Simulasi Struktur Energi Elektronik Atom, Molekul, dan Nanomaterial dengan Metode Ikatan Terkuat

dokumen-dokumen yang mirip
Perhitungan Struktur Elektronik Graphene dan Carbon Nanotube

PERSAMAAN SCHRÖDINGER TAK BERGANTUNG WAKTU DAN APLIKASINYA PADA SISTEM POTENSIAL 1 D

Mekanika Kuantum dalam Koordinat Bola dan Atom Hidrogen

Kuliah Karbon Nanotube

BAB IV OSILATOR HARMONIS

PENDAHULUAN Anda harus dapat

Struktur Molekul:Teori Orbital Molekul

PARTIKEL DALAM SUATU KOTAK SATU DIMENSI

KB.2 Fisika Molekul. Hal ini berarti bahwa rapat peluang untuk menemukan kedua konfigurasi tersebut di atas adalah sama, yaitu:

BAB III OPERATOR 3.1 Pengertian Operator Dan Sifat-sifatnya

Persamaan Schrödinger dalam Matriks dan Uraian Fungsi Basis

FONON I : GETARAN KRISTAL

PENDAHULUAN. Di dalam modul ini Anda akan mempelajari Gas elektron bebas yang mencakup: Elektron

IKATAN KIMIA. RATNAWATI, S.Pd

BAB FISIKA ATOM. Model ini gagal karena tidak sesuai dengan hasil percobaan hamburan patikel oleh Rutherford.

Apa itu Atom? Miftachul Hadi. Applied Mathematics for Biophysics Group. Physics Research Centre, Indonesian Institute of Sciences (LIPI)

a. Lattice Constant = a 4r = 2a 2 a = 4 R = 2 2 R = 2,8284 x 0,143 nm = 0,4045 nm 2

Yang akan dibahas: 1. Kristal dan Ikatan pada zat Padat 2. Teori Pita Zat Padat

U = Energi potensial. R = Jarak antara atom

model atom mekanika kuantum

HAND OUT FISIKA KUANTUM MEKANISME TRANSISI DAN KAIDAH SELEKSI

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

DAFTAR SIMBOL. : permeabilitas magnetik. : suseptibilitas magnetik. : kecepatan cahaya dalam ruang hampa (m/s) : kecepatan cahaya dalam medium (m/s)

MEKANIKA KUANTUM DALAM TIGA DIMENSI

POK O O K K O - K P - OK O O K K O K MAT A ERI R FISIKA KUANTUM

PARTIKEL DALAM BOX. Bentuk umum persamaan orde dua adalah: ay" + b Y' + cy = 0

Bab 1 ZAT PADAT IKATAN ATOMIK DALAM KRISTAL

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

MODEL-MODEL IKATAN KIMIA

Bab 6. Elektron Dalam Zat Padat (Teori Pita Energi)

Fungsi Gelombang Radial dan Tingkat Energi Atom Hidrogen

4 Metoda untuk sistem atom banyak dan penerapannya

BAB V PERAMBATAN GELOMBANG OPTIK PADA MEDIUM NONLINIER KERR

DERET FOURIER. n = bilangan asli (1,2,3,4,5,.) L = pertemuan titik. Bilangan-bilangan untuk,,,, disebut koefisien fourier dari f(x) dalam (-L,L)

FUNGSI GELOMBANG. Persamaan Schrödinger

MATERI II TINGKAT TENAGA DAN PITA TENAGA

BAB I PENDAHULUAN (1-1)

BAGIAN 1 PITA ENERGI DALAM ZAT PADAT

I. Pendahuluan Listrik Magnet Listrik berkaitan dengan teknologi modern: komputer, motor dsb. Bukan hanya itu

tak-hingga. Lebar sumur adalah 4 angstrom. Berapakah simpangan gelombang elektron

Ikatan dan Isomeri. Prof. Dr. Jumina Robby Noor Cahyono, S.Si., M.Sc.

VI. Teori Kinetika Gas

BAB V MOMENTUM ANGULAR Pengukuran Simultan Beberapa Properti Dalam keadaan stasioner, momentum angular untuk elektron hidrogen adalah konstan.

2. Deskripsi Statistik Sistem Partikel

BAB II DASAR TEORI. A. Kemagnetan Bahan. Secara garis besar, semua bahan dapat dikelompokkan ke dalam bahan magnet. seperti terlihat pada Gambar 2.

KB 2. Nilai Energi Celah. Model ini menjelaskan tingkah laku elektron dalam sebuah energi potensial yang

Chap 7. Gas Fermi Ideal

ATOM BERELEKTRON BANYAK

MOLEKUL, ZAT PADAT DAN PITA ENERGI MOLEKUL ZAT PADAT PITA ENERGI

BENDA WUJUD, SIFAT DAN KEGUNAANNYA

LAPORAN PENELITIAN KAJIAN KOMPUTASI KUANTISASI SEMIKLASIK VIBRASI MOLEKULER SISTEM DIBAWAH PENGARUH POTENSIAL LENNARD-JONES (POTENSIAL 12-6)

BAB I PENDAHULUAN. 1.1 Latar Belakang Masalah

= (2) Persamaan (2) adalah persamaan diferensial orde dua dengan akar-akar bilangan kompleks yang berlainan, solusinya adalah () =sin+cos (3)

