawan teoretis. Riset yang dilakukannya

cukup beragam, dari aspek fundamental maupun aplikatif.

Gambar 2.3 Riset komputasi fisika material yang dilakukan anggota Keltian Fisika Komputasi.

Tanda jempol menandakan topik-topik yang sudah pernah dikerjakan, sementara topik yang tidak

ada tanda jempol berarti masih dalam proses pengerjaan.

Page 11: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

17

BAB III

TINJAUAN PUSTAKA

3.1 Mekanika Kuantum Relativistik

Pada tahun 1925 – 1926, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, dan lain-

lain mengembangkan pendekatan pada gejala atomik dengan cara yang lebih umum,

berangkat dari kelemahan pada teori atom Bohr[1]. Pendekatan ini disebut

mekanika kuantum. Mekanika kuantum mempelajari tetang materi dan radiasi pada

tingkat atomik dengan perangkat matematika untuk memprediksi perilaku partikel-

partikel mikroskopik[2].

Schrödinger melakukan peninjauan terhadap partikel dengan kelajuan rendah

(nonrelativistik). Akan tetapi, partikel di alam yang memiliki kelajuan tinggi tidak

dapat ditinjau menggunakan persamaan Schrödinger, sehingga diperlukan tinjauan

mekanika kuantum relativistik yang bersesuaian dengan teori relativitas khusus[3].

Mekanika kuantum relativistik digunakan untuk menjelaskan persamaan

gerak dari partikel relativistik, yaitu partikel yang bergerak dengan kelajuan tinggi

mendekati kelajuan cahaya. Oskar Klein dan Walter Gordon mengajukan sebuah

persamaan gelombang relativistik untuk partikel bebas dan dikenal dengan

persamaan Klein-Gordon. Namun persamaan ini tidak selalu menghasilkan rapat

probabilitas yang positif berhingga, sehingga tidak dapat memenuhi persamaan

kontinuitas pada keadaan tertentu. Pada tahun 1928, Paul Adrian Mauric Dirac

memperkenalkan persamaan gelombang untuk elektron relativistik yang dikenal

dengan persamaan Dirac. Persamaan Dirac dianggap sebagai salah satu capaian

tertinggi Fisika abad 20[2].

3.1.1 Persamaan Klein-Gordon

Persamaan Klein-Gordon menggunakan hubungan energi dan momentum

partikel relativistik untuk menggambarkan persamaan energi,

42222 cmcE += p . (3.1)

Jika −= ip , maka persamaan energi menjadi

422222 cmcE +−= , (3.2)

Page 12: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

18

18

sehingga diperoleh Hamiltonian

42222ˆ cmcEH +−== . (3.3)

Kemudian, Hamiltonian yang sudah diperoleh dimasukkan ke dalam

hubungan operator energi, EH =ˆ , dengan t

iEE

=→ ˆ menghasilkan

42222 cmct

i +−=

. (3.4)

Supaya ruas kanan tidak mengandung akar, maka Hamiltonian diambil bentuk

kuadrat, sehingga

01

0

2

22

2

2

22

1

422

22222

422222

22

22

=

=

+−=

cm

tc

cmt

c

cmct

c

(□2 −𝑚2𝑐2

ℏ2)𝜓 = 0, (3.5)

□2 disebut sebagai operator D’Alembertian. Persamaan (3.5) disebut persamaan

Klein-Gordon untuk partikel bebas.

Jika partikel dipengaruhi oleh potensial ( )xV , persamaan Klein-Gordon

menjadi

( )

( )

( ) ( ) . 01

0

422

222

2

1

422

2

222

422222

22

=−−+

=

−−+

+−=−

cmxVEcdx

d

cmxVEdx

dc

cmcxVE

c

(3.6a)

Dalam bentuk persamaan Schödinger, persamaan (3.6a) ditulis

( ) ( )

( ) ( )( )

( ) ( )0

2

021

01

22

2

22

422

2

2

4222222

2

422

222

2

=

−−

−+

=−+−+

=−−+

c

xVxEV

c

cmE

dx

d

cmxVxEVEcdx

d

cmxVEcdx

d

Page 13: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

19

19

( ) . 02

2

=−+

effeff VEdx

d (3.6b)

Disumsikan solusi dari persamaan (3.5) adalah ( ) ( ) rkr = ietft, dan

disubstitusikan ke persamaan (3.5) akan menghasilkan persamaan diferensial untuk

( )tf :

( )

( ) ( )( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) . 0

0

0

01

01

01

2

2

4222

2

4222

2

22

22

2

22

2

2

22

2

2

22

2

2

22

2

=+

=

++

=++

=−

−−

=−

=

tftf

tfcm

cktf

tfcm

tfcktf

etfcm

etfc

etfk

etfcm

t

etf

c

etf

etfcm

tc

ie

c

iii

iii

i

rk

rkrkrk

rkrkrk

rk

r

(3.7)

Dengan menggunakan solusi persamaan differensial orde 2, diperoleh solusi dari

persamaan (3.7) adalah ( ) tietf = . Perhitungan lebih lanjut dari persamaan (3.7)

menghasilkan

4222

42222

2

4222

2

2

2

42222 ; ,

cmcE

cmcE

cmck

E

kpE

Ecm

ck

+=

+=

+=

==→=+=

p

p

(3.8a)

dan

( ) ( ) ( )Eti

ti eet

==rprkr , . (3.8b)

Persamaan (3.8a) menunjukkan bahwa energi partikel dapat bernilai negatif,

sementara energi negatif menunjukkan adanya energi ikat. Hal ini menimbulkan

pertanyaan bagaimana partikel bebas bisa memiliki energi negatif. Oleh karena itu,

perlu dilakukan uji lanjutan kesesuaian persamaan Klein-Gordon dengan

persamaan kontinuitas,

Page 14: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

20

20

0=+

J

t

, (3.9)

dengan = adalah rapat probabilitas keberadaan partikel yang positif

berhingga.

Untuk menguji kesesuaian ini, pertama-tama persamaan Klein-Gordon

dikalikan dengan dari sebelah kiri

. 01

01

2

22

2

2

22

2

22

2

2

22

=−

=

cm

tc

cm

tc (3.10a)

Kemudian, persamaan Klein-Gordon di-konjugat-kan dan dikalikan dengan dari

sebelah kiri

. 01

01

2

22

2

2

22

2

22

2

2

22

=−

=

cm

tc

cm

tc (3.10b)

Selanjutnya, persamaan (3.10a) dikurangi persamaan (3.10b)

( ) . 022

011

01

01

2

2

2

2

22

2

222

2

22

2

2

22

2

22

2

2

22

=

+

=

+

−−

=−

=−

ttimctim

tctc

cm

tc

cm

tc

im

(3.11)

Kedua ruas dikalikan dengan im2

supaya dapat dihasilkan ρ yang berhubungan

dengan E. Persamaan (3.11) menghasilkan bentuk yang mirip dengan persamaan

kontinuitas dengan

=

= E

mcttimc 22

12

dan (3.12a)

( ) −= im2

J . (3.12b)

Page 15: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

21

21

Persamaan (3.12a) menunjukkan bahwa ρ dapat bernilai negatif ketika E < 0. Hal

ini bertentangan dengan prinsip mekanika kuantum karena nilai dari ρ harus positif

dan berhingga.

Berdasarkan seluruh perhitungan yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa

persamaan Klein-Gordon memiliki beberapa kekurangan:

1. Terdapat energi negatif, sedangkan untuk partikel bebas

021 2 == mvEE k , tidak mungkin negatif. Jika E < 0, maka

= Emc21 juga negatif, sementara syarat nilai ρ adalah 10 .

2. Persamaan Klein-Gordon berorde 2 terhadap waktu. Hal ini tidak sesuai

dengan postulat mekanika kuantum tentang evolusi fungsi gelombang

terhadap waktu,

Ht

i ˆ=

.

3.1.2 Persamaan Dirac

Dirac mengusulkan persamaan berangkat dari postulat mekanika kuantum

tentang evolusi fungsi gelombang terhadap waktu,

Ht

i ˆ=

. Hamiltonian

persamaan Dirac adalah

2ˆˆˆ mccHE +== p . (3.13)

Dengan menotasikan 3,2,1dengan =ii (1 untuk x, 2 untuk y, dan 3 untuk z),

persamaan (3.13) dapat ditulis

23

1

ˆmcpcEi

ii += =

. (3.14)

Dirac tidak menggunakan persamaan energi kuadrat, tetapi memunculkan operator

dan . dan tidak berdimensi dan dimungkinkan berupa operator dalam

representasi matriks.

Persamaan (3.13) harus sesuai dengan persamaan 42222 cmcE += p ,

sehingga kuadrat dari persamaan (3.14) menghasilkan

( )

( ) . ˆˆˆˆˆ

ˆˆˆˆˆ

2423

,

22222

cmpmc

ppcpcE

iiii

jii jjiijji

iii

+++

++=

(3.15)

Page 16: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

22

22

Perbandingan 42222 cmcE += p dan persamaan (3.15) memberikan kondisi dan

:

jiijji =+ ,0ˆˆˆˆ , (3.16a)

0ˆˆˆˆ =+ ii , dan (3.16b)

1ˆˆ 22== i . (3.16c)

Karena dan adalah matriks, maka Ii == 22 ˆˆ dengan nilai eigen ±1.

