BAB I PENDAHULUAN. 1.1 Latar Belakang Masalah

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Intan adalah salah satu jenis perhiasan yang harganya relatif mahal. Intan merupakan kristal yang tersusun atas unsur karbon (C). Intan berdasarkan proses pembentukannya dapat dikelompokkan menjadi dua yakni intan alami dan sintetis. Meskipun berbeda tetapi dalam proses pembentukan keduanya sama - sama dibutuhkan kondisi lingkungan dengan suhu dan tekanan yang tinggi (Abbaschian dkk., 2005). Meskipun secara fisik intan alami memiliki warna yang transparan, tetapi sebenarnya warna intan baik itu alami maupun sintetis dapat dikelompokkan dalam jangkauan warna violet hingga warna merah (Liang dkk., 2014). Di dalam intan alami yang transparan, semua peristiwa cahaya diteruskan atau ditransmisikan sedangkan pada intan alami berwarna, cahaya mengalami penyerapan pada frekuensi tertentu. Penyerapan ini salah satunya disebabkan oleh adanya defect pada kisi kristal (Liang dkk., 2014). Defect (cacat) pada kristal dapat dikelompokkan menjadi beberapa jenis, di antaranya adalah defect vacancy (lowong/kekosongan), atom interstitial (penyisipan atom lain dengan ukuran yang lebih kecil) dari atom sebenarnya, substitusi, dan impurity (pengotoran) atom. Doping nitrogen dalam intan akan menghasilkan intan cenderung berwarna kuning (Liang dkk., 2014). Single Colour Center merupakan kandidat yang menjanjikan untuk sumber foton tunggal yang dapat dimanfaatkan dalam kuantum kriptografi dan proses informasi kuantum (Gisin dkk., 2002). Kuantum kriptografi sendiri merupakan salah satu bidang ilmu yang memanfaatkan teori kuantum dalam mempelajari teknik - teknik matematika yang berhubungan dengan keamanan informasi seperti kerahasiaan data. Berbeda dengan penelitian - penelitian sebelumnya yang berfokus pada penelitian karakteristik elektronik dan optik material intan, penelitian ini fokus pada optimasi geometri sistem defective crystal di dalam intan. Mengingat bahwa sistem yang diamati merupakan sistem yang melibatkan banyak atom dan memiliki orde yang sangat kecil (nanometer), maka diperlukan suatu metode untuk melakukan penelitian tersebut. Salah satu metode yang dapat digunakan adalah dengan metode Density Functional Theory (DFT), yakni suatu metode komputasi yang memiliki prinsip 1

2 2 penyederhanaan penyelesaian persamaan Schrödinger untuk sistem banyak partikel (many body systems) menjadi bentuk yang lebih mudah dengan prinsip perhitungan fungsi kerapatan (densitas) (Martin, 2004). Energi kinetik dari sistem elektron didekati sebagai explicit functional dari kerapatan elektron. DFT berasal dari teori statistik dari atom yang diusulkan oleh Thomas dan Fermi pada Metode ini memiliki kelebihan dibanding metode konvensional dan derivasi Hartree-Fock yakni dalam hal keakuratan hasil dan efisiensi komputasional (waktu perhitungan). Program komputasi berbasis metode DFT yang digunakan adalah PHASE. PHASE sendiri merupakan program utama dari PHASE-SYSTEM yang merupakan seperangkat program untuk menampilkan simulasi dari material berukuran nanometer. PHASE adalah program kalkulasi prinsip pertama (first-principle calculation)/ (ab initio) struktur elektron yang bekerja berdasarkan DFT dan skema potensial semu. PHASE ini dapat digunakan untuk perhitungan density of state (DOS), (band structure), dan dapat juga menampilkan simulasi molekular dinamik. Adapun jenis defectnya adalah N1 yakni substitusi satu atom nitrogen untuk salah satu atom karbon di dalam intan. Perlakuan ini akan menghasilkan sistem defective intan C 63 N 1. Penelitian terkait optimasi geometri ini sejatinya juga dilatarbelakangi oleh terbatasnya sarana komputasi yang ada. Sehingga secara sederhana akan dicari suatu pendekatan bagaimana mendapatkan suatu hasil komputasi yang efisien yang dapat mewakili keseluruhan sistem intan, tetapi efisien dari segi biaya komputasinya. 1.2 Tinjauan Pustaka Intan atau berlian merupakan salah satu benda padat yang tersusun dari konfigurasi atom C yang membentuk kristal sempurna. Warnanya yang cenderung transparan dipengaruhi oleh susunan konfigurasi atom di dalamnya. Namun, intan juga dapat mengalami defect (cacat). Ada beberapa defect pada intan, misalnya adalah adanya vacancy (kekosongan) dan adanya atom lain yang masuk ke dalam intan. Atom lain yang masuk ke dalam intan biasa disebut sebagai impurity (pengotor). Jenis zat pengotor yang paling biasa ditemukan pada intan adalah nitrogen. Jumlah massa nitrogen yang dapat ditemukan pada intan adalah sejumlah 1 % dari massa intan (Kaiser, 1959). Eyre dkk. (2005) telah melakukan penelitian terkait dengan donor atom P (Fosfor) ke dalam intan. Tujuan dari penelitian yang dilakukan ini adalah untuk menga-

