Prosidin Pertemuan l/miah Sains Materi /SSN /4/0 -2897

STurn SIFAT VIBRASI LOKAL SEMIKONDUKTORAMORF SILIKON KARBON (a-SiC:H)1

%

Efta Yudiarsah2 daD Rosari Saleh2,3

ABSTRAKSTUDI SIFAT VI BRAS I LOKAL SEMIKONDUKTOR AMORF SILIKON KARBON (a-SiC:"). Sifat vibrasi pada

material a-SiC:" telah dipelajari dengan cara menghitung kerapatan keadaan vibrasi lokal. Model potensial Born dan metodecluster Be/he la/lice telah digunakan untuk menghitung kerapatan keadaan vibrasi lokal pada material ini. Kerapatan keadaanvibrasi lokal ini dihitung untuk kasus silikon dominan dan karbon dominan dengan menggunakan struktur tetrahedral. Pada kasuskarbon dominan, kerapatan keadaan lokal yang dihitung memperlihatkan mode vibrasi Sin 1vagging yang sesuai dengan hasileksperimen (RObel e/ a11987) Oari kedua kasus ini dapat diperlihatkan bahwa sifat vibrasi lokal sangat dipengaruhi oleh strukturlingkungan lokal.

ABSTRACTSTUDY OF LOCAL VIBRATIONAL PROPERTIESIN AMORPHOUS SILICON CARBON (a-SiC:H) SEMICON-

DUCTOR. Vibrational properties of material a-SiC:H has been studied by calculating local vibrational density of states. Thesedensity of states were calculated by employing cluster Bethe lattice method and Born potential models in silicon dominating casesand carbon dominating cases for tetrahedral structure. In carbon dominating cases, calculated local density of states shows SiHwangging mode of vibration in a good agreement with experimental result (Rllbel et al 1987). From these two cases, it can beshown that these local vibrational properties are influenced very much by local environment structure.

KEY WORDBethe lattice, cluster, mode of vibration, Born potential

PENDAHULUAN

Sifat elektronik material a-SiC:H memberikanpeluang aplikasi yang luas dari material ini pada

peralatan optoelektronik. Prospek pabrikasiperalatan yang menggunakan material ini telahmenarik banyak perhatian peneliti untukmelakukan penelitian pada material ini baik secarateori maupun eksperimen. Penelitian ini meliputisifat elektronik clan vibrasi material ini.

Adapun applikasi material ini pada peralatanoptoelektronik diantaranya pada alat photovoltaic-electrochromic [1], penganalisa spektrum optikuntuk rentang cahaya tampak [2], clan detektorbias-controlled three-colom [3]. Selain yangdisebutkan diatas, material ini dapat jugadigunakan pada alat-alat yang lain. Diantaranya;

photodetector dengan respon spektrum yangbervariasi [4], photodetector ultraviolet [5] clanlight emiting diode cahaya tampak dengan

menggunakanthinfilm [6].Berbagai teknik pembuatan telah

dikembangkan untuk mendapatkan materiala-SiC:H dengan sifat elektronik tertentu. Selainpengembangan teknik pembuatan, juga dilakukanpembuatan material ini dengan menggunakanparameter yang berbeda. Untuk pengembanganlebih lanjut, dilakukan penelitian secara teori padamaterial ini. Tujuan dari semua usaha ini adalahuntuk mendapatkan peralatan optoelektronikdengan kemampuan kerja terbaik.

Sifat elektronik suatu material sangatdipengaruhi oleh sifat vibrasi material tersebut.Karena itu, untuk mendapatkan pengertian yangbaik tentang sifat elektronik suatu material

diperlukan pengetahuan yang cukup tentang sifatvibrasi material tersebut. Sifat vibrasi ini dapatdipelajari secara eksperimen dengan menggunakanspektroskopi infra merah, hamburan Raman danNMR. Dengan spektroskopi ini akan didapatkanmode vibrasi lokal yang ada pada materialtersebut.

Untuk mempelajari sifat vibrasi materiala-SiC:H secara teori digunakan metode clusterBethe lattice (CBL). Metode ini, merupakanpengembangan metode Bethe lattice, dapatmembahas keteraturan rentang pendek secaraeksak meskipun tak dapat membedakan topologisusunan atom-atom [7]. Kedua metode ini awalnyadigunakan untuk mempelajari kerapatan keadaanelektronik pada bahan semikonduktor amorf [8,9].Kemudian digunakan untuk mempelajarikerapatan keadaan vibrasi pada bahan amorf[10,11]. Di sini, metode CBL dipakai bersamadengan model energi potensial Born. Pada modelenergi ini tidak diperlukan konstanta berupa jarakantar atom.