Dengan demikian, i dapat dinyatakan

ˆˆˆˆˆˆˆ 2iiii I === . (3.17)

Jika persamaan (3.16b) dikalikan dengan dari sebelah kiri, maka akan diperoleh

. ˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆ

0ˆˆˆˆˆˆ

0ˆˆˆˆ

iiii

ii

ii

−=→−=

=+

=+

(3.18)

Mengambil trace dari kedua ruas menghasilkan

ii

ii

ii

BCAABC

ˆtrˆtr

tr tr; ˆˆˆtrˆˆˆtr

ˆˆˆtrˆtr

−=

=−=

−=

. (3.19)

Persamaan (3.19) akan terpenuhi jika dan hanya jika 0ˆtr =i . Dengan cara yang

sama juga diperoleh 0ˆtr = . Trace adalah penjumlahan dari seluruh nilai eigen.

Jika trace-nya nol, maka +1 dan -1 harus muncul dengan jumlah yang sama,

sehingga matriks i dan harus berdimensi genap. Untuk dimensi terkecil N=2,

yang dipenuhi oleh matriks 2 x 2, kemungkinan jumlah matriks yang antikomut

adalah 3 matrik, yaitu

. 10

01 ,

0

0 ,

01

10321

−=

−=

=

i

i (3.20)

Matriks di atas disebut sebagai matriks Pauli. Untuk memperoleh matriks 1 , 2 ,

3 , dan , diambil N=4 dan diperoleh matriks i dan ber-orde 4 x 4

−=

=

I

I

i

ii 0

0dan

0

0

(3.21)

Page 17: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

23

23

yang keduanya Hermitean. Angka nol pada matriks di atas bukan berupa bilangan,

akan tetapi berupa matriks 2 x 2 yang nilainya nol semua, notasi i merupakan

matriks 2 x 2 yang berisi persamaan (3.20) sesuai dengan indeks i-nya, dan I adalah

matriks identitas 2 x 2.

Selanjutnya, dilakukan perhitungan rapat probabilitas persamaan Dirac

dengan cara yang hampir sama seperti perhitungan rapat probabilitas persamaan

Klein-Gordon. Ditinjau persamaan Dirac

.ˆˆ 2

mccit

i +−=

(3.22)

Karena matriks dan orde 4 x 4, fungsi gelombang merupakan matriks kolom

4 x 1. Kemudian diambil adjoint Hermitean dari persamaan (3.22) diperoleh

.ˆˆ †2††

mccit

i +=

− (3.23)

Pertama, persamaan (3.22) dikalikan dengan † dari sebelah kiri

.ˆˆ †2††

mccit

i +−=

(3.24)

Kedua, persamaan (3.23) dikali dengan dari sebelah kiri

.ˆˆ †2††

mccit

i +=

− (3.25)

Kemudian, persamaan (3.24) dikurangi dengan persamaan (3.25) menghasilkan

( )†††

†††

†2††

†2††

ˆˆ

ˆˆ

ˆˆ

ˆˆ

+−=

+

−−=

+

+=

+−=

ccitt

i

cicit

it

i

mccit

i

mccit

i

( ) ( )

( ) ( ) . 0ˆ

ˆ

††

††

=+

−=

ct

ct (3.26)

Page 18: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

24

24

Persamaan di atas bersesuaian dengan persamaan kontinyuitas, dengan †=

dan ˆ†c=J . Nilai dari ρ selalu positif berhingga sepanjang waktu, sehingga

persamaan Dirac berhasil memenuhi prinsip mekanika kuantum dan postulat

mekanika kuantum tentang evolusi fungsi gelombang terhadap waktu.

Selanjutnya, dilakukan perhitungan solusi persamaan Dirac. Diasumsikan

solusi persamaan Dirac adalah

( ) ( )( )Et

i

eNut−

=rp

pr , , (3.27)

dengan N adalah konstanta normalisasi dan u linear dalam p. Kemudian asumsi

solusi tersebut disubstitusikan ke persamaan hubungan energi

( ) ( )( )

( )( )

( ) ( ) ( ). ˆ

ˆ

2

2

ppp

ppprprp

Euumcc

eENueNumccEt

iEt

i

=+

=+−−

(3.28)

u(p) memiliki 4 komponen yang disebut spinor.

. sehingga ,dan 4

3

2

1

4

3

2

1

=

=

=

=w

vu

u

uw

u

uv

u

u

u

u

u (3.29)

Dengan mensubstitusikan persamaan (3.29) dan persamaan (3.21) ke persamaan

(3.28) menghasilkan

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

. 0

0

0

0

ˆ

ˆ

2

2

2

=

−−

=−

=+

w

vc

w

v

I

Imc

w

vE

ucumcEu

Euumcuc

p

p

pppp

pppp

(3.30)

Dari persamaan (3.30) diperoleh dua persamaan:

( ) ( )wcvmcE p=− 2 (3.31a)

dan

( ) ( ) . 2 vcwmcE p=+ (3.31b)

u(p) dibangun oleh v dan w, sehinga untuk mendapatkan fungsi eigen dari

u(p) berangkat dari persamaan (3.31a) dan (3.31b). Agar ruas kiri dari keduanya

tidak bernilai nol, maka nilai E pada persamaan (3.31a) dipilih E‒ dan untuk (3.31b)

Page 19: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

25

25

dipilih E+.

( )( )

( )( )

( )( )

wmcE

cw

mcmc

cw

mcE

cv 2222 +

−=

−−

=

=

+−

ppp (3.32a)

dan

( )( )

( ). 22 v

mcE

cv

mcE

cw

+

=

+

=

+

pp (3.32b)

Di awal pembahasan, disebutkan bahwa u linear dalam p. Sebagai

konsekuensi atas pernyataan ini, maka w pada persamaan (3.32a) harus berupa

konstanta, begitu pula dengan v pada persamaan (3.32b). Kemudian, dipilih matriks

konstan v dan w adalah

0

1dan

1

0.

−=

−+

−+

=

++=

+

z

z

z

z

y

y

x

x

zzyyxx

pp

pp

p

p

ip

ip

p

p

ppp

0

0

0

0

0

0

p

(3.33)

dengan yx ippp =, sehingga untuk w konstan, persamaan (3.32a) menjadi

dan 1

0 ,

1

022

−+−=

−+−=

=

++

+ zz

z

p

p

mcE

c

pp

pp

mcE

cvw (3.34a)

+−=

−+−=

=

+++

+ p

p

mcE

c

pp

pp

mcE

cvw z

z

z

22 0

1 ,

0

1. (3.34b)

Untuk v konstan, persamaan (3.32b) menjadi

dan 1

0 ,

1

022

−+=

−+=

=

++

+ zz

z

p

p

mcE

c

pp

pp

mcE

cwv (3.34c)

+=

−+=

=

+++

+ p

p

mcE

c

pp

pp

mcE

cwv z

z

z

22 0

1 ,

0

1. (3.34d)

Dengan demikian, diperoleh empat solusi fungsi eigen u(p). Persamaan (3.34a) dan

(3.34b) adalah solusi energi negatif, sedangkan persamaan (3.34c) dan (3.3d)

adalah solusi energi positif. Empat solusi ini muncul karena fungsi gelombang pada

persamaan Dirac mengandung empat komponen. Masing-masing solusi untuk

energi negatif maupun positif yang memiliki dua solusi merupakan representasi

spin elektron. Elektron memiliki spin up dan spin down, sehingga pada tiap keadaan

Page 20: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

26

26

energi, elektron memiliki dua orientasi spin [2].

Diambil salah satu solusi, penjabaran dari persamaan (3.34a) menghasilkan

1 , 0 , , 432221 ==+

=+

−=+

+

uupmcE

cup

mcE

cu z . (3.35)

Dengan menggunakan kondisi ternormalisasi, persamaan di atas dapat digunakan

untuk mendapatkan N.

( ) ( )

( )

( )

( )( )

.11

1

11

1

21

22

22

22

22

2

222

2

2

2

2

2

222

22

2

2

2211

44332211

2

+

+

+

+

+

++

+

+=→

++

=

+++

+=

+=

+

+=

++

−−+

−=

+++=

mcE

cN

mcE

cN

pppmcE

cN

pmcE

cuu

ppmcE

c

ippmcE

cipp

mcE

cuu

uuuuuuuuN

zyx

z

yx

yxyx

pp

(3.36)

Selanjutnya, dilakukan perhitungan spektrum energi dengan mengalikan

persamaan (3.31a) dengan ( )2mcE +

( ) ( ) ( )2

2

mcEwcvmcE

+=− p

( )( ) ( )( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) .22422

422

222

vcvcmE

vccvcmE

wmcEcvmcEmcE

p

pp

p

=−

=−

+=+−

(3.37)

Digunakan identitas ( )( ) ( )BABABA += i untuk mendapatkan

( )2p

( )( ) ( ) ,2ppppppp =+= i (3.38)

sehingga persamaan (3.32) menjadi

( )

( ) .0 422222422

22422

cmcEvccmE

vcvcmE

+=→=−−

=−

pp

p (3.39)

Page 21: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

27

27

Ketika 0=p , terdapat dua kuantitas energi

.dan 22 mcEmcE =−= +− (3.40)

Jika p0 , energi positif akan bernilai mulai mc2 dan meluas hingga ∞ dan

energi negatif bernilai mulai ‒mc2 dan meluas hingga ‒∞, sehingga di antara energi

positif dan negatif terdapat gap energi sebesar 2mc2 (Gambar 3.1).

