FABRIKASI KRISTAL FOTONIK ASIMETRIK SATU DIMENSI DENGAN DEFEK GEOMETRIS TAHYUDI

Transkripsi

1 FABRIKASI KRISTAL FOTONIK ASIMETRIK SATU DIMENSI DENGAN DEFEK GEOMETRIS TAHYUDI DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 28

2 Tahyudi (G741328). FABRIKASI KRISTAL FOTONIK ASIMETRIK SATU DIMENSI DENGAN DEFEK GEOMETRIS. Dibimbing oleh Mahfuddin Zuhri, M.Si dan Mamat Rahmat S.Si Abstrak Telah berhasil difabrikasi kristal fotonik asimetrik multilayer dengan defek geometris di atas subtrat berupa lensa BK7, FDS.9, N.BAF 1 dan gelas monitor dengan indeks bias berbedabeda dengan menggunakan metode electron beam evaporation. Hasil fabrikasi dikarakterisasi menggunakan Spektrofotometer UV-Vis 121 untuk menganalisis spektrum transmisi, lebar dan posisi band pass. Hasil karakterisasi spektrum transmisi menunjukkan munculnya penomena band pass. Lebar dan posisi band pass memiliki kesamaan dengan hasil teori. Dari hasil fabriksi juga dibuat devais kristal fotonik untuk menguji sifat sensing dari piranti kristal fotonik. Variasi sampel yang digunakan untuk menguji sifat sensing yaitu jenis larutan (gula dan garam) dan konsentrasi larutan gula. Hasil uji sensing menunjukkan pada konsentrasi sama larutan gula dan garam menghasilkan bentuk spektrum transmisi yang sama tetapi berbeda nilai transmitansinya untuk setiap panjang gelombang terutama pada transmitansi puncak band pass. Pada variasi konsentrasi larutan gula menunjukkan perubahan konsentrasi mengakibatkan perubahan transmitansi puncak band pass. Kata kunci : kristal fotonik, defek, electron beam evaporation, band pass.

3 FABRIKASI KRISTAL FOTONIK ASIMETRIK SATU DIMENSI DENGAN DEFEK GEOMETRIS Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor Oleh : Tahyudi G DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 28

4 Judul : Fabrikasi Kristal Fotonik Asimetrik Satu Dimensi dengan Defek Geometris Nama : Tahyudi NRP : G Menyetujui, Pembimbing I Pembimbing II Mahfuddin Zuhri,M.Si NIP Mamat Rahmat, S.Si. Mengetahui, Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor Dr. Drh. Hasim, DEA NIP Tanggal Lulus :

5 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 21 Desember 1982 dari pasangan Bapak Mausin dan Ibu Minah. Penulis merupakan putra keempat dari lima bersaudara. Tahun 23 penulis lulus dari SMUN 49 Jakarta dan pada tahun yang sama diterima di Institut Pertanian Bogor, Program Studi Fisika, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah aktif sebagai staff divisi Departemen Pengembangan Sumber Daya Manusia DKM Al Hurriyyah periode 23-24, Ketua Departemen Kerohanian Himpunan Mahasiswa Fisika periode 24-25, Ketua Departemen Pengembangan Sumber Daya Manusia Lembaga Dakwah Fakultas SERUM G. Penulis pernah menjadi Asisten Pendidikan Agama Islam pada tahun 26.

6 i KATA PENGANTAR Assalamu alaikum Wr. Wb. Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas Rahmat dan Ridho-Nya penulisan skripsi ini dapat diselesaikan. Sholawat serta Salam tercurah kepada Rasulullah SAW. Skripsi ini berjudul : Fabrikasi Kristal Fotonik Asimetrik I D dengan Defek Geometri sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si) pada Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Mahfudin Zuhri M.Si, Dr. Husin Alatas,Dr.Akhiruddin Maddu M.Si dan Bapak Mamat Rahmat, S.Si yang telah memberikan dukungan sebagai pembimbing dalam mengerjakan skripsi ini.ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Kepala Departemen Fisika IPB dan Pimpinan PT. Honoris Industry atas kesempatan yang diberikan untuk dapat melaksanakan penelitian ini. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, untuk itu saran dan koreksi dari semua pihak akan sangat berguna untuk perbaikan penulisan skripsi ini. Wassalamu alaikum Wr. Wb. Bogor, April 28 Tahyudi