Tujuan paper ini adalah untuk memperlihatkansifat vibrasi material amorf silikon karbon(a-SiC:H) melalui pembahasan kerapatan keadaanlokal yang dihitung. Sifat vibrasi ini sangattergantung pada struktur ikatan lokal yang

I Dipresentasikan pada Pertemuan IImiah Sains Materi 19972 Program Studi ilmu Fisika, Program Pascasarjan -VI3 .llIrusan Fisika -FMIP A, 01

391

Pros;d;nI! Pertemuan //m;ah Sa;ns Mater; ISSN /4/0 -2897

mungkin ada. Disini digunakan dua pendekatanyaitu pendekatan karbon dominan dan pendekatansilikon dominan. Paper ini diorganisasikan sebagaiberikut. Pada bagian 2 akan dibahas teori danmetode perhitungan yang digunakan. Pada bagian3 akan dibahas hasil perhitungan kerapatankeadaan lokal. Dan pada bagian terakhir akandikemukakan rangkuman daTi bagian sebelumnya.

simetri digunakan pada pembuatan Bethe latticesehingga medan efektif di tiap arah ikatan dapat

diperoleh.Metode CBL digunakan untuk mempelajari

struktur ikatan lokal yang ada pada lapisan tipisamorf silikon karbon (a-SiC:H). Struktur ikatanlokal yang mungkin ada di material a-SiC:Hmeliputi ikatan Si-C, Si-H, atau C-H. Untukmelibatkan ikatan-ikatan ini pada metode CBLdigunakan cluster yang mempunyai grup SiHn daDCHn. Seperti terlihat pada Gambar I, clusterdengan grup CHn adalah Si3CH, Si2CH2, daDSiCH3o Sedangkan cluster dengan grup SiHnadalah C3SiH, C2SiH2, daD CSiH3.

TEORI DAN METODE PERHITUNGAN

S~"ii~~ s~r8H~

(3) (b)

Metode CBL digunakan pada penelitian iniuntuk mempelajari sifat vibrasi pada materiala-SiC:H. Metode ini diterapkan denganmenggunakan struktur tetrahedral clan modelenergi potensial Born. Gaya-gaya antar atom padamodel potensial Born dibatasi antar tetanggaterdekat seperti pada model Keating [12].

Energi potensial elastis dalam model Bornuntuk sistem dengan struktur tetrahedral dapatditulis sebagai berikut:

17 = ~ {~[(--- ).-]2 ~ (--- )2 } (I)7' 4 ", "} rij + 4 ", "} ,

dengan U; clan U j adalah perpindahan atom i clan

j. Sedangkan r;; adalah unit vektor yang

menghubungkan kedua atom. Perlu diingat bahwapenjumlahan pada persamaan (I) diatas dilakukanterhadap seluruh atom di sistem. Dalam modelBorn ini dibedakan dua jenis gaya yaitu gaya

sentral yang diberikan oleh 2pta clan gaya non-

sentral yang diberikan oleh a-poPersamaan (I) diatas digunakan dalam

persamaan gerak. Solusi persamaan gerak inidapat dicari dengan mempergunakan fungsiGreen. Persamaan gerak atom-atom yangbervibrasi dapat ditulis sebagai sebuah persamaan

Dyson,[E- D]G = j , (2)

D merupakan matrik dinamis yang didapat denganmenggunakan model energi potensial Born,E = mill 2 I , I clan G adalah matrik identitas

clan fungsi Green.Selanjutnya kerapatan keadaan lokal (LDOS)

pada atom kej dapat diperoleh dari fungsi Green,clan diberikan oleh

N}((J») = -~lm[Tr(GJi(ro))]. (3)

Dalam penerapan metode CBL pada studi ini,Bethe lattice silikon dibuat untuk kasus silikondominan clan Bethe lattice karbon dibuat untukkasus karbon dominan. Untuk menyelesaikanBethe lattice digunakan teknik matriktransfer/medan efektif. Struktur tetrahedral yang

H~(d)

;;r'(e)

Gambar Skema cluster yang ada distruktur lokal material a-SiC:H;(a) cluster Si3CH, (b) clusterSi2CH2, (c) cluster SiCH3,(d) cluster C3SiH, (e) clusterC2SiH2, dan (f) cluster CSiH3.