Gambar 3.1 Plot energi persamaan Dirac [3]

Daerah pada energi negatif berisi penuh dengan elektron yang disebut Fermi sea

(lautan Fermi). Jika keadaan energi negatif diberi gangguan dari luar yang

energinya lebih besar dari 2mc2 dan radiasi energi tersebut diserap oleh salah satu

elektron, maka elektron tersebut akan tereksitasi ke keadaan energi positif dan

meninggalkan lubang (hole) di lautan Fermi (Gambar 3.2) [2], [3]. Peristiwa ini

disebut dengan pair production (produksi pasangan) [3]. Dalam kajian fisika

semikonduktor, hole berperan sebagai partikel bermuatan positif [2]. Lebih lanjut,

teori Dirac menyatakan bahwa hole tersebut adalah sebuah partikel baru yang massa

dan spin-nya sama dengan elektron, tetapi muatannya berbeda. Partikel ini dinamai

positron, partikel antielektron.

Page 22: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

28

28

Gambar 3.2 Peristiwa pair production (produksi pasangan)

Elektron yang menempati energi positif berada pada kondisi yang tidak stabil,

sehingga elektron akan menempati tempat semula di energi negatif dengan

mentransmisikan energi berupa radiasi dan positron yang tercipta akan lenyap

(Latifah, 2016). Peristiwa ini disebut dengan pair annihilation (pemusnahan

pasangan) (Gambar 3.3).

Gambar 3.3 Peristiwa pair annihilation (pemusnahan pasangan)

3.2 Mekanika Kuantum untuk Molekul dan Kristal

3.2.1 Kombinasi Linear Orbital Atom

Dalam keadaan terisolasi, atom karbon (C) memiliki konfigurasi 1s22s22p2.

Keadaan 1s memiliki energi yang sangat rendah dan berada di dekat inti atom C

saja, sedangkan 2s dan 2p disebut keadaan valensi yang memiliki energi lebih tinggi.

Jika seluruh atom C berada pada bidang yang sama, maka dapat membentuk

kombinasi linear dari orbital 2s, 2px, dan 2py pada masing-masing atom C yang

disebut dengan orbital hibrida sp2. Orbital-orbital ini membentuk sudut 120˚ antara

Page 23: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

29

29

atom satu dengan atom lainnya dan membentuk ikatan σ antar-atom C, kemudian

mengarah kepada molekul planar seperti benzena atau kisi heksagon graphene.

Pada tiap atom C memiliki sebuah orbital pz yang arahnya tegak lurus dengan

bidang dan membentuk ikatan π [4].

Jika enam atom C dari cincin benzena berada dalam satu bidang, maka akan

membentuk heksagon planar sempurna (Gambar 3.4), dengan tiap atom memiliki

orbital pz dan menimbulkan keadaan π.

Gambar 3.4 Heksagon planar dengan orbital pz dari enam atom C [4]

Dengan menggunakan model Hückel, tiap atom karbon diberi label angka 0

sampai 5 dengan arah berlawanan jarum jam (Gambar 3.5).

Gambar 3.5 Model Hückel untuk kisi heksagon [4]

Fungsi gelombang yang bersesuaian dengan orbital pz adalah ( ) 5,4,3,2,1,0 ; =nn r .

Sejumlah enam keadaan π dituliskan sebagai kombinasi linear dari orbital-orbital

atom,

( ) ( )=

=5

0

ψn

nmnm c rr . (3.41)

Fungsi gelombang di atas haruslah memenuhi persamaan nilai eigen persamaan

Schrödinger, EH =ˆ ,

Page 24: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

30

30

=

5

4

3

2

1

0

5

4

3

2

1

0

555453525150

454443424140

353433323130

252423222120

151413121110

050403020100

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

c

c

c

c

c

c

E

c

c

c

c

c

c

HHHHHH

HHHHHH

HHHHHH

HHHHHH

HHHHHH

HHHHHH

, (3.42)

Elemen matriks Hamiltonian diperoleh dengan pendekatan tetangga terdekat

(nearest neighbor):

=nn H , (3.43a)

tH nn =1ˆ , dan (3.43b)

1, ;0ˆ = nnpH pn . (3.43c)

Dengan demikian, elemen matriks Hamiltonian akan menjadi

=

5

4

3

2

1

0

5

4

3

2

1

0

000

000

000

000

000

000

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

c

c

c

c

c

c

E

c

c

c

c

c

c

tt

tt

tt

tt

tt

tt

(3.44)

Selanjutnya, untuk mendiagonalisasi matriks Hamiltonian, digunakan transformasi

Bloch

( ) ( ) 1 1

0−

=

=N

nn

ikRk

neN

rr , (3.43)

dengan 1,...,0 ;2

; −=== NmNa

mknaRn

. Keadaan ( )rk disebut keadaan Bloch.

( )rk merupakan transformasi dari ( )rn yang dikalikan dengan suatu matriks

uniter

−−−

−−

−−−

−−

−−−

=

5

4

3

2

1

0

33

2

33

2

3

2

33

2

3

33

2

33

2

3

2

33

2

3

5

4

3

2

1

0

11

11

111111

11

11

111111

iiii

iiii

iiii

iiii

k

k

k

k

k

k

eeee

eeee

eeee

eeee

. (3.44)

Page 25: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

31

31

Transformasi di atas merupakan transformasi uniter, sehingga

'' kkkk = . (3.45)

Dengan demikian, matriks Hamiltonian menjadi diagonal

( )( )katH kkkk cos2ˆ'' += (3.46)

dan nilai eigen matriks diagonal adalah

( ) 5,...,0 ;6

2 ;cos2 ==+= m

amkkatEk

. (3.47)

Dari persamaan di atas, diperoleh nilai dari tingkat energi:

tE 20 += , (3.48a)

tEE += 21, , (3.48b)

tEE −= 43 , , dan (3.48c)

tE 25 −= . (3.48d)

3.2.2 Fungsi Gelombang Sistem Periodik (Kristal)

3.2.2.1 Periodisitas

Pada pembahasan sebelumya diberikan cincin benzena yang berbentuk

heksagon dari ikatan 6 atom C. Untuk N atom, maka bentuk dari cincin benzena

menjadi segi banyak (Gambar 3.6).

Gambar 3.6 Cincin benzena dari N atom [4]

Selama energi dari tiap atom tetap ε dan energi suatu atom yang dipengaruhi

oleh tetangganya tetap t, maka bentuk dari cicin benzena dapat dibentuk sesuai

keinginan tanpa mengubah model Hückel. Salah satu bentuk yang dapat dipilih

adalah me-linear-kan bentuk cincin menjadi rantai lurus (Gambar 3.7),

Page 26: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

32

32

Gambar 3.7 Bentuk rantai linear dari cincin benzena dengan N atom [4]

dengan syarat ujung kiri dan kanan dari rantai tersambung

Rn+N = Rn . (3.49)

Dengan memilih titik asal R0 = 0 secara acak, kemudian dapat ditentukan posisi N

atom

2,1

2,....,1,0,1,...2

2,1

2

NNNNnaRn −−+−+−== . (3.50)

Nilai eigen dari rantai adalah

( )katEk cos2+= , (3.51)

dengan 2

,12

,....,1,0,1,...22

,12

;2

; NNNN

mNa

kkmk −−+−+−===

.

Jika N → ∞, maka rantai linear akan menjadi kristal 1 dimensi sederhana tak

hingga. Posisi atom Rn membentuk kisi 1 dimensi yang disebut kisi kristal.

Selanjutnya, dapat dipilih sebuah sel satuan dengan satu atom dan membuat copy

dari sel satuan tersebut di posisi na dengan = ,...,2,1n dan a disebut dengan

parameter kisi.

Untuk suatu kristal yang terdiri dari N atom, maka akan tersedia N energi.

Karena N → ∞, tingkat-tingkat energi tersebut akan merapat membentuk pita

energi dengan jarak yang sangat dekat, sehingga distribusinya kontinyu.