Komponen Materi. Kimia Dasar 1 Sukisman Purtadi

Listrik Statik. Agus Suroso

SIFAT SIFAT ATOM DAN TABEL BERKALA

ANALISIS VEKTOR. Aljabar Vektor. Operasi vektor

Sifat-Sifat Umum Unsur Dra. Sri Wardhani, M.Si. Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Brawijaya

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

APLIKASI BASIS L 2 LAGUERRE PADA INTERAKSI TOLAK MENOLAK ANTARA ATOM TARGET HIDROGEN DAN POSITRON. Ade S. Dwitama

Austrian-Indonesian i Centre (AIC) for Computational ti lchemistry, Jurusan Kimia i. KIMIA KOMPUTASI Konsep Perhitungan Mekanika Kuantum 2 (Basis Set)

Struktur atom merupakan satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom beserta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya.

MODUL 05 SPEKTRUM ATOM

TEORI ORBITAL MOLEKUL

BINOVATIF LISTRIK DAN MAGNET. Hani Nurbiantoro Santosa, PhD.

BAB I PENDAHULUAN. keadaan energi (energy state) dari sebuah sistem potensial sumur berhingga. Diantara

Struktur Atom dan Sistem Periodik

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

FT UNIVERSITAS SURABAYA VARIABEL KOMPLEKS SUGATA PIKATAN. Bab V Aplikasi

SIFAT GELOMBANG PARTIKEL DAN PRINSIP KETIDAKPASTIAN. 39. Elektron, proton, dan elektron mempunyai sifat gelombang yang bisa

perpindahan, kita peroleh persamaan differensial berikut :

MATERI PERKULIAHAN. Gambar 1. Potensial tangga

BAB II A. KONSEP ATOM

II LANDASAN TEORI. Contoh. Ditinjau dari sistem yang didefinisikan oleh:

LAMPIRAN. Hubungan antara koordinat kartesian dengan koordinat silinder:

PROPOSAL TUGAS AKHIR PENGARUH JUMLAH SUKU FOURIER PADA PENDEKATAN POLAR UNTUK SISTEM GEOMETRI KARTESIAN OLEH : IRMA ISLAMIYAH

PENDAHULUAN. Di dalam modul ini Anda akan mempelajari Kristal Semikonduktor yang mencakup:

Bab V Ikatan Kimia. B. Struktur Lewis Antar unsur saling berinteraksi dengan menerima dan melepaskan elektron di kulit terluarnya. Gambaran terjadinya

Getaran Dalam Zat Padat BAB I PENDAHULUAN

BAB 2 STRUKTUR ATOM PERKEMBANGAN TEORI ATOM

BAB 3 IKATAN KRISTAL. 3.1 Macam-Macam Ikatan Kristal

ENERGI TOTAL KEADAAN DASAR ATOM BERILIUM DENGAN TEORI GANGGUAN

PROJEK 2 PENCARIAN ENERGI TERIKAT SISTEM DI BAWAH PENGARUH POTENSIAL SUMUR BERHINGGA

BAB 4 BAB 3 HASIL DAN PEMBAHASAN METODE PENELITIAN. 3.2 Peralatan

IKATAN KIMIA BAB 3. Pada pelajaran bab tiga ini akan dipelajari tentang ikatan ion, ikatan kovalen, dan ikatan logam.

Chap 7a Aplikasi Distribusi. Fermi Dirac (part-1)

Chap. 8 Gas Bose Ideal

Ze r. sin. Operator Hamiltonian untuk atom polielektron dengan x elektron: (spin-orbit coupling diabaikan): Ze r

APLIKASI TEORI THOMAS-FERMI UNTUK MENENTUKAN PROFIL KERAPATAN DAN ENERGI ATOM HIDROGEN, ATOM LITIUM, DAN MOLEKUL!!

BAB II PENGANTAR SOLUSI PERSOALAN FISIKA MENURUT PENDEKATAN ANALITIK DAN NUMERIK

Mengenal Sifat Material. Teori Pita Energi

Ringkasan Kalkulus 2, Untuk dipakai di ITB 1. Integral Lipat Dua Atas Daerah Persegipanjang

Bab I Teori Atom Bohr dan Mekanika Kuantum

STRUKTUR ATOM DAN SISTEM PERIODIK Kimia SMK KELAS X SEMESTER 1 SMK MUHAMMADIYAH 3 METRO

Fungsi Gamma. Pengantar Matematika Teknik Kimia. Muthia Elma

BAB II LANDASAN TEORI. eigen dan vektor eigen, persamaan diferensial, sistem persamaan diferensial, titik

FUNGSI GELOMBANG DAN RAPAT PROBABILITAS PARTIKEL BEBAS 1D DENGAN MENGGUNAKAN METODE CRANK-NICOLSON

16 Mei 2017 Waktu: 120 menit

Transkripsi:

Simulasi Struktur Energi Elektronik Atom, Molekul, dan Nanomaterial dengan Metode Ikatan Terkuat Ahmad Ridwan Tresna Nugraha (NIM: 10204001), Pembimbing: Sukirno, Ph.D KK FisMatEl, Institut Teknologi Bandung ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 1 / 70

Daftar Isi 1 Pendahuluan 2 Persamaan Schrödinger dalam Matriks 3 Metode SCF untuk Atom 4 Ikatan pada Molekul 5 Konsep Fungsi Basis 6 Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Graphene dan Semikonduktor Struktur Nanomaterial 7 Simpulan ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 2 / 70