Tabell. Konstanta gaya untuk model Born

Kerapatan keadaan lokal dihitung denganmenggunakan konstanta-konstanta gaya untuk tiapikatan. Oalam studi ini, konstanta gaya yangdigunakan diperoleh melalui perhitungan modevibrasi yang terdapat di beberapa literatur [13,14].Konstanta-konstanta ini diberikan pada Tabel I.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kasus Karbon Dominan

392

Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi /SSN /410-2897

resonansi yaitu di 638 cm-1 clan 655 cm-l. Mode disekitar 638 cm-1 terjadi karena getaran Si, C clan Hsecara berlawanan rase. Sedangkan mode disekitar 655 cm-1 merupakan getaran berlawananrase atom Si clan H.

Kerapatan keadaan lokal pada kasus karbondominan dihitung untuk cluster CSiH3, C2SiH2,clan C3SiH. Gambar 2 memperlihatkan hasilperhitungan kerapatan keadaan lokal pada atom Si,H clan C di cluster C3SiH. Terlihat adanya moderesonansi di sekitar 224 cm-1 clan 630 cm-l. Modedi 630 cm-1 merupakan mode yang terjadi karenaatom H clan atom Si bergetar secara berlawananrase. Mode ini bersesuaian dengan mode SiHwagging yang menurut hasil eksperimen beradadi daerah dari 630 cm-1 sampai 670 cm-1 [15].

Pada cluster C3SiH terdapat mode resonansi didaerah fonon acoustike yaitu pada frekuensi 224cm-l. Mode ini merupakan mode yang terjadikarena getaran atom Si,C clan H, dimana atom Sibergetar sefase dengan atom H.

Hasil yang hampir sarna juga diperoleh pad aperhitungan kerapatan keadaan lokal untukcluster C2SiH2. Adanya dihidrit SiH2menyebabkan timbulnya tiga mode resonansipada 627 cm-l, 638 cm-1 clan 652 cm-1 sepertiterlihat pada Gambar 3. Mode resonansi pada638 cm-1 clan 652 cm-1 merupakan vibrasi yangberlawanan rase antara atom-atom Si clan H. Modepada 638 cm-1 merupakan mode SiH waggingseperti yang diperoleh oleh Agrawal, dkk. [14}.Sedangkan mode vibrasi di sekitar 627 cm.1terjadi karena vibrasi atom-atom Si, C, clan Hsecara bersamaan.

Mode resonansi di sekitar frekuensi224 cm-1 yang terlihat pada cluster C3SiH tidaktampak pada cluster C2SiH2. Hal ini terlihat padaGambar 3 berupa rendahnya kerapatan keadaanlokal pada atom H, clan tidak adanya puncak disekitar frekuensi 224 cm-1 pada kerapatan keadaanlokal di atom C.

Seperti pada cluster C2SiH2, moderesonansi di sekitar frekuensi 224 cm-1 juga tidakterlihat di kerapatan keadaan lokal cluster CSiH3.Hal ini jelas terlihat pada Gambar 4 berupahilangnya kerapatan keadaan lokal pada atom H,dan tidak adanya pUlll:ak di sekitar frekuensi224 cm-1 pada kerapatan keadaan lokal di atom C.

2'" 4'" "'" .." "'" 12()('",(cm') Kasus Silikon Dominan

Kerapatan keadaan lokal kasus silikondominan akan dihitung dengan menggunakancluster Si3CH, Si2CH2, daD SiCH3. Gambar 5memperlihatkan basil perhitungan kerapatankeadaail lokal pacta atom C, H, dan Si di clusterSi3CH. Terlihat adanya mode resonansi di sekitar227 cm-1 dan 465 cm-l. Mode resonansi di sekitar

Gambar 2 Kerapatan keadaan lokal padaSi( ),H( ) dan C( ) dicluster C3SiH dari a-SiC.H.

Hasil perhitungan kerapatan keadaan lokal untukcluster CSiH3 diperlihatkan pada Gambar 4. Padakerapatan keadaan lokal ini terlihat dua mode

393

Prosidin Pertemuan //miah Sains Mater; /SSN /4/0 -2897

Hasil perhitungan kerapatan keadaan lokal kasussilikon dominan memperlihatkan adanyapergeseran mode resonansi di sekitar 227 cm-1dan 465 cm-1 untuk cluster Si3CH menjadi225 cm-1 dan 485 cm-1 untuk cluster SizCHz, danmenjadi 229 cm-1 dan 480 cm-1 untuk clusterSiCH3. Pergeseran mode resonansi juga terjadidari 164 cm-1 untuk cluster SizCHz menjadi 119cm-1 untuk cluster SiCH3. Pergeseran moderesonansi tersebut terjadi karena perbedaankonstanta gaya efektifuntuk setiap cluster.