Jika N → ∞, maka Δk → 0 yang berimbas pada nilai k → 0. Pada kondisi

demikian, persamaan (3.51) memberikan energi maksimum dan minimum

tEk 2max −= dan (3.52a)

tEk 2min += . (3.52b)

Rentang antara kedua energi di atas disebut dengan pita energi yang berperan

sebagai energi kinetik elektron. Karena kristal dari N atom memiliki kisi yang

ekivalen, sebagai konsekuensi dari simetri translasi kisi diberikan

Ek+K = Ek (3.53)

dengan K = NΔk. Persamaan (3.51) menunjukkan bahwa energi periodik terhadap

Page 27: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

33

33

k, maka dibataskan saja nilai k,a

ka

− . Ternyata seluruh nilai k dapat

dikembalikan ke daerah tersebut, sehingga daerah ini disebut dengan zona Brillouin

pertama. Hal ini berimplikasi

E-k = Ek (3.54)

sebagaimana diberikan oleh plot dari Ek terhadap k (Gambar 3.8). Plot ini disebut

dengan struktur pita

Gambar 3.8 Plot Ek terhadap k [4]

Jika setiap atom membawa satu elektron, maka setengah dari pita tinggi

bagian bawah akan terisi oleh elektron dan setengah atasnya kosong (Gambar 3.9).

Karena tingkat energi Fermi berada di pita energi yang diperkenankan, maka sangat

mudah untuk membuat elektron tereksitasi dari pita rendah dengan frekuensi yang

rendah [5]. Material dengan respon kuat terhadap medan eksternal disebut dengan

logam.

Gambar 3.9 Pengisian elektron pada logam. Hole akan tercipta ketika elektron tereksitasi [5]

3.2.2.2 Teorema Bloch

Pada pembahasan sebelumnya, rantai linear hanya terdiri dari satu jenis atom

saja, yaitu atom C. Pada bahasan kali ini akan dilakukan kalkulasi terhadap rantai

yang terdiri dari dua atom yang berbeda (Gambar 3.10).

Page 28: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

34

34

Gambar 3.10 Rantai linear dengan dua atom berbeda [4]

Energi dari kedua atom berbeda, namun jarak antar-atom terdekat dipertahankan

sama, begitu juga dengan elemen matrik Hamiltonian dari tetangga terdekat, t.

Berdasarkan hasil pada pembahasan sebelumnya, kalkulasi dimulai dengan

orbital Bloch.

( ) ( )−

=

=1

0,1,1

N

nn

ikRk

ne rr dan (3.55a)

( ) ( )−

=

=1

0,2,2

N

nn

ikRk

ne rr (3.55b)

dengan ( )rn,1 adalah orbital pz dari atom 1 di sel n dan ( )rn,2 adalah orbital pz

dari atom 2 di sel n. Keadaan Bloch merupakan keadaan eigen dari Hamiltonian

yang harus kombinasi linear dari orbital-orbital Bloch

( ) ( ) ( )rrr kkkkk cc ,2,2,1,1 += . (3.56)

Representasi matriks dari Hamiltonian diperoleh dengan cara berikut:

Pertama,

kkkkkk

kkkkkkk

HcHc

ccHH

,2,1,2,1,1,1

,2,2,1,1,1,1

+=

+=. (3.57a)

kk H ,1,1 merupakan elemen matriks Hamiltonian pada baris 1 kolom 1 dan

kk H ,2,1 adalah elemen matriks Hamiltonian pada baris 1 kolom 2.

Kedua,

kkkkkk

kkkkkkk

HcHc

ccHH

,2,2,2,1,2,1

,2,2,1,1,2,2

+=

+=. (3.57b)

kk H ,1,2 merupakan elemen matriks Hamiltonian pada baris 2 kolom 1 dan

kk H ,2,2 adalah elemen matriks Hamiltonian pada baris 2 kolom 2.

Page 29: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

35

35

Dengan demikian, susunan matriks Hamiltonian menjadi

=

kkkk

kkkk

HH

HHH

,2,2,1,2

,2,1,1,1ˆ

. (3.58)

Langkah selanjutnya adalah menghitung tiap elemen dari matriks

Hamiltonian sebagai berikut:

( ) ( )

( )

1

,1,1

1

0,

1

0,1

1

0

,1,1,1

;

1

=

==

=

=

−−

=

=

mnmn

N

mn

RRik

N

mm

ikRN

n

nikR

kk

RRdrHe

dreHeH

mn

mn

rr

, (3.59a)

( ) ( )

( )

( )te

drHe

dreHeH

ika

t

mn

N

mn

RRik

N

mm

ikRN

n

nikR

kk

mn

mn

=

−−

=

=

+=

=

=

1

,2,1

1

0,

1

0,2

1

0

,1,2,1

rr

, (3.59b)

( )( )te

HH

ika

kkkk

+=

=

1

,2,1,1,2 , dan (3.59c)

( ) ( )

( )

2

,2,2

1

0,

1

0,2

1

0

,2,2,2

;

2

=

==

=

=

−−

=

=

mnmn

N

mn

RRik

N

mm

ikRN

n

nikR

kk

RRdrHe

dreHeH

mn

mn

rr

. (3.59d)

Diperoleh elemen matriks Hamiltonian

( )( )

+

+=

2

1

1

te

teH

ika

ika

. (3.60)

Persamaan di atas disubstitusikan ke persamaan Schrödinger bebas waktu dalam

representasi matriks

Page 30: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

36

36

( ) ( )

( )( )

( )( )

( )( )

( )( )

01

10

1

1

010

01

1

1

1

1

ˆ

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

=−+

+−→=

−+

+−

=

+

+

=

+

+

=

−−

Ete

teE

Ete

teE

c

cE

te

te

c

cE

c

c

te

te

EH

ika

ika

ika

ika

ika

ika

kika

ika

kkk

rr

(3.61)

Selanjutnya, dari persamaan (3.61) diperoleh nilai eigen energi

( )( )( )( ) ( )( )

( )( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )

( )( )

( ) ( ) .2

1cos4

4

1

2

1

2

2

1cos162

2

cos1842

2

4 abc Rumus

0cos12

0cos22

02

011

011

01

1

22221212,1

222221

2121

2,1

221

2221

2121

2,1

2

2,1

22121

2

2222121

2222121

222121

221

2

1

+−+=

++−+

=

++−+++=

−−=→

=+−++−

=−−++−

=+−−++−

=+++−+−−

=++−−−

=−+

+−

katE

kat

E

katE

a

acbbE

katEE

kattEE

eettEE

eetEEE

eetEE

Ete

teE

cb

ikaika

ikaika

ikaika

ika

ika

(3.62)

Persamaan energi di atas jika diplot untuk kasus ε1 < ε2 akan menghasilkan

gambar seperti di bawah ini (Gambar 3.11).

Page 31: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

37

37

Gambar 3.11 Plot Ek terhadap k dari rantai atomik dengan dua atom berbeda [4]

Kalkulasi nilai eigen energi pada titik spesial adalah

( ) ( ) 222121,1 4

4

1

2

1tE +−−+= , (3.63a)

( ) ( ) 222121,2 4

4

1

2

1tE +−++= , (3.63b)

( ) ( )

( ) ( )

1

2121

22121,1

2

1

2

14

1

2

1

=

−++=

−++=E

, dan (3.63c)

( ) ( )

( ) ( )

2

2121

22121,2

2

1

2

14

1

2

1

=

−−+=

−−+=E

. (3.63d)

Ruang di antara ε1 dan ε2 disebut sebagai band gap, di daerah ini tidak terdapat

tingkatan energi. Jika masing-masing atom membawa satu elektron, maka saat

temperatur nol, daerah pita yang lebih rendah pada energi Ek ≤ ε1 akan terisi penuh

dengan elektron dan pita yang lebih tinggi pada energi Ek ≥ ε2 kosong sedemikian

hingga εF = ε1. Untuk temperatur berhingga, εF berada di tengah-tengah gap seperti

pada gambar 3.10. Oleh karena elektron-elektron terkurung di bawah tingkat energi

Fermi, maka frekuensi minimum dari medan elektromagnetik eksternal untuk

mengeksitasi elektron dari pita rendah ke pita tinggi adalah

12 −= gapE . (3.64)

Page 32: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

38

38

Elektron tidak akan bisa tereksitasi jika frekuensi yang diberikan kurang dari Egap

(Gambar 3.12). Keadaan demikian dimiliki oleh material yang bersifat isolator.

Gambar 3.12 Pengisian elektron pada bahan isolator [5]

Pada temperatur berhingga, selalu terdapat probabilitas berhingga ketika

sistem dalam keadaan tereksitasi. Jika probabilitas tersebut cukup tinggi untuk

memberikan jumlah elektron di pita tinggi, maka elektron-elektron tersebut dapat

membawa muatan listrik ketika medan luar diberikan (Gambar 3.13). Material

semacam ini disebut dengan semikonduktor. Umumnya pada suhu kamar, celah

energi pada semikonduktor kurang dari 2 eV.

Gambar 3.13 Pengisian elektron pada bahan semikonduktor [5]

3.3 Geometri Graphene

Graphene adalah monolayer dari atom-atom karbon yang tersusun secara

rapat membentuk kisi sarang lebah (honeycomb) [4], [6], [7]. Struktur pita dari pita-

pita π pada graphene dibentuk oleh model tight-binding tetangga terdekat (model

Hückel) [4]. Atom-atom C pada graphene membentuk kisi heksagon 2D.

Penggambaran kisi graphene pada ruang riil dan ruang resiprok akan dijelaskan

lebih rinci.