Pendahuluan Sistematika 1 Pendahuluan 2 Persamaan Schrödinger dalam Matriks 3 Metode SCF untuk Atom 4 Ikatan pada Molekul 5 Konsep Fungsi Basis 6 Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Graphene dan Semikonduktor Struktur Nanomaterial 7 Simpulan ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 3 / 70

Pendahuluan Latar Belakang dan Motivasi Penentuan struktur elektronik merupakan kajian yang paling penting dalam bidang fisika material. Sifat-sifat fisis material tingkat-tingkat energi yang diizinkan. Kendala penentuan struktur elektronik: kerumitan perhitungan seiring banyaknya elektron yang terlibat pemecahan persamaan Schrödinger untuk banyak partikel. Dibutuhkan beberapa aproksimasi untuk menyederhanakan persamaan Schrödinger sesuai dengan sistem elektron tertentu. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 4 / 70

Pendahuluan Latar Belakang dan Motivasi Penentuan struktur elektronik merupakan kajian yang paling penting dalam bidang fisika material. Sifat-sifat fisis material tingkat-tingkat energi yang diizinkan. Kendala penentuan struktur elektronik: kerumitan perhitungan seiring banyaknya elektron yang terlibat pemecahan persamaan Schrödinger untuk banyak partikel. Dibutuhkan beberapa aproksimasi untuk menyederhanakan persamaan Schrödinger sesuai dengan sistem elektron tertentu. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 4 / 70

Pendahuluan Latar Belakang dan Motivasi Penentuan struktur elektronik merupakan kajian yang paling penting dalam bidang fisika material. Sifat-sifat fisis material tingkat-tingkat energi yang diizinkan. Kendala penentuan struktur elektronik: kerumitan perhitungan seiring banyaknya elektron yang terlibat pemecahan persamaan Schrödinger untuk banyak partikel. Dibutuhkan beberapa aproksimasi untuk menyederhanakan persamaan Schrödinger sesuai dengan sistem elektron tertentu. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 4 / 70

Pendahuluan Latar Belakang dan Motivasi Penentuan struktur elektronik merupakan kajian yang paling penting dalam bidang fisika material. Sifat-sifat fisis material tingkat-tingkat energi yang diizinkan. Kendala penentuan struktur elektronik: kerumitan perhitungan seiring banyaknya elektron yang terlibat pemecahan persamaan Schrödinger untuk banyak partikel. Dibutuhkan beberapa aproksimasi untuk menyederhanakan persamaan Schrödinger sesuai dengan sistem elektron tertentu. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 4 / 70

Pendahuluan Metode dan Objek Perhitungan Perangkat Matematik + Komputasi: Trik komputasi persamaan matriks :: Matriks Hamiltonian Aproksimasi Beda Hingga :: Self-Consistent Field :: Pemilihan Fungsi Basis Objek yang diamati: Atom: Hidrogen dan Helium Molekul: Gas Hidrogen (H 2 ) Struktur Bulk : Rantai Atomik, Graphene, Galium Arsenida Nanomaterial: Carbon Nanotube ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 5 / 70

Pendahuluan Metode dan Objek Perhitungan Perangkat Matematik + Komputasi: Trik komputasi persamaan matriks :: Matriks Hamiltonian Aproksimasi Beda Hingga :: Self-Consistent Field :: Pemilihan Fungsi Basis Objek yang diamati: Atom: Hidrogen dan Helium Molekul: Gas Hidrogen (H 2 ) Struktur Bulk : Rantai Atomik, Graphene, Galium Arsenida Nanomaterial: Carbon Nanotube ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 5 / 70

Pendahuluan Metode dan Objek Perhitungan Perangkat Matematik + Komputasi: Trik komputasi persamaan matriks :: Matriks Hamiltonian Aproksimasi Beda Hingga :: Self-Consistent Field :: Pemilihan Fungsi Basis Objek yang diamati: Atom: Hidrogen dan Helium Molekul: Gas Hidrogen (H 2 ) Struktur Bulk : Rantai Atomik, Graphene, Galium Arsenida Nanomaterial: Carbon Nanotube ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 5 / 70

Pendahuluan Metode dan Objek Perhitungan Perangkat Matematik + Komputasi: Trik komputasi persamaan matriks :: Matriks Hamiltonian Aproksimasi Beda Hingga :: Self-Consistent Field :: Pemilihan Fungsi Basis Objek yang diamati: Atom: Hidrogen dan Helium Molekul: Gas Hidrogen (H 2 ) Struktur Bulk : Rantai Atomik, Graphene, Galium Arsenida Nanomaterial: Carbon Nanotube ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 5 / 70

Pendahuluan Model Atom Klasik Spektrum energi: Panaskan gas atom-atom bersifat seperti hidrogen spektrum energi diskret dapat teramati h Pola emisi foton: hν = E 0 Z 2 ( 1 n 2 1 m 2 ), n dan m bilangan bulat; E n = Persamaan Schrödinger satu partikel: Ψ( r, t) i = 2 t 2m 2 Ψ( r, t) + U( r)ψ( r, t) ( Z 2 n 2 ) E 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 6 / 70

