STurn SIFAT VIBRASI LOKAL SEMIKONDUKTOR AMORF SILIKON KARBON (a-sic:h)1

Transkripsi

1 Prosidin Pertemuan l/miah Sains Materi /SSN /4/ STurn SIFAT VIBRASI LOKAL SEMIKONDUKTOR AMORF SILIKON KARBON (a-sic:h)1 % Efta Yudiarsah2 dad Rosari Saleh2,3 ABSTRAK STUDI 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 metode cluster Be/he la/lice telah digunakan untuk menghitung kerapatan keadaan vibrasi lokal pada material ini. Kerapatan keadaan vibrasi lokal ini dihitung untuk kasus silikon dominan dan karbon dominan dengan menggunakan struktur tetrahedral. Pada kasus karbon dominan, kerapatan keadaan lokal yang dihitung memperlihatkan mode vibrasi Sin 1vagging yang sesuai dengan hasil eksperimen (RObel e/ a11987) Oari kedua kasus ini dapat diperlihatkan bahwa sifat vibrasi lokal sangat dipengaruhi oleh struktur lingkungan lokal. ABSTRACT STUDY 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. These density of states were calculated by employing cluster Bethe lattice method and Born potential models in silicon dominating cases and carbon dominating cases for tetrahedral structure. In carbon dominating cases, calculated local density of states shows SiH wangging mode of vibration in a good agreement with experimental result (Rllbel et al 1987). From these two cases, it can be shown that these local vibrational properties are influenced very much by local environment structure. KEY WORD Bethe lattice, cluster, mode of vibration, Born potential PENDAHULUAN Sifat elektronik material a-sic:h memberikan peluang aplikasi yang luas dari material ini pada peralatan optoelektronik. Prospek pabrikasi peralatan yang menggunakan material ini telah menarik banyak perhatian peneliti untuk melakukan penelitian pada material ini baik secara teori maupun eksperimen. Penelitian ini meliputi sifat elektronik clan vibrasi material ini. Adapun applikasi material ini pada peralatan optoelektronik diantaranya pada alat photovoltaicelectrochromic [1], penganalisa spektrum optik untuk rentang cahaya tampak [2], clan detektor bias-controlled three-colom [3]. Selain yang disebutkan diatas, material ini dapat juga digunakan pada alat-alat yang lain. Diantaranya; photodetector dengan respon spektrum yang bervariasi [4], photodetector ultraviolet [5] clan light emiting diode cahaya tampak dengan menggunakanthinfilm [6]. Berbagai teknik pembuatan telah dikembangkan untuk mendapatkan material a-sic:h dengan sifat elektronik tertentu. Selain pengembangan teknik pembuatan, juga dilakukan pembuatan material ini dengan menggunakan parameter yang berbeda. Untuk pengembangan lebih lanjut, dilakukan penelitian secara teori pada material ini. Tujuan dari semua usaha ini adalah untuk mendapatkan peralatan optoelektronik dengan kemampuan kerja terbaik. Sifat elektronik suatu material sangat dipengaruhi oleh sifat vibrasi material tersebut. Karena itu, untuk mendapatkan pengertian yang baik tentang sifat elektronik suatu material diperlukan pengetahuan yang cukup tentang sifat vibrasi material tersebut. Sifat vibrasi ini dapat dipelajari secara eksperimen dengan menggunakan spektroskopi infra merah, hamburan Raman dan NMR. Dengan spektroskopi ini akan didapatkan mode vibrasi lokal yang ada pada material tersebut. Untuk mempelajari sifat vibrasi material a-sic:h secara teori digunakan metode cluster Bethe lattice (CBL). Metode ini, merupakan pengembangan