3.3.1 Ruang Riil

Kisi heksagon 2D pada graphene ditampilkan oleh Gambar 3.14.

Page 33: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

39

39

Gambar 3.14 Kisi graphene di ruang riil

Kisi tersebut dapat dibangun dengan memilih sebuah sel satuan dengan parameter

kisi

−−=

−=

2

3,

2

1dan

2

3,

2

121 aa aa , (3.65)

dengan a adalah konstanta kisi. Setiap struktur kristal memiliki dua kisis, yaitu kisi

kristal itu sendiri dan kisi resiprok [5]. Kisi resiprok adalah pola difraksi dari kisi

kristal ketika dikenai sinar X [5]. Vektor kisi a1 dan a2 tidak ortogonal. Berkaitan

dengan orbital Bloch, maka harus dihitung faktor-faktor fase dari Rkie .

2211

212211 ,...2,1,0, ;

bbk

aaR

kk

nnnn

+=

=+=

R adalah ruang riil vektor-vektor kisi dan k dinyatakan dalam beberapa vektor kisi

yang dipilih untuk menyederhanakan perhitungan,

=

=2

1, jijijink abRk . (3.66)

Perhitungan di atas akan menjadi sederhana jika

ijji 2=ab . (3.67)

Persamaan di atas merupakan hubungan antara kisi resiprok dengan kisi riil.

Dengan demikian, faktor-faktor fase menjadi bentuk yang sederhana

( )22112 nknkii ee + =Rk . (3.68)

3.3.2 Ruang Resiprok

Kisi resiprok dari kisi riil graphene yang dipilih pada pembahasan

sebelumnya ditunjukkan oleh Gambar 3.15.

Page 34: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

40

40

Gambar 3.15 Kisi resiprok graphene

Kisi yang dibentuk dari vektor kisi b1 dan b2 disebut dengan kisi resiprok.

Posisi kisi diberikan oleh

integer, ; 212211 =+= mmmm bbK . (3.69)

Untuk menentukan vektor kisi dari kisi resiprok, digunakan hubungan antara

kisi riil dengan kiri resiprok, persamaan (3.67). Jika ( )21, iii bb=b , maka seluruh

kemugkinan dari persamaan (3.67) adalah

.2

3

2

12

,2

3

2

10

,2

3

2

10

,2

3

2

12

222122222121

222112221121

121122122111

121112121111

bba

abab

bbabab

bbabab

bba

abab

−==+

+==+

−==+

+==+

(3.70)

Dari persamaan (3.70), diperoleh nilai:

3

2dan ,

2,

3

2,

222211211

ab

ab

ab

ab

−==== , (3.71)

sehingga

−=

=

3

1,1

2dan

3

1,1

221 aa

bb , (3.72)

Posisi dari titik istimewa diberikan oleh

( )

=

==

2

1,

32

12dan , 0,

3

22 , 0,0

2

aM

aK

a

. (3.73)

3.4 Hubungan Dispersi Energi Elektron pada Graphene

Pada pembahasan sebelumnya telah diberikan geometri kisi graphene, baik

kisi riil maupun kisi resiprok. Selanjutnya, dilakukan kalkulasi hubungan dispersi

Page 35: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

41

41

energi elektron dengan aproksimasi tetangga terdekat model tight-binding.

Kalkulasi dilakukan pada monolayer graphene dan bilayer graphene.

3.4.1 Monolayer Graphene

3.4.1.1 Solusi Lengkap

Model tight-binding tetangga terdekat memberikan definisi matriks

Hamiltonian

=R

RRk

k jii

ij HeH ˆ, , (3.74)

sehingga elemen diagonal matriks Hamiltonian adalah

pi EHHeH ===

1111,11ˆˆ

RR

Rkk (3.75a)

pi EHHeH ===

2222,22ˆˆ

RR

Rkk . (3.75b)

Elemen off-diagonal diberikan oleh

( )( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( )k

RR

RR

RR

Rkk

tf

eeet

eeet

He

HeH

akkiakkiakki

kkikkikki

kki

i

yxyxyx

yxyxyx

yx

=

++=

++=

=

=

−−

6

3,

2

1,

6

3,

2

1,

3

3,0,

,,,

21,

21,12

321

12 ˆ

ˆ

(3.75c)

( ) ( ) ( )

( )

−−−

−−

=

++=

=

k

kk

tf

eeet

HH

akkiakkiakki yxyxyx 6

3,

2

1,

6

3,

2

1,

3

3,0,

,12,21

. (3.75d)

Persamaan nilai eigen dalam representasi matriks menjadi

( )( )

=

k

k

k

k

k

k

,2

,1

,2

,1

c

cE

c

c

Etf

tfEk

p

p. (3.76)

Selanjutnya, nilai eigen energi dikalikan dengan matriks overlap (S) 2 x 2 dengan

pendekatan mnmnS =k, .

Page 36: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

42

42

( )( )

( )( )

( )( )

0

00

0

10

01

,2

,1

,2

,1

,2

,1

,2

,1

=

=

=

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

c

c

EEtf

tfEE

c

c

E

E

Etf

tfE

c

cE

c

c

Etf

tfE

kp

kp

k

k

p

p

kp

p

(3.77)

Persamaan (3.77) akan memiliki solusi jika

( )( )

0=−

kp

kp

EEtf

tfEE

k

k

Hasil perhitungan dari determinan di atas adalah

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

.2

cos42

3cos

2cos41

2cos4

2

3cos

2cos41

2cos4

2cos21

2cos4

2cos2

2cos21

2cos2

2cos2

0

2

22

2

22

3

2

3

22

3

2

3

6

3

3

3

6

3

3

3

6

3

2

1

6

3

2

1

3

3

6

3

2

1

6

3

2

1

3

3

22

akakaktEE

fftEE

fftEE

fftEE

akakakff

akee

akff

ake

ake

akff

eak

eeak

eff

eeeeeeeeeeff

fftEE

xyxpk

pk

kp

kp

xyx

xakiaki

x

xaki

xaki

x

akix

akiakix

aki

akiakiakiakiakiakiakiakiakiaki

kp

yy

yy

yyyy

yxyxyyxyxy

++=→

=→

=−→

=−→

++=

+

++=

+++=

+

+=

++

++=

=−−

−−

−−−−−

kk

kk

kk

kk

kk

kk

kk

kk

kk

Jika Ep bernilai nol, maka persamaan tingkat energi menjadi

2cos4

2

3cos

2cos41 2 akakak

tE xyxk ++= . (3.78)

Dengan memilih bidang xy untuk merepresentasikan k = (kx , ky) dan Ek di-plot

sepanjang sumbu z memberikan hasil (Gambar 3.16)

Page 37: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

43

43

Gambar 3.16 Struktur pita dari graphene [8]

Struktur pita dibentuk oleh kumpulan dari seluruh nilai energi Ek dengan k

zona Brillouin pertama. Hubungan dispersinya linear berbentuk kerucut (Dirac

cone) di ujung zona Brillouin (sekitar titik K dan K’) dan energi Fermi berada di E

= 0 [8], [9].

3.4.1.2 Skala Energi Rendah: Persamaan Dirac untuk Graphene

Struktur pita graphene linear di sekitar Ep (E = 0) dan tiap karbon memiliki

satu elektron di keadaan pz. Jika diasumsikan spin terdegenerasi, maka setengah

dari pita energi tersebut terisi penuh oleh elektron, sehingga energi Fermi berada di

titik K dan K’. Karena transport ditentukan oleh elektron dengan energi dekat

dengan energi Fermi, maka perlu untuk melihat secara lebih detail keadaan di

sekitar titik K dan K’. Vektor-vektor k dituliskan

k = K + q (3.79)

dengan q adalah jari-jari dari lingkaran yang terpusat di sekitar K dan K’, |q| << |K|.

Selanjutnya, dapat ditulis

( ) ( )iiiiii ieeeee iiiii aqaKaqaKaqKak

+===+ 1 . (3.80)

iie aq diekspansi menjadi deret eksponensial karena dianggap nilainya sangat kecil.

Dengan demikian, dilakukan kalkulasi ( )kf di sekitar titik K dan K’. Kalkulasi

dilakukan dengan aproksimasi tetangga terdekat. Karena tiap atom pada graphene

memiliki 3 tetangga terdekat, maka terdapat 3 summition. Komponen K telah

dibahas di bagian 3.3.2, 0,322

=

aK

.