Pendahuluan Model Atom Klasik Spektrum energi: Panaskan gas atom-atom bersifat seperti hidrogen spektrum energi diskret dapat teramati h Pola emisi foton: hν = E 0 Z 2 ( 1 n 2 1 m 2 ), n dan m bilangan bulat; E n = Persamaan Schrödinger satu partikel: Ψ( r, t) i = 2 t 2m 2 Ψ( r, t) + U( r)ψ( r, t) ( Z 2 n 2 ) E 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 6 / 70

Pendahuluan Model Atom Klasik Spektrum energi: Panaskan gas atom-atom bersifat seperti hidrogen spektrum energi diskret dapat teramati h Pola emisi foton: hν = E 0 Z 2 ( 1 n 2 1 m 2 ), n dan m bilangan bulat; E n = Persamaan Schrödinger satu partikel: Ψ( r, t) i = 2 t 2m 2 Ψ( r, t) + U( r)ψ( r, t) ( Z 2 n 2 ) E 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 6 / 70

Pendahuluan Model Atom Klasik Energi diskret untuk atom hidrogen (abaikan gerak inti masif): maka tebakan solusinya: U( r) = Ze2 4πɛ 0 r Ψ( r, t) = e ient/ φ nlm ( r) Ze ( Z 2 E n = n 2 ( n 2 r n = Z ) a 0 ) E 0 a 0 = 4πɛ 0 2 /(me 2 ) 0, 053 nm ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 7 / 70

Pendahuluan Pentingnya Metode Numerik Solusi analitik pers. Schrödinger lebih banyak yang sulit ditentukan meski hanya 1 partikel yang ditinjau. Semakin banyak elektron yang terlibat, perhitungan akan semakin rumit karena interaksi elektron-elektron Bentuk fungsi potensial menyulitkan pemecahan persamaan diferensial. Besaran yang selanjutnya perlu dihitung: Tingkat energi dasar (ground state) + struktur pita energi Kerapatan elektron :: konsekuensi postulat probabilitas Born n(x, t) = i Ψ i Ψ i. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 8 / 70

Pendahuluan Pentingnya Metode Numerik Solusi analitik pers. Schrödinger lebih banyak yang sulit ditentukan meski hanya 1 partikel yang ditinjau. Semakin banyak elektron yang terlibat, perhitungan akan semakin rumit karena interaksi elektron-elektron Bentuk fungsi potensial menyulitkan pemecahan persamaan diferensial. Besaran yang selanjutnya perlu dihitung: Tingkat energi dasar (ground state) + struktur pita energi Kerapatan elektron :: konsekuensi postulat probabilitas Born n(x, t) = i Ψ i Ψ i. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 8 / 70

Pendahuluan Pentingnya Metode Numerik Solusi analitik pers. Schrödinger lebih banyak yang sulit ditentukan meski hanya 1 partikel yang ditinjau. Semakin banyak elektron yang terlibat, perhitungan akan semakin rumit karena interaksi elektron-elektron Bentuk fungsi potensial menyulitkan pemecahan persamaan diferensial. Besaran yang selanjutnya perlu dihitung: Tingkat energi dasar (ground state) + struktur pita energi Kerapatan elektron :: konsekuensi postulat probabilitas Born n(x, t) = i Ψ i Ψ i. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 8 / 70