7 ii DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR LAMPIRAN... i ii iii iv iv PENDAHULUAN... 1 Latar Belakang... 1 Tujuan Penelitian... 1 TINJAUAN PUSTAKA... 1 Persamaan Gelombang EM pada kristal fotonik Satu Dimensi (1 D)... 1 Pemantulan dan Pembiasan Gelombang Datar... 2 Pemantulan pada Hukum Bragg 2 Reflektansi dan Transmitansi... 2 Kondisi Quarter-Wave Stack... 2 Kristal Fotonik 1 D tanpa Defek... 3 Kristal Fotonik 1 D dengan Satu Defek Geometri Simetrik Pengaruh lebar defek terhadap band pass... 4 Kristal fotonik 1 D dengan Satu Defek Geometri Asimetrik... 5 Pengaruh indeks bias medium background terhadap band pass... 5 Material coating (MgF 2 dan ZrO 2 )... 7 Metode Deposisi Electron Beam Evaporation... 7 Spektroskopi UV-Vis... 8 METODOLOGI PENELITIAN... 9 Tempat dan Waktu Penelitian... 9 Bahan dan Alat... 9 Persiapan Subtrat... 9 Persiapan Deposisi... 1 Proses Deposisi... 1 Karakterisasi Spektrum Tranmisi, Lebar dan Posisi Band Pass Piranti Kristal Fotonik Multilayer... 1 Pembuatan Device Kristal Fotonik... 1 Uji Sifat Sensing Piranti Kristal Fotonik HASIL DAN PEMBAHASAH Hasil Karakterisasi Spektrum Transmisi, Lebar dan Posisi Band Pass Piranti Kristal Fotonik Multilayer Hasil Uji Sifat Sensing Piranti Kristal Fotonik KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 16

8 iii DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Pemantulan dan pembiasan gelombang datar... 2 Gambar 2.2 Struktur kristal fotonik 1D sederhana tanpa defek... 3 Gambar 2.3 Selang frekuensi band gap pada kurva transmitansi... 4 Gambar 2.4 Struktur kristal fotonik 1D sederhana dengan satu defek geometris simetrik Gambar 2.5 Fenomena band pass pada kurva transmitansi... 4 Gambar 2.6 Kurva transmitansi 1D finite dengan satu defek geometris simetrik, N = M = 4. Grating terdiri atas dua lapis: GaAs ( n = ) ZnTe ( n = ) dan untuk kasus normal incident dan polarisasi TE-TM dengan nilai m bervariasi: (a). (b) (c) Gambar 2.7 Struktur kristal fotonik 1D sederhana dengan satu defek geometris asimetrik... 5 Gambar 2.8 Kurva transmitansi 1D finite dengan N = M = 4 dengan satu defek geometris asimetrik. Grating terdiri atas dua lapis (bilayer): ( n ) dan ZnTe ( n 78 ) GaAs = 3, 1 61 n 2 = 2. dengan variasi nilai untuk sudut datang... 6 Gambar 2.9 Kurva transmitansi 1D finite dengan N = M = 4 dengan satu defek geometris asimetrik. Grating terdiri atas dua lapis (bilayer): GaAs ( n 61) dan ZnTe ( n 78 ) untuk sudut datang 45 Gambar 2.1 Hubungan 1 = 3, n 2 = 2. dengan variasi nilai : (a). 1 (b) (c) n terhadap T untuk sistem kristal satu defek geometris asimetrik. GaAs ( n = ) dan ZnTe ( n = ) ω = ω dan sudut datang: (a) dan (b) saat Gambar 2.11 Gambar mesin electron beam evaporation bagian luar... 8 Gambar 2.12 Gambar mesin electron beam evaporation bagian dalam... 8 Gambar 2.13 Skema sebuah spektrofotometer UV-Vis... 9 Gambar 2.14 Skema sebuah monokromator dengan kisi refleksi... 9 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian... 9 Gambar 3.2 Letak subtrat pada yatoi dan dome dalam chamber... 1 Gambar 3.3 Model Struktur kristal fotonik multilater yang dideposisi dengan metode electron beam evaporation... 1 Gambar 3.4 Gambar Spektrofotometer UV-Vis Gambar 3.5 Model Device Kristal Fotonik Gambar 3.6 Set up pengukuran sifat sensing piranti kristal fotonik Gambar 4.1 Hasil pengukuran spektrum transmitansi piranti kristal fotonik multilayer, ulangan 1 dan 2 serta hasil simulasi Gambar 4.2 Hasil pengukuran spektrum transmitansi piranti kristal fotonik multilayer indeks bias subtrat 1.5, 1.52, 1.67, Gambar 4.3 Kurva indeks bias subtrat terhadap transmitansi puncak band pass Gambar 4.4 Hasil pengukuran spektrum transmitansi piranti kristal fotonik multilayer posisi subtrat pada yatoi dan dome Gambar 4.5 Hasil pengukuran sifat sensing piranti kristal fotonik variasi sampel larutan gula 2 M dan garam 2 M Gambar 4.6 Hasil pengukuran sifat sensing piranti kristal fotonik sampel larutan gula 1 M, 1.25 M, 1.5 M, 1.75 M, 2 M, 2.25 M dan 2.5 M Gambar 4.7 Kurva hubungan konsentrasi terhadap transmitansi puncak band pass untuk larutan gula... 13