Page 38: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

44

44

( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )aiqaq

aqiaq

aqiaqiaq

aqiaqiiaqi

aqieeaqieeaqiee

aeqiaeqieaeqiaeqieaqi

aqqieaqqieaqqi

ieieie

eeeeee

ef

yx

yx

yyx

yyx

y

ii

y

ii

x

ii

i

y

i

x

ii

y

i

x

i

y

yx

i

yx

i

yx

aa

iaa

iaa

i

iiiiii

i

i i

−−=

+−=

++−−=

+

+

+=

+

+−

−+++=

−−+−+++=

−−++

−++

+=

+++++=

++=

=

−−−

−−−

−−

=

+

2

3

2

3

2

3

3

3

6

3

2

311

3

3

3

2cos2

6

3

3

2sin2

2

1

3

2cos21

3

3

6

3

2

11

6

3

2

1

6

3

2

1

3

31

6

3,

2

1,1

6

3,

2

1,1

3

3,0,1

111

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

3

2

36

3,

2

10,

3

4

26

3,

2

10,

3

4

13

3,00,

3

4

3

1

332211

qqq

k

qKqKqK

qK

Momentum di sekitar titik K adalah qKkp =−= , sehingga persaman di atas

dapat ditulis

( ) ( )yx ippa

f −−2

3k . (3.81)

Nilai eigen sebagai fungsi momentum dinyatakan oleh

( ) ( )

( ) ( )

( )

p

p

kk

2

3

43

4

3

2

3

2

3

2

2

22

22

2

22

2

22

atE

ta

ppa

t

ippa

ippa

t

fftE

yx

yxyx

=

=

+=

+−−−=

=

(3.82)

Dimensi dari ruas kanan persamaan di atas juga harus merupakan dimensi energi.

Kesetaraan ini berimplikasi koefisien dari p berdimensi kecepatan. Kecepatan ini

Page 39: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

45

45

disebut kecepatan Fermi vF yang nilainya mendekati sm610 . Dengan demikian,

nilai eigen energi dapat dinyatakan

pFvE = (3.82)

dan Hamiltonian dapat ditulis

( )( )

+

−=

0

yxF

yxF

ippv

ippvH . (3.83)

3.4.2 Bilayer Graphene

Struktur kristal bilayer graphene (AB stacking) ditunjukkan oleh Gambar

3.17 dan Gambar 3.18.

Gambar 3.17 Struktur kristal bilayer graphene tampak atas

Gambar 3.18 Struktur kristal bilayer graphene tampak samping [9]

Bilayer graphene yang ditinjau adalah A-B stacked bilayer graphene. Sel satuan

pada bilayer graphene berisi 4 atom. Atom A1 dan B1 di layer bawah, sementara

atom A2 dan B2 di layer atas. Kedua layer disusun dengan atom A2 tepat di atas

atom B1. A2 dan B1 disebut atom dimer karena interaksinya kuat, sementara atom

A1 dan B2 disebut atom non-dimer karena tidak ada atom lain yang berapa tepat di

atas atau di bawahnya, sehingga interaksinya lemah [9].

Hamiltonian pada bilayer graphene diberikan oleh

Page 40: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

46

46

( ) ( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( ) ( )

−−

−−

=

2043

0214

4110

3401

ˆ

B

A

B

A

fff

ff

ff

fff

H

kkk

kk

kk

kkk

(3.84)

dengan

22110 BABA HH −=−= , (3.85a)

121 BA H = , (3.85b)

213 BA H −= , (3.85c)

21214 BBAA HH == (3.85d)

Plot bilayer graphene menghasilkan kurva dispersi parabola (Gambar 3.19)

Gambar 3.19 Kurva dispersi pada bilayer graphene [9]

Di sekitar titik K, Hamiltonian bilayer graphene menjadi

=

24†

3

214

411

3†

4†

1

ˆ

B

A

B

A

vvv

vv

vv

vvv

H

(3.86)

dengan 2

3,

2

3 ,

2

3 , 4

43

30

a

va

va

vipp yx ===+= . Karena sel satuan

mengandung 4 atom, Hamiltonian di sekitar titik K dapat dibuat dengan hanya

Page 41: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

47

47

terkait atom dimer saja pada skala energi rendah di dekat permukaan Fermi.

=

Ehu

uh† (3.87)

dengan

=

2

1

B

A

adalah komponen energi rendah dan

=

1

2

B

A

adalah

komponen dimer.

−=

−=

=

=

4

4†

4

††

4

11

12

2†

3

31

,

, ,

vv

vvu

vv

vvu

hv

vh

B

A

B

A

(3.88)

Persamaan (3.87) memberikan

( ) †1uhE −

−= (3.89)

( ) †2†1

†1

1dengan uuhSESuuhh

EuhEuh−−

+==−

=−+

(3.90)

Dengan transformasi 21S= , persamaan (3.90) menjadi

−−−

−−

ESuuhhS

ESSuuhh

effH

21†121

2121†1

(3.91)

Diasumsikan 0dan 0 432121 ====== vvBBAA

( )

−=

−=

0

0

0

0

01

10

0

02

2†

1

2††

1

2†1

vvuuh (3.92)

Diperoleh

( )2

1

2

2†

0 2dengan

0

02

1ˆv

mm

H

=

−= (3.93)

Page 42: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

48

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN KEGIATAN

Fenomena terobosan Klein pertama kali ditemukan oleh Oskar Klein pada

tahun 1929 dalam konteks elektrodinamika kuantum [18]. Oskar Klein menemukan

hasil yang mengejutkan ketika menyelesaikan propagasi elektron-elektron Dirac

yang meleati potensial perintang tunggal. Fenomena ini banyak didiskusikan di

ranah partikel, nuklir, dan astrofisika. Namun eksperimen secara langsung untuk

partikel elementer diprediksi mustahil [9].

Pada tahun 2006, Katsnelson, Novoselov, dan Geim merilis sebuah artikel

yang menunjukkan bahwa fenomena ini dapat diuji secara konseptual melalui

eksperimen fisika material sederhana menggunakan perintang elektrostatik pada

monolayer dan bilayer graphene.

4.1 Terobosan Klein pada Monolayer Graphene

Ditinjau suatu sistem dengan potensial perintang setinggi V0 (Gambar 4.1).

Sistem tersebut dibagi menjadi tiga daerah. Daerah 1 berada pada x < 0 dan

potensialnya 0, daerah 2 berada pada 0 < x < d dengan potensial V0, dan daerah 3

di bagian x > 0 dengan potensial 0. Selanjutnya, akan ditinjau kasus 0 < E < V0.

Gambar 4.20 Hamburan elektron Dirac oleh potensial kotak [16]

Struktur elektronik graphene pada energi rendah dapat dinyatakan dalam

persamaan nilai eigen energi, ψψˆ EH = . Hamiltonian diperoleh dengan

memanfaatkan hasil perhitungan skala energi rendah pada monolyer graphene yang

telah dipaparkan di bagian 3.4.1, sehingga Hamiltonian pada monolayer graphene

dapat dituliskan

Page 43: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

49

49

( ), ˆˆ

0ˆˆ

ˆˆ0ˆ

yyxxF

yx

yxF

kkv

kik

kikvH

+=

+

−=

(4.1)

dengan Ep = 0. Fungsi gelombang spinor 2D diberikan oleh

( ) ,ψ

ψψ

2

1 rkk r

= i

s e (4.2)

sehingga persamaan nilai eigen energinya menjadi

=

+

2

1

2

1

ψ

ψ

ψ

ψ

0ˆˆ

ˆˆ0E

kik

kikv

yx

yxF . (4.3)

Untuk menyelesaikan persamaan di atas, digunakan dispersi pita

kvsE Fs =k (4.4)

dengan s = +1 untuk pita konduksi dan ‒1 untuk pita valensi.

Selanjutnya, persamaan (4.4) disubstitusikan ke persamaan (4.3)

( )( )( )

( ). ψ

ˆˆψ

ψψˆˆ

ψ

ψ

ψˆˆ

ψˆˆ

ψ

ψ

ψ

ψ

0ˆˆ

ˆˆ0

12

21

2

1

1

2

2

1

2

1

ks

kik

kskik

ks

ks

kik

kik

kvskik

kikv

yx

yx

yx

yx

F

yx

yxF

+=

=+

=

+

=

+

(4.5)

Karena sindan cos kkkk yx == , persamaan (4.5) menjadi

, ψ

ψsincos

ψ

ψˆˆ

ψ

1

12

12

i

yx

se

ks

kik

ks

kik

=

+=

+=

(4.6)

sehingga fungsi gelombang menjadi

( )( )( )

yikxik

iyxe

seyx

yxyx +

=

= 1

2

1

,ψ,ψ

. (4.7)

Dengan menggunakan kondisi ternormalisasi, diperoleh

Page 44: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

50

50

( ) ( )

,2

ψ2

1

ψ21

ψ

ψψψ1

,ψ,ψ1

1

221

21

1

111

*

L

L

dxdy

dxdyese

eesee

dxdyyxyx

L

Lyikxiki

yikxikyikxikiyikxik

L

yx

yx

yxyx

=

=

=

=

=

+

+−−−−−

(4.8)

1ψ menyatakan amplitudo, dengan L2 adalah luas daerah sistem. Dengan demikian,

fungsi gelombang menjadi

( )( )( )

yikxik

iyxe

seLyx

yxyx +

=

=

1

2

1,ψ

,ψ,ψ

2

1 . (4.9)

Diasumsikan gelombang datang dengan sudut ϕ relatif terhadap x pada daerah

I, lalu menyebar di daerah II dengan sudut θ relatif terhadap x (Gambar 4.2).