3 3 nalisa karakteristik elektroniknya. Pada kasus ini metode yang digunakan adalah Theory of Jahn-Teller distortion (Teori Distorsi Jahn- Teller). Disajikan first-principles calculations untuk menjelaskan secara cermat sub-grup simetri pada satu sisi, donor tetrahedral, dan ditunjukkan bahwa C 2v, C3v, dan D2d sesuai dengan pengurangan energi total dan dicocokkan dengan teorema Jahn-Teller (Eyre dkk., 2005). Liang dkk. (2014) melakukan penelitian terkait defect pada intan dengan fokus perubahan sifat optik dari intan yang disebabkan oleh doping 2 atom nitrogen ke dalam intan. Penelitian ini biasa dituliskan N 2 V 0 yang artinya telah dilakukan substitusi 2 atom karbon dengan 2 atom nitrogen, sedangkan jumlah vacancy adalah 0. Metode komputasi yang digunakan adalah dengan menggunakan Density Functional Theory (DFT) yang dikombinasikan dengan Bethe-Salpeter Equation (BSE). Perlakuan tersebut menyebabkan intan cenderung berwarna kuning dari yang sebelumnya transparan. Dari penelitian tersebut, dapat ditarik kesimpulan bahwa munculnya warna kuning pada intan disebabkan oleh adanya atom pengotor yang didoping yakni berupa nitrogen, sedangkan defect vacancy tidak memberikan andil dalam perubahan warna tersebut. Sholihun, dkk. (2015) melakukan penelitian terkait defect pada semikonduktor seperti pada silikon dan germanium. Dengan menggunakan supercell berskala besar yakni yang terdiri dari 1728 atom, energi formasi dan konsentrasi dari silicon monovacancy didapat 3.46 ev, dan konsentrasi dari vacancy tersebut pada titik leleh silikon didapatkan 7.4x10 16 cm 3. Hasil ini konsisten terhadap hasil eksperimen. Selanjutnya, pemberian efek vibrasi ternyata dapat meningkatkan konsentrasi vacancy hingga 104 kali. Density functional theory digunakan dalam perhitungan energi formasi dan konsentrasi defect pada silikon ini (Sholihun, 2015). Iwasaki dkk. (2015) telah mengusulkan bahwasanya warna pusat di dalam intan secara luas diharapkan akan menjadi platform yang menjanjikan dalam fisika zat padat untuk kriptografi kuantum dan prosesor informasi kuantum. Untuk aplikasi inilah, dibutuhkan sumber foton tunggal dengan intensitas tinggi dan mampu dipabrikasi (mudah dihasilkan/diproduksi). Sebuah warna pusat intan baru diusulkan oleh Iwasaki dkk. yakni dengan sebuah Germanium (Ge) dan vacancy (kekosongan). Jenis defect ini dinamakan GeV, yang menghasilkan pita fotoluminesense yang tajam dan kuat dengan garis nol-fonon pada 602 nm pada suhu ruang. Penelitian yang dilakukan kali ini adalah untuk kasus supercell dengan 64 atom C. Satu atom karbon (C) diambil dan diganti dengan 1 atom nitrogen (N). Adapun perlakuan yang dilakukan pada sistem defective crystal ini adalah dengan pemi-

