Sifat Optik Non Linier pada Molekul Terkonjugasi

Transkripsi

1 Sifat Otik Non Linier ada Molekul Terkonjuasi Setianto *, K.M. Liu, B.M. Wibawa 2 Proram Studi Fisika, Universitas Padjadjaran Bandun Jl. Raya Jatinanor KM 2, Sumedan [email protected] Abstrak Material oranik meruakan bahan yan sanat otensial untuk dikembankan dalam berbaai alikasi. Salah satu sifat yan beruna dalam alikasi otik non-linier adalah besarnya hara olarisabilitas non-linier. Denan besarnya hara olarisabilitas ini, alikasi tentan otik non-linier daat denan mudah direalisasikan. Dalam studi ini dilakukan erhitunan olarisabilitas non-linier orde kedua secara teori denan menunakan metoda semiemiris PPP ada molekul berkonjuasi donoraksetor. Hasil dari erhitunan ini menunjukkan bahwa eninkatan hara olarisabilitas non-linier orde kedua() dienaruhi oleh osisi donor-aksetor dan anjan ikatan konjuasi. Denan menambah anjan ikatan konjuasi sebesar-n (0,,2,3) hara meninkat sekitar -2 kali liat lebih besar. Katakunci: molekul terkonjuasi, otik non-linier, emodelan kuantum. Pendahuluan Teknoloi otik meruakan teknoloi terbaru dalam bidan telekomunikasi. Karena denan ditemukannya material otik non linier(onl) yan memiliki reson sanat ceat dan memiliki otensi menembankan alikasi yan bervariasi sehubunan denan ke-non linierannya. Beberaa alikasi yan samai sekaran terus dikembankan adalah otical liht modulation, oto-electronic, dan otical switchin [-2]. Material oranik terkonjuasi meruakan material yan memiliki resonsanatceat (~ 0-3 s), walauun nilai susetibilitas listrik orderkedua( (2) )-nya masih memerlukan eninkatan. Tujuan dari enelitian ini adalah menhitun hara olarisabilitas non-linier orde kedua ada sistem molekul donor-aksetor denan enaruh osisi orto, meta dan ara serta enaruh anjan ikatan konjuasi antara donor-aksetor. Perhitunan olarizabilitas order-2 dilakukan atas dasar rumusan Ward[3] dan untuk erhitunan sifat elektroniknya diunakan model elektron- dan metode erhitunan Pariser-Parr-Pole(PPP)[4]. Selanjutnya emodelan molekul ONL akan dikaji melalui arameter-arameter emiris PPP yan efektif ada sifat ONL. 2. Metode Teoritik dan Pemodelan Kuantum Sifat elomban cahayanya daat dijelaskan denan osilasi medan elektromanetik denan enyebaran kuat medan E(r,t) dan ruan r dan waktu t bervariasi. Sehina, reson olarisasi P bahan dan susetibilitas linier () berantun ada variasi r dan t. Bila menunakan domain frekuensi, maka kuat medan dinyatakan E(,k) denan frekuensi dan vektor enyebaran k. Keduanya serin diunakan untuk memahami beberaa asek otik. Tetaan dielektrik () adalah untuk media otik linier dalam frekuensi otik yan bersesuaian denan susetibilitas otik linier (), sehina daat dituliskan : () = + 4 ( ) () () Karena indeks bias n 2 = (), maka : n 2 = + 4eff TELKA, Vol.3, No., Mei 207,. 68~72 68

2 69 = + 4[ () + 2 (2) Edc + 3 (3) E 2 dc+ 3/4 (3) Eo 3 ] (2) Dari ersamaan (2), jelas bahwa indeks bias berantun ada medan luar Edc sebaai akibat dari kehadiran (2) dan (3) dari bahan. Dalam memelajari sifat otik non-linier secara mikroskoik, olarisasi molekul diaroksimasikan seerti terjadinya diol karena adanya medan listrik. Melalui endekatan Stark, eneri otensial yan ditimbulkan adalah : o o U( E) U Ei ije ie j ijke ie je k ijkle ie je kel (3) i 2 ij 3 ijk 4 ijkl o i ( E) i ije j ijke je k ijkle je kel (4) j jk jkl U o adalah eneri tana medan dan o adalah momen diol ermanen. Koefisien adalah olarisabilitas linier molekul. Koefisien dan adalah olarisabilitas otik non-linier. Selanjutnya disebut hierolarisabilitas orde satu dan dua. Menurut Ward [3], olarisabilitas daat dihitun denan rumusan sum-over-states sebaai berikut (-2;,) = m mn n m( ) n( ) ( m 2 im )( n in ) ( i )( i ) m m n n + ( m im )( n in ) Dalam ersamaan di atas, m adalah momen transisi diol antara keadaan keadaan dasar dan keadaan eksitasi m sedankan m menyatakan beda eneri kedua keadaan tersebut dan adalah eneri foton dari medan E(). Parameter m meruakan faktor redaman yan berkaitan denan umur keadaan eksitasi m. Momen transisi antara dua keadaan dihitun berdasarkan rumus : nm e m x (6) n denan x menyatakan osisi elektron ke- dalam molekul. Berdasarkan (5) dan (6) maka untuk menhitun olarisabilitas orde-2 dari suatu molekul dierlukan funsi keadaan dasar dan eksitasi berikut eneri keadaan molekul tersebut. Perumusan diol listrik diberikan e x (7) m e x (8) m Efek otik non-linier order kedua ada umumnya terjadi ada molekul berstruktur ikatan konjuasi yan tidak memiliki simetri inversi (non sentrosimetrik). Secara ekserimen olarisabilitas sistem elektron yan bersankutan ternyata daat ditinkatkan oleh kehadiran uus donor dan aksetor, denan sistem ikatan konjuasi sebaai jembatan yan menhubunkan uus donor dan aksetor. Guus-uus tersebut masin-masin bertindak sebaai enarik dan endoron elektron. Sebaai contoh dierlihatkan molekul DANS sebaai :