Gambar 4.21 Definisi sudut dan vektor-vektor gelombang di 3 daerah berbeda [16]

Potensial tidak mengalami perubahan sepanjang sumbu y, sehingga

komponen y dari momentum konservatif,

yIIIy

IIy

Iy kkkk === . (4.10)

Potensial di daerah 1 dan 3 sama dan karena konservasi momentum, maka

xIIIx

Ix kkk == . (4.11)

Persamaan Schrödinger pada daerah 2 adalah

( )( )

=

+

−II

II

II

II

yIIxF

yIIxF EVikkv

ikkvV

2

1

2

1

0

0

ψ

ψ

ψ

ψ

. (4.12)

Perhitungan lebih lanjut menghasilkan vektor gelombang pada arah x di daerah II

Page 45: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

51

51

( )( )

( )( )

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( )( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( )

( )( )

2

2

20

2

22202

20

222

10

01

201

102

2201

1210

2

1

201

210

ψψ

ψψ

ψψ

ψψψ

ψψψ

ψ

ψ

ψψ

ψψ

y

F

IIx

F

FyIIx

yIIxF

II

yIIxF

IIy

IIxF

IIIIy

IIxF

IIIIy

IIxF

IIIIIIy

IIxF

IIIIy

IIxF

II

II

II

IIIIy

IIxF

IIy

IIxF

II

kv

VEk

v

vkVEk

VEkkv

ikkv

VEVEikkv

VEikkv

VEikkv

EVikkv

EikkvV

E

E

Vikkv

ikkvV

−−

=

−−=

−=+

−−=+

−=+

−=−

=++

=−+

=

++

−+

(4.13)

dan

( ) ( ) 2220

tancos

sintan

yF

y

IIx

IIy

x

y

x

y

kvVE

k

k

k

k

k

k

k

k

k

−−=====

. (4.14)

Fungsi gelombang di tiap daerah dapat dituliskan sebagai berikut:

Daerah I

( ) ( )( )

( )

+

=

+−

+ ykxki

i

ykxki

iI yxyx e

sere

seLyx

11

2

1,ψ , (4.15)

dengan r adalah koefisien amplitudo gelombang yang direfleksikan di daerah I dan

koefisien amplitudo gelombang datang dianggap bernilai 1.

Daerah II

( ) ( )( )

( )

+

=

+−

+ ykxki

i

ykxki

iII y

IIxy

IIx e

esbe

esa

Lyx

11

2

1,ψ , (4.16)

dengan a adalah koefisien amplitudo gelombang yang ditransmisikan dan b adalah

koefisien amplitudo glombang yang direfleksikan di daerah II.

Daerah III

( ) ( )ykxki

iIII yxe

set

Lyx +

=

1

2

1,ψ , (4.17)

Page 46: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

52

52

dengan t adalah koefisien amplitudo gelombang yang ditransmisikan di daerah III.

Daerah III tidak memiliki gelombang yang direfleksikan.

Koefisien a, b, r, dan t dapat dicari dengan menggunakan syarat kontinyuitas

fungsi gelombang:

Syarat 1

( ) ( )yy III ,0ψ,0ψ = : Fungsi gelombang di daerah I harus sama dengan fungsi

gelombang di daerah II untuk x = 0,

( ) ( )

( ) ( ) . 1

11

2

111

2

1

+

=

+

+

=

+

−−

−−

iiii

yik

ii

yik

ii

bes

b

aes

a

sre

r

se

ees

bes

aL

ese

rseL

yy

. (4.18)

Syarat 2

( ) ( )yDyD IIIII ,ψ,ψ = : Fungsi gelombang di daerah II harus sama dengan fungsi

gelombang di daerah III untuk x = D,

( )

( ) . 11

1

2

111

2

1

Diki

Diqi

Diqi

yikDiki

yikDiqi

Diqi

xxx

yxyxx

este

te

esbe

esa

eese

tL

eees

bees

aL

=

+

=

+

(4.19)

Dari kedua syarat di atas, didapatkan empat persamaan

bar +=+1 , (4.20a)

( ) ( ) −− +=+ iiii besaessrese , (4.20b)

DikDiqDiq xxx tebeae =+− , dan (4.20c)

( ) ( ) ( )DkiDqiDqi xxx stebesaes +−−+=+ . (4.20d)

Persamaan (4.20c) dan (4.20d) menghasilkan (Lampiran 1.1)

( )( )

.2 Diqii

iixae

esse

esseb

−+

−−= (4.21)

Nilai b yang diperoleh, selanjutnya disubstitusikan ke persamaan (4.20a) (Lampiran

1.2)

( )( )( ) ( )

.cos2sin2

1

DqsDqise

eressea

xxi

Diqii x

++−

++=

−−

(4.22)

Page 47: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

53

53

Nilai a disubstitusikan kembali ke persamaan (4.21) dan menghasilkan

( )( )

( )( )( ) ( )

( )( )( ) ( )DqsDqise

eresse

eDqsDqise

eresse

esse

esseb

xxi

Diqii

Diq

xxi

Diqii

ii

ii

x

x

x

++−

+−−=

++−

++

+

−−=

−−

cos2sin2

1

cos2sin2

1 2

(4.23)

Selanjutnya, untuk mendapatkan r digunakan persamaan (4.20b) (Lampiran 1.3)

( ) ( ) ( )( ) ( )

( )

.

1cos2sin2

sin2cos2

i

i

A

xxi

xxi

ii

seA

seAr

rDqsDqise

DqiDqsesrees

+

−−=

+++−

−−=−

(4.24)

Kemudian dengan menghitung pembilang (Lampiran 1.4) dan penyebut (Lampiran

1.5), diperoleh nilai r

( )( )( ) ( ) ( )( )DqiDqssDq

ssDqier

xxx

xi

coscoscossinsinsinsin

sinsinsin

−−

−= . (4.25)

Setelah memperoleh kuantitas r, langkah selanjutnya adalah menghitung

probabilitas refleksi R dari monolayer graphene (Lampiran 1.6).

( )( )( ) ( )

.coscoscossinsin1sin

sinsinsin22222

22

DqssDq

ssDqR

rrR

xx

x

+−

−=

=

(4.26)

Kemudian dilakukan perhitungan transmitansi (T) (Lampiran 1.7) dan diperoleh

( )( ) ( )DqssDq

Txx

22222

22

coscoscossinsin1sin

coscos

+−= . (4.27)

Untuk V0 >> E, ( ) ( )

00tan222

0

=→−−

==

yF

y

IIx

IIy

kvVE

k

k

k

, sehingga

persamaan (4.27) menjadi

Page 48: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

54

54

( )( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )( )

.sincos1

cos

sinsincoscos

cos

sincossin1

cos

sincoscos

cos

22

2

2222

2

222

2

222

2

DqT

DqDqDq

DqDq

DqDqT

x

xxx

xx

xx

−=

+−=

+−=

+=

(4.28)

Untuk kondisi resonansi, ,...1,0dengan == nnDqx , T = 1 atau transmisi

maksimum.

4.2 Bilayer Graphene Untuk Menekan Terobosan Klein

Kalkulasi pada monolayer graphene memberikan hasil transmitansi

maksimum, artinya elektron dapat menembus potensial perintang secara sempurna.

Kondisi ini mengakibatkan “on” secara terus-menerus, sehingga tidak bisa

digunakan untuk membuat transistor. Dalam pembuatan transistor dibutuhkan

kondisi “on” dan “off”. Sebagai upaya untuk memperoleh kondisi demikian, maka

dilakukan kalkulasi terobosan Klein pada bilayer graphene dengan harapan dapat

memberikan jawaban atas kelemahan monolayer graphene.

Ditinjau spektrum energi rendah pada bilayer graphene (Gambar 4.3)

Gambar 4.22 Spektrum energi di sekitar titik K pada bilayer graphene [9]

Hamiltonian dari sebuah elektron pada bilayer graphene adalah

( )( )

+

−−=

0

0

2

22

yx

yx

ikk

ikk

mH

(4.29)

Page 49: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

55

55

Persamaan Schrӧdinger pada daerah ke-i adalah

( )( )

( ) ( ) ( )rr kkisi

is

yx

yx VEkik

kik

mψψ

0ˆˆ

ˆˆ0

2 2

22

−=

+

−−

(4.30)

Fungsi gelombang spinor 2D diberikan oleh

( )

( )

1,2,3

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψψ

wavesevanescent ψ

ψψ

ψ

ψψ

wavesgpropagatin ψ

ψψ

ψ

ψψ

ψψψψψ

42

41

32

31

22

21

12

11

42

414

32

313

22

212

12

111

4321

=

+

+

+

=

+++=

−−

i

eedecebea

eeee

eeee

dcba

yikx

i

ix

i

ixik

i

ixik

i

iis

yikx

i

yikx

i

yikxik

i

yikxik

i

iiiiiiiiis

yixixixix

yixyix

yixyix

r

r

k

k

(4.31)