227 cm-1 merupakan vibrasi sefase atom-atom C,Si dan H, sedangkan mode di sekitar 465 cm-1merupakan vibrasi yang berlawanan rase atom-atom Si dan C.

Empat mode resonansi diperoleh dariperhitungan kerapatan keadaan lokal clusterSi2CH2 yaitu di sekitar 164 cm-l, 225 cm-l,295 cmcl, dan 482 cm-1 seperti diperlihatkan padaGambar 6. Vibrasi sefase atom-atom Si, C, dan Hmenghasilkan mode resonansi di sekitar 164 cm-1dan 225 cm-l, sedangkan untuk vibrasiberlawanan rase terjadi di sekitar 482 cm-l. Moderesonansi di 295 cm-1 terjadi karena vibrasi atom Cdan H.

Sedangkan pada kerapatan keadaan lokal untukcluster SiCH3 diperoleh tiga mode resonansi yaitudi sekitar 119 cm-', 229 cm-l, daD 480 cm-1 sepertiterlihat padaGambar 7. Mode resonansi di sekitar119 cm-1 daD 229 cm-1 merupakan mode vibrasisefase atom Si, C daD H. Sedangkan Moderesonansi di sekitar 480 cm-1 merupakan modevibrasi berlawanan rase atom Si, C daD H.

Gambar 7 Kerapatan keadaan lokal pactaSi( ),H( ) dan C( ) dicluster SiCH3 dari a-SiC.H.

KESIMPULAN

Sifat vibrasi material a-SiC:H, untuk kasus Sidominan daD C dominan, telah dipelajari denganmenggunakan metode CBL dan model potensialBorn. Dari kerapatan keadaan lokal yang dihitungdengan metode CBL dapat diketahui mode-modevibrasi lokal yang terjadi karena struktur ikatanlokal yang berbeda. Dari sini terlihat bahwa untukstruktur ikatan lokal yang berbeda akandidapatkan keadaan vibrasi yang berbeda.

IfN' 2'N' "N' 4'N' 500 (,(K'

w (em ')

Gambar 5 Kerapatan keadaan toka! padaSi( ),H( ) dan C( ) dicluster Si3CH dari a-SiC.H.

10

08

O.04

;f;t " ~ oZ" '" 008 u

...

UCAP AN TERIMA KASIH

Studi ini terlaksana atas dukungan Gelman-Indonesia Corporation Program of BMBF (I.NT-KF A JUlich)

DAFTARPUSTAKA

[1]. BULLOCK, J. N., et. al., Journal of Non-crystalline Solids, 1163, (1996), 198-200."., 2'M' 3(M) 4(M' SIX' 600

.,(an')

[2]. CAPUTO, D., et. al., Journal of Non-crystalline Solids, 1172, (1996), 198-200.Gambar 6 Kerapatan keadaan lokal pada

Si( ),H( ) dan C( ) dicluster Si2CH2 dari a-SiC.H.

394

E!:osid;nf! Pertemuan 11m;ah Sa;ns Mater; ISSN 1410 -2892

[10]. LAUGHLIN, R. B., JOANNOPOULOS, J. D.,et

al., Physical Review Letters, 40, (1978)461.

[3]. TOPIC, MARCO, et. al., Journal of Non-crystalline Solids, 1180,(1996), 198-200.

[4]. DE CESARE, G., et. al., Journal of Non-crystalline Solids, 1189, (1996), 198-200. MANUEL,[II]. MARTINEZ, E., CARDONA,

Physical Review B, 28, (1983)880.

[12]. KEATING, P. N., Phys. Rev. 145, (1966)637.[5]. DE CESARE, GIAMPIERO, et. al., Journal of

Non-crystalline Solids, 1198, (1996), 198-

200.[6]. BOONKOSUM, W., et. al., Journal ofNon-

crystalline Solids, 1226, (1996), 198-200. [13]. BRODSKY, M. H., CARDONA, MANUEL, daD

CuoMO, J. J., Physical Review B, 16,

(1977)3556.[7]. YNDURArN, FELIX, N. S., PABITRA,Physical Review B, 14, (1976). 531.

[14]. AGRAWAL, BAL K., YADAV, P. S., andGHOSH, B. K., Physical Review B, 39,

(1989)7876.[8]. THORPE, M. F., WEAIRE, D., clan ALLEN, R.,

Physical Review B, 7, (1973)3777.

(9]. JOANNOPOULOS, J. D., YNDURAIN, F.,Physical Review B, 10, (1974) 5164.

[15]. ROBEL H., et. a/., Phys. Stat. So/. (b) 112.,

(1987)131.

395