QUANTUM DOT

Oleh : Suhufa AlfarisaNIM.08306144005

Program Studi Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Negeri Yogyakarta

Januari 2012

Pendahuluan• Pertama ditemukan pada awal tahun 1980-an oleh

Alexei Ekimo (Rusia), Louis E.Bruss (Colombia) dan istilah quantum dot pertama kali dikenalkan oleh Mark Reed (Fisikawan Amerika)

• Termasuk ke dalam atom buatan / artificial atom• Atom Buatan : Partikel yang berukuran cukup kecil

dari logam atau semikonduktor yang muatan dan energinya terkuantisasi seperti atom sebenarnya serta memiliki muatan inti efektif yang dapat dikontrol dengan elektroda logam ( Marc A.Kastner, 1993 )

All-metal Artificial atom

Partikelnya dipisahkan dari leadnya dengan isolator tipis, dimana elektron harus menerobos / menembus untuk bisa berpindah dari satu sisi ke sisi lain.

Gambar 1a. All-metal artificial atom, warna biru merupakan logam dan putih isolator

Controlled Barrier - Atoms / Atom Perintang - Terkontrol

Gambar1b. Controlled-barrier atom. Warna biru merupakan logam, putih insulator dan merah semikonduktor

Pengurungan elektron dengan dipasang medan listrik pada Gallium Arsenide (GaAs)

Memiliki gerbang logam di bagian dasarnya dengan isolator (AlGaAs) diatasnya

Atom buatan yang lebih simpel ; Atom 2-Probe / Quantum Dot

Gambar 1c. Atom 2-probe / “quantum dot” Elektron dalam lapisan GaAs diapit antara 2 lapisan

isolator AlGaAs. Satu atau kedua isolator ini bertindak sebagai

terowongan perintang Jika kedua perintang tipis, elektron dapat

menerobos perintang

APA ITU QUANTUM DOT?

Elektron tunggal yang terjebak dalam atom ( Matt Kennedy,2008 )

‘Tetesan’ muatan buatan-manusia yang bisa berisi apa saja dari sebuah elektron tunggal hingga beberapa ribu elektron, dengan range dimensinya dari nanometer – beberapa mikro ( L. Kowenhoven & Charles Marcus, 1998 )

Pengungkungan elektron ke segala arah dalam ruang hingga nol dimensi ( Wahyu Tri Cahyanto, dkk, 2006 )

Material semikonduktor buatan berukuran nano yang membatasi gerak elektron dalam ruang dengan spektrum energi diskret

UKURAN QUANTUM DOT

Mengapa membuat quantum dot? Bagaimana membuat quantum dot?

“Mengurung” elektron dalam daerah yang kecil :• Menyelubungi partikel logam dengan insulator• Menggunakan medan listrik (di dalam

semikonduktor)• Fabrikasi struktur yang sangat kecil ; tekhnik

litografi elektron dan sinar x• Fabrikasi QD biasanya dilakukan dengan

membatasi gas elektron 2 dimensi dalam semikonduktor heterostruktur (contoh:GaAs &AlGaAs) secara lateral dengan gerbang elektrostatik sangat kecil

Lapisan pertama adalah lapisan GaAs dengan dop silikon. Lapisan ke-2, perintang AlGaAs tipis (10nm). Di atas lapisan ke-2 ada sumur kuantum GaAs. Di atas sumur ada perintang ALGaAs yang cukup tebal , dan di bagian atas kristal, kromium diendapkan yang disebut sebagai ‘gerbang’. Proses sampel tambahan di atas permukaan sampel digunakan untuk membuat gerbang yang secara lateral mengurung elektron di sumur kuantum bagian bawah dan membentuk quantum dot

Salah satu sifat quantum dot, terobosan elektron : efek kuantum yang memungkinkan elektron untuk bisa melewati potensial perintang yang tidak bisa dilewati secara klasik

Jika terobosan lemah, contoh ketika potensial perintang cukup tinggi, jumlah elektron dalam dot = N, bilangan bulat terdefinisi.

elektron dan hole di dalam quantum dot terkurung dan terbatas geraknya dalam arah tiga dimensi sehingga tingkat-tingkat energinya bernilai diskrit

Energi tambahan yang dibutuhkan untuk menambahkan 1 elektron ke dot dikenal sebagai “Blokade Coulomb” yang besarnya =

Elektron dapat menerobos perintang jika energinya

Hole dapat menerobos jika energinya Energi tersebut bisa diubah dengan mengubah

tegangan gerbang , sehingga energi elektrostatik dari muatan Q pada partikel adalah :

(1)suku pertama : gaya tarik elektrostatik dot dengan gerbang positif

suku kedua : energi pengisian muatan (charging energy) karena tolakan elektron dalam dot

Dengan memasang tegangan negatif pada gerbang, diameter dot bisa dikecilkan secara bertahap, mengurangi jumlah elektron dalam dot satu per satu.