Masing-masing propagating waves dan evanescent waves disubstitusikan ke

persamaan (4.30) (Lampiran 2.1 – 2.4) dan menghasilkan

i414

2

41

i313

2

31

i2122

2

21

i1121

2

11

ψ1

ψ

ψ ψ

1

ψ

ψ

ψ1

ψ

ψ ψ

1

ψ

ψ

−=

−=

=

=

iiiiii

iii

iii

hshs

eses ii

(4.32)

dengan

( ) ( )iiiyixixii hkkEVs sinsin1 , 2 , sgn 222−+=+=−=

Fungsi gelombang sebagai solusi persamaan Schrӧdinger dapat dituliskan

( ) yikx

iii

x

iii

xiki

ii

xiki

ii

is

yixixix

i

ix

iee

hsde

hsce

esbe

esa

−+

−+

+

=

−−

i41i

31i

212i

112 ψ

1ψ rk

atau secara ringkas

( )( )( )

=

yx

yxi

iis

,

2

1

rk (4.33)

dengan

( )

( ) ( ) yikx

i

ixii

xkii

xkiii

i

yikxi

xi

xiki

xiki

i

yixixiixiix

yixixixix

eeh

dehcebeas

eedecebea

−−+=

+++=

−+−+

−−

222

1

(4.34)

Page 50: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

56

56

Persamaan (4.33) berimplikasi pada bentuk fungsi gelombang yang berbeda

di masing-masing daerah. Untuk kasus berkas elektron datang tegak lurus pada

potensial perintang (ϕ = 0) dan V0 > E:

s2 = -s1 = -s3 = -1

Daerah 1

yik

xixikixik

xxikxiky

xxx

xxx

eehcebea

ecebea

−+

++=

−−+

11111

111

112

12

1

1111

(4.35)

Suku yikx yIxeh

d +−−

1

1 hilang karena bernilai ≈ ∞ untuk x → ∞, sehingga d1 harus nol

supaya memenuhi fungsi gelombang yang diizinkan.

Daerah 2

yikxxixikixik

xxxikxik

y

xxxx

xxxx

ee

h

dehcebea

edecebea

++−−

+++

= −−−+

−−

222222

2222

2

222

22

22

22222

(4.36)

Daerah 3

yikxixik

xxik

y

xx

xx

ee

h

dea

edea

+

= −+

333

33

3

323

333

(4.37)

Suku →−+ xehc yikx yIx untuk 33

, sehingga c3 harus bernilai nol. b3 bernilai nol

karena b3 merupakan amplitude kompleks dari gelombang yang merambat ke kiri,

sedangkan di daerah 3 tidak ada gelombang yang merambat ke kiri.

Selanjutnya, untuk mendapatkan transmitansi pada bilayer graphene

diberlakukan syarat-syarat kontinyuitas fungsi gelombang:

Syarat 1 ( ) ( )yy ,0,0 21 =

Dari syarat 1 diperoleh

2222111

2222111

dcbacba

dcbacba

++−−=−+

+++=++ (4.38a)

Syarat 2 0untuk 21

=

=

x

xx

Dari syarat 2 diperoleh

22222222111111

22222222111111

kdkcikbikakcikbika

kdkcikbikakcikbika

−++−=−−

−+−=+− (4.38b)

Page 51: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

57

57

Syarat 3 ( ) ( )yDyD ,, 32 =

Dari syarat 3 diperoleh

DkDikDkDkDikDik

DkDikDkDkDikDik

edeaedecebea

edeaedecebea112222

112222

332222

332222

−−−

−−−

−=++−−

+=+++ (4.38c)

Syarat 4 Dxxx

=

=

untuk

32

Dari syarat 4 diperoleh

DkDikDkDkDikDik

DkDikDkDkDikDik

ekdeikaekdekceikbeika

ekdeikaekdekceikbeika112222

112222

131322222222

131322222222

−−−

−−−

+=−++−

−=−+− (4.38d)

dengan xxxx kkkk 222111 dan ====

Berangkat dari persamaan (4.38a) sampai (4.38d), selanjutnya dihitung

koefisien transmisi (t) dan diperoleh

( ) ( ) DkDk eikkeikk

kik

a

at

22 212

212

21

1

3 4

−−+==

− (4.39)

dan probabilitas transmisi T diperoleh

( ) ( ) 22

212

221

22

22

212

4sinh

4

kkDkkk

kktT

++== . (4.40)

Untuk kasus ϕ yang tidak sama dengan nol, rumus transmisi T tidak bisa

diperoleh secara analitik sehingga membutuhkan metode numerik tertentu untuk

memecahkannya. Permasalahan ini rencananya akan dikaji pada tahapan skripsi.

Page 52: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

58

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil Praktik Kerja Lapangan (PKL) di P2 FISIKA–LIPI dengan

topik “Praktik Fisika Teoritis dan Komputasi Untuk Analisis Fenomena Terobosan

Klein dalam Material Graphene” dapat disimpulkan bahwa penulis bisa

mereproduksi hasil penelitian terdahulu, yakni monolayer graphene tidak baik jika

digunakan sebagai bahan pembuat transistor karena fenomena terobosan Klein pada

monolayer graphene dominan, menghasilkan transmisi sempurna. Dengan kata lain,

monolayer graphene tidak memiliki kondisi “off”.

Kemudian dilakukan kalkulasi terhadap fenomena terobosan Klein pada

bilayer graphene sebagai upaya untuk mendapatkan bahan yang baik untuk

transistor. Hasil kalkulasi tersebut menunjukkan bahwa probabilitas transmisi pada

bilayer graphene meluruh secara eksponensial bergantung pada tinggi dan lebar

perintang. Dengan demikian, ada peluang bilayer graphene menjadi material yang

baik untuk transistor karena terobosan Klein dapat diatur, sehingga elektron tidak

mengalir setiap saat.

5.2 Saran

Hasil belajar selama PKL perlu dilanjutkan menjadi penelitian skripsi dengan

fokus utama optimasi nilai variasi ketebalan dan tinggi perintang untuk mencari

rasio on–off sebesar-besarnya jika bilayer graphene digunakan untuk membuat

transistor.

Page 53: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

59

DAFTAR PUSTAKA

[1] H. S. Wahyudi and M. P. Sukmasari, “Teknologi dan Kehidupan

Masyarakat,” J. Anal. Sosiol., vol. 3, no. 1, pp. 13–24, 2014.

[2] D. Krass, T. Nedorezov, and A. Ovchinnikov, “Environmental Taxes and

The Choice of Green Technology,” Prod. Oper. Manag., vol. 22, no. 5, pp.

1035–1055, 2013.

[3] A. D. Maynard, R. J. Aitken, T. Butz, V. Colvin, K. Donaldson, G.

Oberdörster, M. A. Philbert, J. Ryan, A. Seaton, V. Stone, S. S. Tinkle, L.

Tran, N. J. Walker, and D. B. Warheit, “Safe Handling of Nanotechnology,”

Nature, vol. 444, no. 7117, pp. 267–269, 2006.

[4] M. Laura, “Commercializing Nanotechnology,” Nat. Biotechnol., vol. 21, no.

10, pp. 1137–1143, 2003.

[5] A. Zaenudin, “Transistor: Kecil Kecil Cabe Rawit,” Tirto.id, 2018. .

[6] D. Li and R. B. Kaner, “Graphene-Based Materials,” Science (80-. )., vol.

320, no. 5880, pp. 1170–1171, 2008.

[7] K. S. Novoselov, V. I. Fal, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab, and K.

Kim, “A Roadmap for Graphene,” Nature, vol. 490, no. 7419, pp. 192–200,

2012.

[8] Y. Wu, K. A. Jenkins, A. Valdes-garcia, D. B. Farmer, Y. Zhu, A. A. Bol, C.

Dimitrakopoulos, W. Zhu, F. Xia, P. Avouris, and Y. Lin, “State of The Art

Graphene High-Frequency Electronics,” Nano Lett., vol. 12, no. 6, pp. 3062–

3067, 2012.

[9] M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, “Chiral Tunnelling and

The Klein Paradox in Graphene,” Nat. Phys., vol. 2, no. 9, pp. 620–625, 2006.

[10] T. Ohta, A. Bostwick, T. Seyller, K. Horn, and E. Rotenberg, “Controlling

the Electronic Structure of Bilayer Graphene,” Science (80-. )., vol. 313, no.

5789, pp. 951–954, 2006.

[11] A. Beiser, Konsep Fisika Modern, III. Jakarta: Erlangga, 1983.

[12] S. Rajasekar and R. Velusamy, Quantum Mechanics I, I. New York: CRC

Press, 2015.

[13] E. Latifah, “Mekanika Kuantum,” Malang, 2016.

Page 54: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

60

60

[14] G. Brocks, “Graphene : an introduction,” 2015.

[15] D. P. Nasional and U. N. Malang, “Fisika zat padat,” 2006.

[16] P. E. Allain and J. N. Fuchs, “Klein tunneling in graphene : optics with

massless electrons,” vol. 317, pp. 301–317, 2011.

[17] Y. Inou, “Electron Tunneling in Bilayer Graphene,” Tohoku University.

[18] Anonym, “Klein tunneling and ballistic transport in graphene and related

materials,” pp. 118–126.

Page 55: LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA …fisika.lipi.go.id/layanan/berkas/laporan/LA2147.pdf · LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN PUSAT PENELITIAN FISIKA (P2 FISIKA)

61