Pendahuluan Pentingnya Metode Numerik Solusi analitik pers. Schrödinger lebih banyak yang sulit ditentukan meski hanya 1 partikel yang ditinjau. Semakin banyak elektron yang terlibat, perhitungan akan semakin rumit karena interaksi elektron-elektron Bentuk fungsi potensial menyulitkan pemecahan persamaan diferensial. Besaran yang selanjutnya perlu dihitung: Tingkat energi dasar (ground state) + struktur pita energi Kerapatan elektron :: konsekuensi postulat probabilitas Born n(x, t) = i Ψ i Ψ i. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 8 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Sistematika 1 Pendahuluan 2 Persamaan Schrödinger dalam Matriks 3 Metode SCF untuk Atom 4 Ikatan pada Molekul 5 Konsep Fungsi Basis 6 Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Graphene dan Semikonduktor Struktur Nanomaterial 7 Simpulan ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 9 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Kerangka Matriks Hamiltonian Notasi Matriks Kunci utama pemecahan pers. Schrödinger secara numerik. Definisikan Ĥ 2 2m 2 + U( r): i Ψ( r, t) = ĤΨ( r, t) t Nyatakan Ψ( r, t) sebagai vektor (matriks) kolom {ψ(t)}, sehingga i d dt [ ] T [ ] T ψ 1 ψ 2... = [H] ψ 1 ψ 2... Konversi ke bentuk matriks dilakukan dengan menggunakan kisi (sejumlah titik) diskret Beda hingga (finite difference) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 10 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Kerangka Matriks Hamiltonian Notasi Matriks Kunci utama pemecahan pers. Schrödinger secara numerik. Definisikan Ĥ 2 2m 2 + U( r): i Ψ( r, t) = ĤΨ( r, t) t Nyatakan Ψ( r, t) sebagai vektor (matriks) kolom {ψ(t)}, sehingga i d dt [ ] T [ ] T ψ 1 ψ 2... = [H] ψ 1 ψ 2... Konversi ke bentuk matriks dilakukan dengan menggunakan kisi (sejumlah titik) diskret Beda hingga (finite difference) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 10 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Kerangka Matriks Hamiltonian Notasi Matriks Kunci utama pemecahan pers. Schrödinger secara numerik. Definisikan Ĥ 2 2m 2 + U( r): i Ψ( r, t) = ĤΨ( r, t) t Nyatakan Ψ( r, t) sebagai vektor (matriks) kolom {ψ(t)}, sehingga i d dt [ ] T [ ] T ψ 1 ψ 2... = [H] ψ 1 ψ 2... Konversi ke bentuk matriks dilakukan dengan menggunakan kisi (sejumlah titik) diskret Beda hingga (finite difference) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 10 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Kerangka Matriks Hamiltonian Notasi Matriks Kunci utama pemecahan pers. Schrödinger secara numerik. Definisikan Ĥ 2 2m 2 + U( r): i Ψ( r, t) = ĤΨ( r, t) t Nyatakan Ψ( r, t) sebagai vektor (matriks) kolom {ψ(t)}, sehingga i d dt [ ] T [ ] T ψ 1 ψ 2... = [H] ψ 1 ψ 2... Konversi ke bentuk matriks dilakukan dengan menggunakan kisi (sejumlah titik) diskret Beda hingga (finite difference) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 10 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga Tinjau sistem 1D: x n = na n a 1 2 3 n 1 n n 1... N x Operasi turunan kedua: (bagian dari suku kinetik) [ 2 ] Ψ x 2 = 1 x=x n a 2 [Ψ(x n+1) 2Ψ(x n ) + Ψ(x n 1 )] Potensial: [U(x)Ψ(x)] x=xn = U(x n )Ψ(x n ) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 11 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga Tinjau sistem 1D: x n = na n a 1 2 3 n 1 n n 1... N x Operasi turunan kedua: (bagian dari suku kinetik) [ 2 ] Ψ x 2 = 1 x=x n a 2 [Ψ(x n+1) 2Ψ(x n ) + Ψ(x n 1 )] Potensial: [U(x)Ψ(x)] x=xn = U(x n )Ψ(x n ) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 11 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga Tinjau sistem 1D: x n = na n a 1 2 3 n 1 n n 1... N x Operasi turunan kedua: (bagian dari suku kinetik) [ 2 ] Ψ x 2 = 1 x=x n a 2 [Ψ(x n+1) 2Ψ(x n ) + Ψ(x n 1 )] Potensial: [U(x)Ψ(x)] x=xn = U(x n )Ψ(x n ) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 11 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga Misalkan 2 /2ma 2 = τ 0 dan U n = U(x n ), maka persamaan Schrödinger untuk ψ n : i dψ n dt = [Ĥψ] x=x n = (U n + 2τ 0 ) τ 0 ψ n 1 τ 0 ψ n+1 = [ ] (Un + 2τ 0 )δ n,m τ 0 δ n,m+1 τ 0 δ n,m 1 ψm m Bentuk matriks lengkap: dengan i d {ψ(t)} = [H]{ψ(t)} dt H n,m = [U n + 2τ 0 ]δ n,m τ 0 δ n,m+1 τ 0 δ n,m 1 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 12 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga Misalkan 2 /2ma 2 = τ 0 dan U n = U(x n ), maka persamaan Schrödinger untuk ψ n : i dψ n dt = [Ĥψ] x=x n = (U n + 2τ 0 ) τ 0 ψ n 1 τ 0 ψ n+1 = [ ] (Un + 2τ 0 )δ n,m τ 0 δ n,m+1 τ 0 δ n,m 1 ψm m Bentuk matriks lengkap: dengan i d {ψ(t)} = [H]{ψ(t)} dt H n,m = [U n + 2τ 0 ]δ n,m τ 0 δ n,m+1 τ 0 δ n,m 1 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 12 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga Lebih eksplisit: ψ 1 2τ 0 + U 1 τ 0 0 0 0 0 ψ 1 ψ 2 τ 0 2τ 0 + U 2 τ 0 0 0 0 ψ i d.. 0 τ..... 2 0 0 0 dt ψ = n. 0 0......... 0 ψ. n.. 0 0 0..... τ0. ψ N 0 0 0 0 τ 0 2τ 0 + U N ψ N Reduksi parameter waktu: [H]{α} = E α {α}; {ψ(t)} = α E α nilai eigen dari [H] c α e ieαt/ {α} ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 13 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga Lebih eksplisit: ψ 1 2τ 0 + U 1 τ 0 0 0 0 0 ψ 1 ψ 2 τ 0 2τ 0 + U 2 τ 0 0 0 0 ψ i d.. 0 τ..... 2 0 0 0 dt ψ = n. 0 0......... 0 ψ. n.. 0 0 0..... τ0. ψ N 0 0 0 0 τ 0 2τ 0 + U N ψ N Reduksi parameter waktu: [H]{α} = E α {α}; {ψ(t)} = α E α nilai eigen dari [H] c α e ieαt/ {α} ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 13 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga untuk 3D Bagian yang membedakan sistem 1D, 2D, dan 3D adalah elemen diagonal pada matriks [H]. Secara umum, elemen diagonal [H] adalah potensial U( r) yang dievaluasi pada titik kisi tertentu ditambah dengan τ 0 kali banyaknya titik tetangga terdekat. Jumlah titik-titik tetangga: dua untuk 1D, empat untuk 2D, enam untuk 3D. Separasi variabel supaya ukuran matriks 2D/3D tetap sama dengan sistem 1D. Ψ( r) = X(x)Y(y)Z(z) U( r) = U x (x) + U y (y) + U z (z) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 14 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga untuk 3D Bagian yang membedakan sistem 1D, 2D, dan 3D adalah elemen diagonal pada matriks [H]. Secara umum, elemen diagonal [H] adalah potensial U( r) yang dievaluasi pada titik kisi tertentu ditambah dengan τ 0 kali banyaknya titik tetangga terdekat. Jumlah titik-titik tetangga: dua untuk 1D, empat untuk 2D, enam untuk 3D. Separasi variabel supaya ukuran matriks 2D/3D tetap sama dengan sistem 1D. Ψ( r) = X(x)Y(y)Z(z) U( r) = U x (x) + U y (y) + U