metode Bethe lattice, dapat membahas keteraturan rentang pendek secara eksak meskipun tak dapat membedakan topologi susunan atom-atom [7]. Kedua metode ini awalnya digunakan untuk mempelajari kerapatan keadaan elektronik pada bahan semikonduktor amorf [8,9]. Kemudian digunakan untuk mempelajari kerapatan keadaan vibrasi pada bahan amorf [10,11]. Di sini, metode CBL dipakai bersama dengan model energi potensial Born. Pada model energi ini tidak diperlukan konstanta berupa jarak antar atom. Tujuan paper ini adalah untuk memperlihatkan sifat vibrasi material amorf silikon karbon (a-sic:h) melalui pembahasan kerapatan keadaan lokal yang dihitung. Sifat vibrasi ini sangat tergantung pada struktur ikatan lokal yang I Dipresentasikan pada Pertemuan IImiah Sains Materi Program Studi ilmu Fisika, Program Pascasarjan -VI 3.llIrusan Fisika -FMIP A,

2 Pros;d;nI! Pertemuan //m;ah Sa;ns Mater; ISSN /4/ mungkin ada. Disini digunakan dua pendekatan yaitu pendekatan karbon dominan dan pendekatan silikon dominan. Paper ini diorganisasikan sebagai berikut. Pada bagian 2 akan dibahas teori dan metode perhitungan yang digunakan. Pada bagian 3 akan dibahas hasil perhitungan kerapatan keadaan lokal. Dan pada bagian terakhir akan dikemukakan rangkuman dati bagian sebelumnya. TEORI DAN METODE PERHITUNGAN Metode CBL digunakan pada penelitian ini untuk mempelajari sifat vibrasi pada material a-sic:h. Metode ini diterapkan dengan menggunakan struktur tetrahedral clan model energi potensial Born. Gaya-gaya antar atom pada model potensial Born dibatasi antar tetangga terdekat seperti pada model Keating [12]. Energi potensial elastis dalam model Born untuk sistem dengan struktur tetrahedral dapat ditulis sebagai berikut: 7' 4 17 = ~ {~[(--- ", "} ).-]2 rij + ~ 4 (--- ", "} )2}, (I) dengan U; clan U j adalah perpindahan atom i clan j. Sedangkan r;; adalah unit vektor yang menghubungkan kedua atom. Perlu diingat bahwa penjumlahan pada persamaan (I) diatas dilakukan terhadap seluruh atom di sistem. Dalam model Born ini dibedakan dua jenis gaya yaitu gaya sentral yang diberikan oleh 2pta clan gaya nonsentral yang diberikan oleh a-po Persamaan (I) diatas digunakan dalam persamaan gerak. Solusi persamaan gerak ini dapat dicari dengan mempergunakan fungsi Green. Persamaan gerak atom-atom yang bervibrasi dapat ditulis sebagai sebuah persamaan Dyson, [E- D]G = j, (2) D merupakan matrik dinamis yang didapat dengan menggunakan 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 silikon dominan clan Bethe lattice karbon dibuat untuk kasus karbon dominan. Untuk menyelesaikan Bethe lattice digunakan teknik matrik transfer/medan efektif. Struktur tetrahedral yang simetri digunakan pada pembuatan Bethe lattice sehingga medan efektif di tiap arah ikatan dapat diperoleh. Metode CBL digunakan untuk mempelajari struktur ikatan lokal yang ada pada lapisan tipis amorf silikon karbon (a-sic:h). Struktur ikatan lokal yang mungkin ada di material a-sic:h meliputi ikatan Si-C, Si-H, atau C-H. Untuk melibatkan ikatan-ikatan ini pada metode CBL digunakan cluster yang mempunyai grup SiHn dad CHn. Seperti terlihat pada Gambar I, cluster dengan grup CHn adalah Si3CH, Si2CH2, dad SiCH3o Sedangkan cluster dengan grup SiHn adalah C3SiH, C2SiH2, dad CSiH3. S~"i i~~ s~r8h ~ H~ (3) (b) ;;r' (d) (e) Gambar Skema cluster yang ada di struktur lokal material a-sic:h; (a) cluster Si3CH, (b) cluster Si2CH2, (c) cluster SiCH3, (d) cluster C3SiH, (e) cluster C2SiH2, dan (f) cluster CSiH3. Tabell. Konstanta gaya untuk model Born Kerapatan keadaan lokal dihitung dengan menggunakan konstanta-konstanta gaya untuk tiap ikatan. Oalam studi ini, konstanta gaya yang digunakan diperoleh melalui perhitungan mode vibrasi yang terdapat di beberapa literatur [13,14]. Konstanta-konstanta ini diberikan pada Tabel I. HASIL DAN PEMBAHASAN Kasus Karbon Dominan 392