3 70 N(CH 3 ) 2 Gambar. Molekul donor-aksetor DANS Guus N(CH3)2 berfunsi sebaai donor dan NO2 sebaai aksetor. Ikatan ranka antara kedua rin benzene berfunsi sebaai jembatan yan menhubunkan kedua uus. Besarnya hara antara lain dienaruhi oleh kekuatan donor-akstor,. anjan jembatan antar benzena ada sistem elektron- osisi encantolan uus donor dan aksetor dan jenis unsur-unsur yan ada di seanjan jembatan sistem elektron-. Berbaai ekserimen telah dilakukan untuk menyelidiki enaruh jenis uus aksetor ada [5,6,7]. Membesarnya ada umumnya disertai denan ereseran ke arah elomban anjan. Guus aksetor yan baik adalah yan mudah menerima elektron, dan salah satu arameter yan berkaitan denan itu adalah afinitas elektron dari uus itu. Perhitunan olarizabilitas order-2 dilakukan denan menunakan metode Pariser-Parr- Pole(PPP) untuk menetahui struktur elektronik molekul dan Confiuration Interaction (CI) untuk erhitunan eksitasi elektronik melalui arameter-arameter emiris yan efektif ada sifat ONL. Dalam enelitian ini, hasil erhitunan berantun ada arameter-arameter yan diunakan dalam roram komutasinya denan menunakan otensial ionisasi dan afinitas elektron dari uus donor dan aksetor seerti dalam tabel. Tabel. Potensial ionisasi dan afinitas elektron dari beberaa jenis uus donor dan uus aksetor(handbook of Physics and Chemistry, 993) Donor Ionisasi(eV) Afinitas (ev) Aksetor Ionisasi (ev) Afinitas (ev) OH CH 3 N(CH 3) CN COCH 3 CHO Hasil dan Analisa 3.. Penaruh Posisi Aksetor ada Benzena Untuk memahami efek osisi donor-aksetor diilih hara-hara otensial ionisasi dan afinitas elektron : I =. ev dan A = 0.8 ev untuk donor (), dan I = 9.8 ev dan A = 2.3 ev untuk aksetor (). Posisi donor-aksetor dikonfiurasikan ada osisi, (a) orto, (b) meta dan (c) ara. Hasil erhitunan untuk ketia osisi tersebut adalah osisi ara memiliki hara ß yan alin besar dibandin ada osisi meta atau orto. Urutan tersebut kemunkinan berkaitan denan anjan rantai ikatan berkonjuasi antara donor dan aksetor. Dari ambar, jelas bahwa osisi ara memunyai hara ß yan tini sekitar 70 x 0-30 esu ada eneri foton.7 ev. Sedankan osisi meta dan osisi orto sekitar 20 x 0-30 esu ada eneri yan sama Penaruh Panjan Ikatan Konjuasi Penaruh anjan ikatan konjunsi daat dilihat ada Gambar 2 di bawah ini.

4 7 Beta (0E-30 esu) meta benzena ara benzena orto benzena 0 0,5,5 2 Eneri foton(ev) Gambar 2. Polarisabilitas orde-2 dari benzena denan asanan donor-aksetor ada konfiurasi (a) orto, (b) meta dan (c) ara. NH2 Tabel.2. Penaruh anjan ikatan konjuasi ada hara Sistem molekul (0-30 esu) NO2 =.7 ev NO2

5 72 4. Kesimulan Berdasarkan hasil dari erhitunan, daat disimulkan bahwa ada osisi ara, olarisabilitas non-linier orde kedua(ß) menunjukkan hara yan alin besar dibandinkan ada molekul donor-aksetor denan osisi orto mauun osisi meta. Hara ß daat ditinkatkan denan memeranjan ikatan konjuasi antar uus donor dan uus aksetor. Pada erhitunan ini ditunjukkan denan meninkatnya hara sekitar - 2 kali liat. Guus donor yan baik adalah uus yan memunyai otensial ionisasi kecil. Hasil erhitunan adalah uus N(CH 3) 2 meruakan donor yan alin baik. Guus aksetor yan baik adalah uus yan memiliki afinitas elektron kecil. Dalam hal ini adalah uus. Daftar Pustaka [] T. Kaino and S. Tomaru, Adv. Materials 5, 72(993) [2] K.Y Won A. K-Y.Jen. V.P. Rao and K.J. Drost, Jurnal Chem. Phys, 00, 688(994) [3] J. Ward, Rev. Mod. Phys, 37, (965) [4] Levine, Elementary Quantum Chemistry, (998) [5] Prasad P.N. and D.J. William, Introduction to Nonlinear Otical Effect in Molecules and Polymers, (99) [6] Alex K-Y, Mat. Res. Soc. Sym. Proc. 328, 43, (994) [7] K.Y. Won, Mat. Res. Soc. Sym. Proc. 328, 43, (994)