z (z) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 14 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga untuk 3D Bagian yang membedakan sistem 1D, 2D, dan 3D adalah elemen diagonal pada matriks [H]. Secara umum, elemen diagonal [H] adalah potensial U( r) yang dievaluasi pada titik kisi tertentu ditambah dengan τ 0 kali banyaknya titik tetangga terdekat. Jumlah titik-titik tetangga: dua untuk 1D, empat untuk 2D, enam untuk 3D. Separasi variabel supaya ukuran matriks 2D/3D tetap sama dengan sistem 1D. Ψ( r) = X(x)Y(y)Z(z) U( r) = U x (x) + U y (y) + U z (z) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 14 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga untuk 3D Bagian yang membedakan sistem 1D, 2D, dan 3D adalah elemen diagonal pada matriks [H]. Secara umum, elemen diagonal [H] adalah potensial U( r) yang dievaluasi pada titik kisi tertentu ditambah dengan τ 0 kali banyaknya titik tetangga terdekat. Jumlah titik-titik tetangga: dua untuk 1D, empat untuk 2D, enam untuk 3D. Separasi variabel supaya ukuran matriks 2D/3D tetap sama dengan sistem 1D. Ψ( r) = X(x)Y(y)Z(z) U( r) = U x (x) + U y (y) + U z (z) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 14 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Beda Hingga untuk 3D Setiap fungsi X(x), Y(y), dan Z(z) merupakan solusi dari persamaan Schrödinger 1D yang saling bebas: E x X(x) = E y Y(y) = E z Z(z) = dan energi total: [ 2 d 2 ] 2m dx 2 + U x(x) X(x), d 2 ] 2m dy 2 + U y(y) Y(y), d 2 ] 2m dz 2 + U z(x) Z(z) [ 2 [ 2 E = E x + E y + E z ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 15 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Potensial Simetri Bola Fungsi gelombang lengkap: Ψ( r) = Ψ(r, θ, φ) = f (r) r Ym l (θ, φ) Solusi f (r) diperoleh dari penyelesaian persamaan Schrödinger radial yang ternyata tereduksi menjadi bentuk 1D: Ef (r) = [ 2 d 2 ] l(l + 1) 2 + 2m dr2 2mr 2 + U(r) f (r) l = 0: keadaan s (sharp), l = 1: keadaan p (principal), dan seterusnya Fungsi Yl m (θ, φ) adalah fungsi harmonik sferis: 1 3 3 Y0(θ, 0 φ) = 4π ; Y0 1(θ, φ) = 4π ; Y±1 1 (θ, φ) = ± 8π sin θ [ e ±iφ] ;... ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 16 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Potensial Simetri Bola Fungsi gelombang lengkap: Ψ( r) = Ψ(r, θ, φ) = f (r) r Ym l (θ, φ) Solusi f (r) diperoleh dari penyelesaian persamaan Schrödinger radial yang ternyata tereduksi menjadi bentuk 1D: Ef (r) = [ 2 d 2 ] l(l + 1) 2 + 2m dr2 2mr 2 + U(r) f (r) l = 0: keadaan s (sharp), l = 1: keadaan p (principal), dan seterusnya Fungsi Yl m (θ, φ) adalah fungsi harmonik sferis: 1 3 3 Y0(θ, 0 φ) = 4π ; Y0 1(θ, φ) = 4π ; Y±1 1 (θ, φ) = ± 8π sin θ [ e ±iφ] ;... ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 16 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Potensial Simetri Bola Fungsi gelombang lengkap: Ψ( r) = Ψ(r, θ, φ) = f (r) r Ym l (θ, φ) Solusi f (r) diperoleh dari penyelesaian persamaan Schrödinger radial yang ternyata tereduksi menjadi bentuk 1D: Ef (r) = [ 2 d 2 ] l(l + 1) 2 + 2m dr2 2mr 2 + U(r) f (r) l = 0: keadaan s (sharp), l = 1: keadaan p (principal), dan seterusnya Fungsi Yl m (θ, φ) adalah fungsi harmonik sferis: 1 3 3 Y0(θ, 0 φ) = 4π ; Y0 1(θ, φ) = 4π ; Y±1 1 (θ, φ) = ± 8π sin θ [ e ±iφ] ;... ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 16 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Potensial Simetri Bola Normalisasi: 0 π r=0 θ=0 f (r) 2 dr = 1; 2π Ψ 2 r 2 sin θ drdθdφ = 1 φ=0 π θ=0 2π φ=0 Y m l 2 sin θdθdφ = 1 f (r) disimpulkan sebagai fungsi distribusi probabilitas radial, sehingga f (r) 2 dr merupakan probabilitas untuk menemukan elektron dalam volume antara r dan (r + dr). Hasil numerik dengan jarak antartitik kisi a harus dibandingkan dengan nilai analitik f (r) 2 a. Untuk tingkat 1s dan 2s, hasil analitiknya adalah f 1s (r) 2 = 4 a 3 e 2r/a 0 ; 0 f 2s (r) 2 = r2 8a 3 0 [ 2 r a 0 ] 2 e r/a 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 17 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Potensial Simetri Bola Normalisasi: 0 π r=0 θ=0 f (r) 2 dr = 1; 2π Ψ 2 r 2 sin θ drdθdφ = 1 φ=0 π θ=0 2π φ=0 Y m l 2 sin θdθdφ = 1 f (r) disimpulkan sebagai fungsi distribusi probabilitas radial, sehingga f (r) 2 dr merupakan probabilitas untuk menemukan elektron dalam volume antara r dan (r + dr). Hasil numerik dengan jarak antartitik kisi a harus dibandingkan dengan nilai analitik f (r) 2 a. Untuk tingkat 1s dan 2s, hasil analitiknya adalah f 1s (r) 2 = 4 a 3 e 2r/a 0 ; 0 f 2s (r) 2 = r2 8a 3 0 [ 2 r a 0 ] 2 e r/a 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 17 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Potensial Simetri Bola Normalisasi: 0 π r=0 θ=0 f (r) 2 dr = 1; 2π Ψ 2 r 2 sin θ drdθdφ = 1 φ=0 π θ=0 2π φ=0 Y m l 2 sin θdθdφ = 1 f (r) disimpulkan sebagai fungsi distribusi probabilitas radial, sehingga f (r) 2 dr merupakan probabilitas untuk menemukan elektron dalam volume antara r dan (r + dr). Hasil numerik dengan jarak antartitik kisi a harus dibandingkan dengan nilai analitik f (r) 2 a. Untuk tingkat 1s dan 2s, hasil analitiknya adalah f 1s (r) 2 = 4 a 3 e 2r/a 0 ; 0 f 2s (r) 2 = r2 8a 3 0 [ 2 r a 0 ] 2 e r/a 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 17 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Potensial Simetri Bola Normalisasi: 0 π r=0 θ=0 f (r) 2 dr = 1; 2π Ψ 2 r 2 sin θ drdθdφ = 1 φ=0 π θ=0 2π φ=0 Y m l 2 sin θdθdφ = 1 f (r) disimpulkan sebagai fungsi distribusi probabilitas radial, sehingga f (r) 2 dr merupakan probabilitas untuk menemukan elektron dalam volume antara r dan (r + dr). Hasil numerik dengan jarak antartitik kisi a harus dibandingkan dengan nilai analitik f (r) 2 a. Untuk tingkat 1s dan 2s, hasil analitiknya adalah f 1s (r) 2 = 4 a 3 e 2r/a 0 ; 0 f 2s (r) 2 = r2 8a 3 0 [ 2 r a 0 ] 2 e r/a 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 17 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Pembenaran: Potensial Simetri Bola Tingkat 1s. Energi eigen numerik: E = 13, 56 ev. Kisi: N = 100, a = 0, 05 10 10 m. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 18 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Pembenaran: Potensial Simetri Bola Tingkat 2s. Energi eigen numerik: 2, 96 ev. Kisi: a = 0, 05 10 10 m. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 19 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Pembenaran: Potensial Simetri Bola Tingkat 1s. Energi eigen numerik: E = 13, 56 ev. Kisi: N = 100, a = 0, 1 10 10 m. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 20 / 70

