Introduction to Biomaterials

Selamat Datang Dalam Kuliah Terbuka Ini

1Kuliah terbuka kali ini berjudulMengenal Sifat Material II2Disajikan olehSudaryatno Sudirhammelaluiwww.darpublic.com 3Sesi 2 Elektron Dalam PadatanBerdasarkan sifat fisik dan mekanik, Seitz mengidentifikasi zat padat sebagai berikut:Metal : memiliki koefisien temperatur resistivitas positif, konduktivitas listrik dan thermal tinggi, bisa dibentuk secara plastisKristal ionik : konduktivitas listrik dan thermal rendah, tidak plastis. (NaCL)Kristal kovalen : keras, konduktivitas listrik dan thermal rendah. (Intan).Semikonduktor : ikatan kovalen, konduktivitas listrik rendah, koefisien temperatur negatif.Berdasarkan konduktivitas listriknya kita membedakan material sebagai

konduktorsemikonduktordielektrikMaterial dengan ikatan van der Waals.makin tinggi nomer atom, atom akan makin kompleks, tingkat energi yang terisi makin banyak. Kompleksitas ATOMKemungkinan terjadinya transisi elektron dari satu tingkat ke tingkat yang lain semakin banyakSodiumHidrogen5,143456723456734567345674567E [ eV ]0123456 s p d fMolekul lebih kompleks dari atom; tingkat-tingkat energi lebih banyak karena energi potensial elektron yang bergerak dalam medan yang diberikan oleh banyak inti atom tidaklah sederhana. Lebih dari itu, energi vibrasi dan rotasi atom secara relatif satu terhadap lainnya juga terkuantisasi seperti halnya terkuantisasinya energi elektron pada atom. Transisi dari satu tingkat ketingkat yang lain semakin banyak kemungkinannya, sehingga garis-garis spektrum dari molekul semakin rapat dan membentuk pita. Timbullah pengertian pita energi yaitu kumpulan tingkat-tingkat energi yang sangat rapat. Molekul024642810E [ eV ]123stabiltak stabilR0jarak antar atomPenggabungan dua atom H H2Pada penggabungan dua atom, tingkat energi dengan bilangan kuantum tertinggi akan terpecah lebih duluElektron yang berada di tingkat energi terluar disebut elektron valensi; elektron valensi berpartisipasi dalam pembentukan ikatan atom.Elektron yang berada pada tingkat energi yang lebih dalam (lebih rendah) disebut elektron inti; Gambaran tentang terbentuknya molekul dapat diperluas untuk sejumlah atom yang besar yang tersusun secara teratur, yaitu kristal padatan.n = 1n = 2n = 3Jarak antar atomEnergiPadatanDalam penggabungan N atom identik, setiap tingkat energi terpecah menjadi N tingkat dan setiap tingkat akan mengakomodasi sepasang elekron dengan spin yang berlawanan ( ms = ).0510151020300E [ eV ]sodium2pR0 = 3,67 3s3p4s3dCara penempatan elektron pada tingkat-tingkat energi mengikuti urutan sederhana: tingkat energi yang paling rendah akan terisi lebih dulu, menyusul tingkat di atasnya, dan seterusnya.EF , tingkat energi tertinggi yang terisi disebut tingkat Fermi, atau energi Fermi.Pada 0o K semua tingkat energi sampai ke tingkat EF terisi penuh, dan semua tingkat energi di atas EF kosong .Pada temperatur yang lebih tinggi, beberapa tingkat energi di bawah EF kosong karena elektron mendapat tambahan energi untuk naik ke tingkat di atas EF .11Elektron valensi yang berada pada tingkat energi Fermi ataupun di atas energi Fermi, berada pada salah satu tingkat energi yang dimiliki oleh kristal. Jumlah tingkat energi yang dimiliki oleh kristal sangat banyak dan sangat rapat sehingga hampir merupakan perubahan yang kontinyu. Oleh karena itu, elektron pada tingkat energi Fermi yang bergerak dalam kristal dapat dipandang sebagai elektron bebas.Elektron yang bergerak dengan kecepatan tertentu memiliki energi kinetik dan bilangan gelombang, k, tertentu.