3 Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi /SSN/ Kerapatan keadaan lokal pada kasus karbon dominan dihitung untuk cluster CSiH3, C2SiH2, clan C3SiH. Gambar 2 memperlihatkan hasil perhitungan kerapatan keadaan lokal pada atom Si, H clan C di cluster C3SiH. Terlihat adanya mode resonansi di sekitar 224 cm-1 clan 630 cm-l. Mode di 630 cm-1 merupakan mode yang terjadi karena atom H clan atom Si bergetar secara berlawanan rase. Mode ini bersesuaian dengan mode SiH wagging yang menurut hasil eksperimen berada di daerah dari 630 cm-1 sampai 670 cm-1 [15]. Pada cluster C3SiH terdapat mode resonansi di daerah fonon acoustike yaitu pada frekuensi 224 cm-l. Mode ini merupakan mode yang terjadi karena getaran atom Si,C clan H, dimana atom Si bergetar sefase dengan atom H. Hasil yang hampir sarna juga diperoleh pad a perhitungan kerapatan keadaan lokal untuk cluster C2SiH2. Adanya dihidrit SiH2 menyebabkan timbulnya tiga mode resonansi pada 627 cm-l, 638 cm-1 clan 652 cm-1 seperti terlihat pada Gambar 3. Mode resonansi pada 638 cm-1 clan 652 cm-1 merupakan vibrasi yang berlawanan rase antara atom-atom Si clan H. Mode pada 638 cm-1 merupakan mode SiH wagging seperti yang diperoleh oleh Agrawal, dkk. [14}. Sedangkan mode vibrasi di sekitar 627 cm.1 terjadi karena vibrasi atom-atom Si, C, clan H secara bersamaan. Mode resonansi di sekitar frekuensi 224 cm-1 yang terlihat pada cluster C3SiH tidak tampak pada cluster C2SiH2. Hal ini terlihat pada Gambar 3 berupa rendahnya kerapatan keadaan lokal pada atom H, clan tidak adanya puncak di sekitar frekuensi 224 cm-1 pada kerapatan keadaan lokal di atom C. resonansi yaitu di 638 cm-1 clan 655 cm-l. Mode di sekitar 638 cm-1 terjadi karena getaran Si, C clan H secara berlawanan rase. Sedangkan mode di sekitar 655 cm-1 merupakan getaran berlawanan rase atom Si clan H. 2'" 4'" "'".." "'" 12()(' ",(cm') Gambar 2 Kerapatan keadaan lokal pada cluster C3SiH dari a-sic.h. Hasil perhitungan kerapatan keadaan lokal untuk cluster CSiH3 diperlihatkan pada Gambar 4. Pada kerapatan keadaan lokal ini terlihat dua mode Seperti pada cluster C2SiH2, mode resonansi di sekitar frekuensi 224 cm-1 juga tidak terlihat di kerapatan keadaan lokal cluster CSiH3. Hal ini jelas terlihat pada Gambar 4 berupa hilangnya kerapatan keadaan lokal pada atom H, dan tidak adanya pulll:ak di sekitar frekuensi 224 cm-1 pada kerapatan keadaan lokal di atom C. Kasus Silikon Dominan Kerapatan keadaan lokal kasus silikon dominan akan dihitung dengan menggunakan cluster Si3CH, Si2CH2, dad SiCH3. Gambar 5 memperlihatkan basil perhitungan kerapatan keadaail lokal pacta atom C, H, dan Si di cluster Si3CH. Terlihat adanya mode resonansi di sekitar 227 cm-1 dan 465 cm-l. Mode resonansi di sekitar 393