Persamaan Schrödinger dalam Matriks Pembenaran: Potensial Simetri Bola Tingkat 2s. Energi eigen numerik: 2, 96 ev. Kisi: a = 0, 1 10 10 m. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 21 / 70

Metode SCF untuk Atom Sistematika 1 Pendahuluan 2 Persamaan Schrödinger dalam Matriks 3 Metode SCF untuk Atom 4 Ikatan pada Molekul 5 Konsep Fungsi Basis 6 Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Graphene dan Semikonduktor Struktur Nanomaterial 7 Simpulan ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 22 / 70

Metode SCF untuk Atom Hidrogen versus Helium Berdasarkan rumus tingkat energi atom hidrogen, sebuah elektron yang berada pada tingkat 1s memiliki energi ionisasi E = 13, 6 ev pada tingkat 2s ionisasinya E = 3, 4 ev. Energi sebesar itu dapat diukur dari proses emisi optik dibalik menjadi pengukuran energi ionisasi. Bagaimana dengan Helium (atau atom-atom lain yang berelektron banyak)? ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 23 / 70

Metode SCF untuk Atom Hidrogen versus Helium Berdasarkan rumus tingkat energi atom hidrogen, sebuah elektron yang berada pada tingkat 1s memiliki energi ionisasi E = 13, 6 ev pada tingkat 2s ionisasinya E = 3, 4 ev. Energi sebesar itu dapat diukur dari proses emisi optik dibalik menjadi pengukuran energi ionisasi. foton 1s 2p Bagaimana dengan Helium (atau atom-atom lain yang berelektron banyak)? ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 23 / 70