Gerakan elektron tersebut mengalami hambatan karena ada celah energi.Adanya celah energi membuat energi elektron tidak lagi merupakan fungsi kontinyu dari k 2 seperti yang dinyatakan oleh persamaan energi tersebut di atasModel ZonaElektron sebagai gelombang mengikuti hukum defraksi Bragg.

Ada satu seri nilai k yang membuat elektron terdefraksi sehingga tidak dapat melewati kristal secara bebas.Untuk elektron dalam kristal, seri nilai k ini terkait dengan celah energi.Nilai k dari defraksi Bragg memberikan dua set gelombang diam (standing wave) dengan nilai energi yang berbeda; selisih antara keduanya adalah lebar celah energi.d = jarak antar bidang kristal; = sudut datang; n = bilangan bulat.Model elektron bebas yang memberikan energi sebagai fungsi kontinyu dari k 2 harus dimodifikasi dengan memutus fungsi kontinyu tersebut dengan celah energi pada nilai k yang memberikan defraksi BraggkECelah energiCelah energik2+k2k1+k1Zona BRILLOUINZona Brillouin adalah representasi tiga dimensi dari nilai k yang diperkenankanGambar Satu Dimensi:Celah energiCelah energizone pertamazone keduakEk2+k2k1+k1

k tergantung dari arah relatif gerak elektron terhadap kristala = jarak antar atomDua Dimensi:

/a 2/a+ /a+ 2/a /a+ /a+ 2/a 2/aZona pertama Zona kedua kxkyTiga Dimensi:

Zone kedua terdiri dari piramida dengan tinggi /a dan dasar 2/a terletak di permukaan kubus dari zone pertama kxkzky+/a/a+/a/a+/a/aZone pertama kristal kubikPada metal dengan kirstal BCC dan FCC, setiap zona memuat jumlah status kuantum sama dengan jumlah atom yang membentuknyaUntuk kristal dengan N atom, ada N status di zona pertamaKarena setiap tingkat energi berisi 2 elektron, maka pada kristal monovalen ada N/2 status kuantum terendah yang terisi; zona pertama hanya terisi setengahnya. Di samping mengetahui jumlah status di tiap zona, perlu diketahui juga jumlah status kuantum untuk setiap energi; yaitu degenerasi sebagai fungsi energi. Emisi ElektronElektron bebas dalam metal tidak meninggalkan metal, kecuali jika mendapat tambahan energi yang cukup++++xEFEnergiHampaeFemittercollectorcahayaVSumbertegangan variabelAIVV0x lumen2x lumen3x lumen0Pada tegangan ini semua elektron kembali ke katoda (emitter)Laju keluarnya elektron (arus) tergantung dari intensitas cahaya tetapi energi kinetiknya tidak tergantung intensitas cahaya Energi kinetik elektron = e V0Peristiwa photolistrikIVV01=5000 (biru)V02V03=5500 (hijau)=6500 (merah)Intensitas cahaya konstan tetapi panjang gelombang berubahPhoton dengan energi hf diserap elektron di permukaan metal sehingga elektron tersebut mendapat tambahan energi. Jika pada awalnya elektron menempati tingkat energi tertinggi di pita konduksi dan bergerak tegak lurus ke arah permukaan, ia akan meninggalkan emitter dengan energi kinetik maksimum Ek maks= hf eEnergi yang diterimaEnergi untuk mengatasi hambatan di permukaan(dinding potensial)tingkat energi terisihfEFeEk maksEk < Ek makshfJika V0 (yang menunjukkan energi kinetik) di-plot terhadap frekuensi:Rumus Einstein:

Vof12Slope = h/eMetal 1Metal 2 Peristiwa Emisi ThermalPada temperatur tinggi, sebagian elektron memiliki energi kinetik yang lebih tinggi dari energi rata-rata elektron sehingga dapat melampaui work function ( e ).AVvakumpemanaskatodaanodaJika arus cukup tinggi, terjadi saling tolak antara elektron di ruangan sehingga elektron dengan energi rendah tidak mencapai anoda.Muatan ruang makin berpengaruh jika arus makin tinggi. Arus akan mencapai kejenuhan.IVVMakin tinggi temperatur katoda, akan makin tinggi energi elektron yang keluar dari permukaan katoda, dan kejenuhan terjadi pada nilai arus yang lebih tinggi.IVVT1T2T3Kejenuhan dapat diatasi dengan menaikkan VITV1V2V3Pada tegangan yang sangat tinggi, dimana efek muatan ruang teratasi secara total, semua elektron yang keluar dari katoda akan mencapai anoda. Persamaan Richardson-Dushman

kerapatan aruskonstanta dari material k = konstanta Boltzman = 1,381023 joule/oKITV1V2V = ~Nilai tergantung dari temperatur :

pada 0o K

koefisien temperatur

pada kebanyakan metal murniPersamaan Richardson-Dushman menjadi:

Persamaan Richardson-Dushman

?1,621,9290303Cs0,602,5800983Ba0,603,415002123Th0,554,221002873Mo0,4 0,64,123003271Ta0,0604,525003683WA[106amp/m2 oK2work function[eV]temp. kerja[OK]titik leleh[OK]Material katodaPeristiwa Emisi SekunderJika elektron dengan energi tinggi (yang disebut elektron primer) ditembakkan ke permukaan metal, elektron dapat keluar dari permukaan metal (yang disebut elektron sekunder).Energi kinetik elektron sekunder tidak harus tergantung dari energi kinetik elektron yang membentur permukaan.Efisiensi emisi sekunder dinyatakan sebagai rasio jumlah elektron sekunder, Is terhadap jumlah elektron primer yang membentur permukaan, Ip. Rasio ini disebut secondary emission yield, , dan merupakan fungsi dari energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan.Jika energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan terlalu rendah hanya sedikit dihasilkan emisi sekunder.Jika energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan terlalu tinggi hanya sedikit juga dihasilkan emisi sekunder. Hal ini disebabkan karena elektron yang membentur permukaan metal sempat masuk (penetrasi) ke dalam metal sebelum terjadi benturan dengan elektron bebas dalam metal.Elektron bebas yang menerima tambahan energi mengalami tabrakan-tabrakan sebelum mencapai permukaan, dan mereka gagal keluar dari permukaan metal.Akibatnya adalah sebagai fungsi dari energi berkas elektron, mempunyai nilai maksimum.Ek00maksEk maks13004,8Al2O350010,2BeO4002,5gelas7001,43W5501,3Ni3751,25Mo4000,9Cs6001,35Cu3000,97AlEk [eV]maksemitterEfek SCHOTTKYDalam peristiwa emisi thermal telah disebutkan bahwa kenaikan medan listrik antara emitter dan anoda akan mengurangi efek muatan ruang.IV1V2V3Medan yang tinggi juga meningkatkan emisi karena terjadi perubahan dinding potensial di permukaan katoda. Medan E memberikan potensial eEx pada jarak x dari permukaan ++++xEFEnergix0emedan listrik tinggi V = eExenilai maks dinding potensial penurunan work functionHadirnya medan listrik pada permukaan katoda, selain menurunkan work function juga membuat dinding potensial menjadi lebih tipis.++++xEFEnergiemedan listrik sangat tinggi V = eExejarak tunneling penurunan work functionPeristiwa Emisi Medan Kuliah TerbukaMengenal Sifat Material IISesi-2Sudaryatno Sudirham34