4 Prosidin Pertemuan //miah Sains Mater; /SSN /4/ cm-1 merupakan vibrasi sefase atom-atom C, Si dan H, sedangkan mode di sekitar 465 cm-1 merupakan vibrasi yang berlawanan rase atomatom Si dan C. Empat mode resonansi diperoleh dari perhitungan kerapatan keadaan lokal cluster Si2CH2 yaitu di sekitar 164 cm-l, 225 cm-l, 295 cmcl, dan 482 cm-1 seperti diperlihatkan pada Gambar 6. Vibrasi sefase atom-atom Si, C, dan H menghasilkan mode resonansi di sekitar 164 cm-1 dan 225 cm-l, sedangkan untuk vibrasi berlawanan rase terjadi di sekitar 482 cm-l. Mode resonansi di 295 cm-1 terjadi karena vibrasi atom C dan H. Sedangkan pada kerapatan keadaan lokal untuk cluster SiCH3 diperoleh tiga mode resonansi yaitu di sekitar 119 cm-', 229 cm-l, dad 480 cm-1 seperti terlihat padagambar 7. Mode resonansi di sekitar 119 cm-1 dad 229 cm-1 merupakan mode vibrasi sefase atom Si, C dad H. Sedangkan Mode resonansi di sekitar 480 cm-1 merupakan mode vibrasi berlawanan rase atom Si, C dad H. Hasil perhitungan kerapatan keadaan lokal kasus silikon dominan memperlihatkan adanya pergeseran mode resonansi di sekitar 227 cm-1 dan 465 cm-1 untuk cluster Si3CH menjadi 225 cm-1 dan 485 cm-1 untuk cluster SizCHz, dan menjadi 229 cm-1 dan 480 cm-1 untuk cluster SiCH3. Pergeseran mode resonansi juga terjadi dari 164 cm-1 untuk cluster SizCHz menjadi 119 cm-1 untuk cluster SiCH3. Pergeseran mode resonansi tersebut terjadi karena perbedaan konstanta gaya efektifuntuk setiap cluster. Gambar 7 Kerapatan keadaan lokal pacta cluster SiCH3 dari a-sic.h. KESIMPULAN IfN' 2'N' "N' 4'N' 500 (,(K' w (em ') Gambar 5 Kerapatan keadaan toka! pada cluster Si3CH dari a-sic.h. Sifat vibrasi material a-sic:h, untuk kasus Si dominan dad C dominan, telah dipelajari dengan menggunakan metode CBL dan model potensial Born. Dari kerapatan keadaan lokal yang dihitung dengan metode CBL dapat diketahui mode-mode vibrasi lokal yang terjadi karena struktur ikatan lokal yang berbeda. Dari sini terlihat bahwa untuk struktur ikatan lokal yang berbeda akan didapatkan keadaan vibrasi yang berbeda O. 04 ;f;t " ~ oz " '" 00 8 u... UCAP AN TERIMA KASIH Studi ini terlaksana atas dukungan Gelman- Indonesia Corporation Program of BMBF (I.NT- KF A JUlich) DAFTARPUSTAKA "., 2'M' 3(M) 4(M' SIX' 600.,(an') Gambar 6 Kerapatan keadaan lokal pada cluster Si2CH2 dari a-sic.h. [1]. BULLOCK, J. N., et. al., Journal of Noncrystalline Solids, 1163, (1996), [2]. CAPUTO, D., et. al., Journal of Noncrystalline Solids, 1172, (1996),

5 E!:osid;nf! Pertemuan 11m;ah Sa;ns Mater; ISSN [3]. TOPIC, MARCO, et. al., Journal of Noncrystalline Solids, 1180,(1996), [4]. DE CESARE, G., et. al., Journal of Noncrystalline Solids, 1189, (1996), [5]. DE CESARE, GIAMPIERO, et. al., Journal of Non-crystalline Solids, 1198, (1996), [6]. BOONKOSUM, W., et. al., Journal ofnoncrystalline Solids, 1226, (1996), [7]. YNDURArN, FELIX, N. S., PABITRA, Physical Review B, 14, (1976) [8]. THORPE, M. F., WEAIRE, D., clan ALLEN, R., Physical Review B, 7, (1973)3777. [10]. LAUGHLIN, R. B., JOANNOPOULOS, J. D.,et al., Physical Review Letters, 40, (1978) 461. [II]. MARTINEZ, E., CARDONA, MANUEL, Physical Review B, 28, (1983)880. [12]. KEATING, P. N., Phys. Rev. 145, (1966)637. [13]. BRODSKY, M. H., CARDONA, MANUEL, dad CuoMO, J. J., Physical Review B, 16, (1977)3556. [14]. AGRAWAL, BAL K., YADAV, P. S., and GHOSH, B. K., Physical Review B, 39, (1989)7876. (9]. JOANNOPOULOS, J. D., YNDURAIN, F., Physical Review B, 10, (1974) [15]. ROBEL H., et. a/., Phys. Stat. So/. (b) 112., (1987)