4 4 lihan atom - atom yang diijinkan untuk relaksasi. Hal ini dilakukan dengan harapan didapatkan sistem seminimal mungkin untuk dapat mewakili keseluruhan sistem. Teknik komputasi yang digunakan adalah dengan menggunakan metode Density Functional Theory. DFT dipilih karena pada sistem ini menggunakan supercell 64 atom yang di dalamnya terdapat masalah banyak partikel. Akan dilakukan perhitungan energi formasi untuk masing - masing perlakuan dalam sistem defective crystal tersebut. 1.3 Perumusan Masalah Dari latar belakang pada bagian (1.1), maka dapat dirumuskan beberapa masalah untuk penulisan tugas akhir ini. Secara terperinci masalah-masalah yang dimaksud mencakup hal-hal sebagai berikut: 1. Bagaimana konstruksi sistem defective crystal C 63 N 1 yang optimum menggunakan metode DFT? 2. Bagaimanakah energi formasi sistem defective crystal dari masing - masing variasi relaksasi atom? 3. Bagaimanakah pengaruh pemberian izin relaksasi atom terhadap jarak antara atom nitrogen dengan 4 atom karbon tetangga pertamanya (N-C) dan jarak antar atom tetangga pertama nitrogen (C-C)? 1.4 Batasan Masalah Penelitian ini dibatasi pada material intan yang dimodelkan dengan super sel yang terdiri dari 64 atom. Adapun pembuatan sistem defective crystal dilakukan dengan doping 1 atom nitrogen untuk mensubstitusi atau menggantikan 1 atom karbon pada intan yang terletak di daerah pusat sistem intan. Dilakukan variasi relaksasi atom pada sistem intan, yakni (a) relaksasi untuk semua atom, (b) atom pusat (nitrogen) dan 4 atom karbon tetangga pertamanya, dan (c) relaksasi atom pusat (nitrogen), 4 atom karbon tetangga pertama, serta 12 atom karbon tetangga kedua. Fokus dari penelitian ini adalah optimasi geometri dan perhitungan energi formasi untuk masing - masing variasi tersebut.

5 5 1.5 Tujuan Penelitian Berdasarkan permasalahan pada rumusan masalah di atas, maka cakupan tujuan penelitian ini secara rinci dapat dirumuskan sebagai berikut: 1. Melakukan optimasi geometri sistem defective crystal pada intan dengan substitusi atom C dengan atom N. 2. Menghitung energi formasi dari sitem defective crystal di dalam intan untuk masing - masing variasi. 3. Mengetahui pengaruh perlakuan perijinan relaksasi atom - atom di sekitar atom nitrogen terhadap jarak antara atom nitrogen dengan 4 atom karbon sebagai atom tetangga pertama (N-C) dan jarak antar atom tetangga pertama nitrogen (C-C). 1.6 Manfaat Penelitian Dengan mengacu pada tujuan pada point sebelumnya, maka penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat diantaranya 1. Dengan banyaknya penelitian terkait material intan, diharapkan hasil penelitian ini dapat memberikan informasi yang dibutuhkan dalam penelitian terkait material karbon, khususnya intan. 2. Adapun aplikasi dari material intan dengan defect tertentu misalnya di dalam bidang teknologi adalah sebagai bahan aktif piranti berkecepatan tinggi, sedangkan di bidang industri adalah untuk pembuatan intan dengan warna tertentu (color diamond). Selain itu, dari proses optimasi yang dilakukan, penelitian ini akan memberikan informasi terkait proses komputasi yang efisien dengan menekan biaya komputasi (computational cost). 1.7 Sistematika Penulisan Skripsi Sistematika dari penulisan skripsi ini dapat dijabarkan sebagai berikut 1. Bab I : akan disajikan gambaran secara umum terkait latar belakang, tinjauan pustaka, rumusan masalah, tujuan, serta manfaat penelitian.

6 6 2. BAB II : akan disajikan dasar teori yakni landasan teori terkait penelitian yang dilakukan. 3. BAB III : akan disajikan metode yang digunakan dalam penelitian ini. Metode yang dimaksud adalah metode komputasi berbasis Density Functional Theory (DFT). 4. BAB IV : akan disajikan hasil dan pembahasan dari penelitian yang sudah dilakukan. Pada BAB ini dipaparkan hasil penelitian yang kemudian dibahas sesuai landasan teori. 5. BAB V : akan dipaparkan kesimpulan dan saran dari pembahasan dan penelitian secara keseluruhan. 6. Bagian Akhir merupakan bagian daftar pustaka dan lampiran dari skripsi ini.