9 iv DAFTAR TABEL Halaman Tabel 4.1 Hasil pengukuran indeks bias real material penyusun piranti kristal fotonik DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Hasil pengukuran spektrum transmitansi piranti kristal fotonik multilayer subtrat BK7 (n=1.52) ulangan Lampiran 2. Hasil pengukuran spektrum transmitansi piranti kristal fotonik multilayer subtrat BK7 (n=1.52) ulangan Lampiran 3. Hasil pengukuran spektrum transmitansi piranti kristal fotonik multilayer subtrat Gelas Monitor (n=1.5) Lampiran 4. Hasil pengukuran spektrum transmitansi piranti kristal fotonik multilayer subtrat FDS.9 (n=1.8)... 2 Lampiran 5. Hasil pengukuran spektrum transmitansi piranti kristal fotonik multilayer subtrat N.BAT.1 (n=1.67) Lampiran 6. Uji sensing Larutan Garam 2 M Lampiran 7. Uji sensing Larutan Gula 2 M Lampiran 8. Uji sensing Larutan Gula 1 M Lampiran 9. Uji sensing Larutan Gula 1.25 M Lampiran 1. Uji sensing Larutan Gula 1.5 M Lampiran 11. Uji sensing Larutan Gula 1.75 M Lampiran 12. Uji sensing Larutan Gula 2 M Lampiran 13. Uji sensing Larutan Gula 2.25 M Lampiran 14. Uji sensing Larutan Gula 2.5 M... 3

10 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Photonic crystal (PC) merupakan struktur medium dielektrik yang periodik, terdiri dari susunan dua atau lebih bahan dielektrik dan bahan non-dispersif dengan indeks bias refraksi berbeda serta ketebalan dalam orde panjang gelombang operasi. Perambatan radiasi gelombang elektromagnetik (EM) pada medium periodik memiliki sifat-sifat yang menarik dan fenomena yang bermanfaat seperti munculnya pita terlarang atau photonic band gap (PBG) pada selang frekuensi tertentu. Photonik band gap terjadi jika gelombang EM datar yang kontinu masuk ke struktur PC. Sebagian gelombang tersebut direfleksikan oleh setiap lapisan batas medium dielektrik yang berbeda, dan setiap gelombang yang direfleksikan sefase dan saling bertumpangan sehingga terjadi interferensi konstruktif pada gelombang refleksinya serta menyebabkan pemantulan total pada selang panjang gelombang disekitar panjang gelombang operasinya. (Mayditia.H,25) Pada PC, selain menghasilkan PBG dapat juga menghasilkan transmitansi penuh di dalam PBG (band bass) untuk struktur kristal yang diberi defek. Ketika struktur kristal diberi defek, foton yang berasal dari pancaran gelombang EM akan terlokalisasi di sekitar cacat, menimbulkan peningkatan medan yang besar (Gilles,24). Akibatnya terbentuk mode resonansi di dalam PBG dimana frekuensi gelombang EM datar yang datang sama dengan frekuensi mode cacat kristalnya, sehingga mengakibatkan band bass. Lebar dan posisi band pass ini ternyata sangat bergantung pada karakteristik material (indeks bias) dan geometri (lebar) lapisan defeknya. Pada kristal fotonik dengan satu defek geometri, pengaruh indeks bias medium background (n ) sangat sensitif terhadap transmitansi band pass, sehingga pemilihan indeks bias medium background dapat digunakan untuk aplikasi sensor terutama untuk karakterisasi material berupa fluida (gas atau cair). Mekanisme yang mungkin digunakan adalah dengan menempatkan PC dalam lingkungan yang ingin diketahui subtansi fluida penyusunnya melalui indeks bias yang terukur oleh system sensor dan tranduser. ( Negara, T.P,26). Tujuan Penelitian 1. Membuat piranti kristal fotonik asimetrik yang terdiri dari 1 layer, tersusun dari material MgF 2 dan ZrO 2 dengan defek geometri, dibuat dengan metode Elektron Beam Evaporation. 2. Menganalisis spektrum transmitansi, lebar dan posisi band pass piranti kristal fotonik asimetrik. 3. Membuat devais kristal fotonik dan menguji sifat sensingnya yang dapat diamati dari perubahan transmitansi puncak band pass pada panjang gelombang operasi karena variasi konsentrasi atau jenis dari sampel. TINJAUAN PUSTAKA Persamaan Gelombang EM pada Kristal Fotonik Satu Dimensi (1 D) Gelombang EM yang masuk ke kristal fotonik, terdri dari tiga bagian; yakni gelombang yang masuk dari medium background, gelombang yang menyebar dalam kristal dan gelombang yang keluar ke medium background.(sulistiyo.b, 26). Gelombang EM yang tiba pada bidang batas kristal fotonik (misalnya n 1 dan n 2 ), pada umumnya akan terbagi menjadi dua gelombang, yakni gelombang bias yang terus bergerak ke dalam medium dua (n 2 ) dan gelombang pantul yang bergerak kembali ke dalam medium satu (n 1 ). Persamaan gelombang datang, gelombang pantul, dan gelombang bias untuk medan listrik masing-masing dapat diungkapkan oleh gelombang datar harmonis monokromatik berikut ini: i( ωt ki. r) i( ωt kr. r) i( ωt kt. r) Ee, E e, Ee (1) i r t Persamaan (1) merupakan salah satu solusi persamaan gelombang elegtromagnetik untuk medan listrik yang diturunkan dari persamaan Maxwell yakni : 2 2 Hr (,) t µε 2 = (2) t Er (,) t yang solusinya: H( r, t) H i( ω t kr ) = e (3) Er (, t) E dengan H dan E merupakan vektor amplitudo medan magnet dan listriknya.