Model Interaksi Konstan :mengasumsikan bahwa interaksi coulomb antara

elektron-elektron dalam dot dan dengan lingkungan dijelaskan oleh kapasitansi dot, C.

Spektrum energi diskret digambarkan oleh jumlah elektron dalam dot secara independen.

Dalam model ini, Energi tambahan diberikan oleh

Mengapa dibutuhkan energi tambahan?Gaya tolak elektronPrinsip larangan Pauli

Gambar 4. Arus yang mengalir melalui quantum dot pada suhu 0,1 K diukur ketika tegangan gerbang divariasi. a) Puncak pertama menandakan energi saat elektron pertama masuk ke dalam dot. b) penambahan elektron tunggal ke dalam dot bisa digambarkan dalam orbit melingkar. Kulit pertama bisa mengandung 2 elektron, kedua bisa mengandung 4 elektron dan seterusnya.

• Untuk mengukur energi yang dibutuhkan untuk menambah atau mengurangi elektron ke dalam dot dilakukan dengan mengukur arus yang mengalir dengan memvariasi tegangan gerbang

Keadaan Eksitasi dalam Quantum Dot

Gambar 5. Diagram energi untuk kasus ketika 2 elektron terjebak dalam quantum dot. Ketika tegangan rendah, elektron hanya bisa menerobos hingga keadaan elektron ke-3 (garis lurus). Tetapi pada tegangan lebih besar, elektron ke-3 juga bisa menerobos ke keadaan eksitasi selanjutnya (garis putus-putus)

KUANTISASI ENERGI

Spektrum energi diskrit ketika kita menambahkan elektron

Spektrum level energi bisa diukur secara langsung dengan mengamati arus terobosan dengan Vg tetap sebagai fungsi tegangan Vds antara drain dan source

Level fermi dalam source meningkat sebanding dengan Vds drain

Arus mengalir ketika Energi fermi dari source di atas level energi terkuantisasi pertama

Kita mengukur level energi dengan mengukur tegangan dimana arus meningkat atau tegangan dimana ada puncak dari turunan arus, dI/dVds

Titik degenerasi muatan adalah nilai Vg dimana satu dari level energi atom buatan terdegenerasi dengan energi fermi dalam lead (source/drain) ketika Vds = 0, karena hanya dengan itu muatan atom berfluktuasi

Gambar 6. Level energi diskrit dalam atom buatan dapat dideteksi dengan memvariasi tegangan source-drain . Ketika Vds yang cukup besar dipasang, elektron melewati energi gap dan menerobos dari sumber ke atom buatan. a) Tiap waktu keadaan diskret baru dapat diakses, arus meningkat dan terdapat puncak dalam dI/dVds.

Daerah blokir Coulomb pada -0,5 – 0,3 mV b) Plotting posisi puncak pada beberapa Vg memberikan level spektrum.

APLIKASI

Alat-alat optik berbasis semikonduktor seperti LED, Laser Diode, Solar Cell

Karena ukurannya mendekati Angstrom, mudah diletakkan pada elemen-elemen biologi seperti protein, DNA atau sel

Karena ukurannya kecil dan mendekati atom, bisa digunakan dalam bidang komunikasi dan transfer informasi

Aplikasi lainnya seperti elektrometer sensitif Kebanyakan aplikasi menarik lainnya melibatkan

peralatan dengan memasangkan beberapa atom buatan bersama untuk membentuk molekul buatan atau dipasangkan membentuk padatan buatan karena pasangan antara atom - atom buatan bisa dikontrol

Sumber :Leo Kouwenhoven and Charles Marcus, Quantum

Dots, 1998

Marc A. Kastner, Artificial Atoms, 1993

Matt Kennedy, Quantum Dots Future Technology, 2008

R.C.Ashoori, Electrons in Artificial Atoms, 1996

Wahyu Tri Cahyanto,dkk, Telaah Teoritis Atom Buatan, 2006