Metode SCF untuk Atom Hidrogen versus Helium Berdasarkan rumus tingkat energi atom hidrogen, sebuah elektron yang berada pada tingkat 1s memiliki energi ionisasi E = 13, 6 ev pada tingkat 2s ionisasinya E = 3, 4 ev. Energi sebesar itu dapat diukur dari proses emisi optik dibalik menjadi pengukuran energi ionisasi. foton 1s 2p Bagaimana dengan Helium (atau atom-atom lain yang berelektron banyak)? ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 23 / 70

Metode SCF untuk Atom Hidrogen versus Helium Atom Helium Helium dengan model klasik: E = 2 2 (13, 6 ev) = 54, 4 ev. Akan tetapi, hasil eksperimen (ionisasi pertama): E 24, 8 ev E = 54, 4 ev muncul di ionisasi kedua, He + (hν = +24, 8 ev) He + + e He + (hν = He + + 54, 4 ev) H 2+ + e Model klasik belum menyertakan interaksi elektron-elektron. Koreksi bentuk potensial (untuk segala macam atom): U( r) = U inti ( r) + U scf ( r) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 24 / 70

Metode SCF untuk Atom Hidrogen versus Helium Atom Helium Helium dengan model klasik: E = 2 2 (13, 6 ev) = 54, 4 ev. Akan tetapi, hasil eksperimen (ionisasi pertama): E 24, 8 ev E = 54, 4 ev muncul di ionisasi kedua, He + (hν = +24, 8 ev) He + + e He + (hν = He + + 54, 4 ev) H 2+ + e Model klasik belum menyertakan interaksi elektron-elektron. Koreksi bentuk potensial (untuk segala macam atom): U( r) = U inti ( r) + U scf ( r) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 24 / 70

Metode SCF untuk Atom Hidrogen versus Helium Atom Helium Helium dengan model klasik: E = 2 2 (13, 6 ev) = 54, 4 ev. Akan tetapi, hasil eksperimen (ionisasi pertama): E 24, 8 ev E = 54, 4 ev muncul di ionisasi kedua, He + (hν = +24, 8 ev) He + + e He + (hν = He + + 54, 4 ev) H 2+ + e Model klasik belum menyertakan interaksi elektron-elektron. Koreksi bentuk potensial (untuk segala macam atom): U( r) = U inti ( r) + U scf ( r) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 24 / 70

Metode SCF untuk Atom Hidrogen versus Helium Atom Helium Helium dengan model klasik: E = 2 2 (13, 6 ev) = 54, 4 ev. Akan tetapi, hasil eksperimen (ionisasi pertama): E 24, 8 ev E = 54, 4 ev muncul di ionisasi kedua, He + (hν = +24, 8 ev) He + + e He + (hν = He + + 54, 4 ev) H 2+ + e Model klasik belum menyertakan interaksi elektron-elektron. Koreksi bentuk potensial (untuk segala macam atom): U( r) = U inti ( r) + U scf ( r) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 24 / 70

Metode SCF untuk Atom Hidrogen versus Helium Atom Helium Helium dengan model klasik: E = 2 2 (13, 6 ev) = 54, 4 ev. Akan tetapi, hasil eksperimen (ionisasi pertama): E 24, 8 ev E = 54, 4 ev muncul di ionisasi kedua, He + (hν = +24, 8 ev) He + + e He + (hν = He + + 54, 4 ev) H 2+ + e Model klasik belum menyertakan interaksi elektron-elektron. Koreksi bentuk potensial (untuk segala macam atom): U( r) = U inti ( r) + U scf ( r) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 24 / 70

Metode SCF untuk Atom Suku Interaksi dan Pendekatan Hartree Persamaan Schrödinger radial: Ef (r) = d 2 ] 2m dr 2 + 2 l(l + 1) 2mr 2 Ze2 4πɛ 0 r + U scf(r) f (r) [ 2 Self-consistent field menurut Hartree: 2 U scf ( r) = e2 ɛ 0 n( r) atau U scf ( r) = n,l,m e2 4πɛ 0 n( r )d r r r Dalam koordinat bola, jumlah elektron total menjadi N e = r 2 sin θdθdφdr f n (r) 2 r Yl m 2 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 25 / 70

Metode SCF untuk Atom Suku Interaksi dan Pendekatan Hartree Persamaan Schrödinger radial: Ef (r) = d 2 ] 2m dr 2 + 2 l(l + 1) 2mr 2 Ze2 4πɛ 0 r + U scf(r) f (r) [ 2 Self-consistent field menurut Hartree: 2 U scf ( r) = e2 ɛ 0 n( r) atau U scf ( r) = n,l,m e2 4πɛ 0 n( r )d r r r Dalam koordinat bola, jumlah elektron total menjadi N e = r 2 sin θdθdφdr f n (r) 2 r Yl m 2 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 25 / 70

Metode SCF untuk Atom Suku Interaksi dan Pendekatan Hartree Persamaan Schrödinger radial: Ef (r) = d 2 ] 2m dr 2 + 2 l(l + 1) 2mr 2 Ze2 4πɛ 0 r + U scf(r) f (r) [ 2 Self-consistent field menurut Hartree: 2 U scf ( r) = e2 ɛ 0 n( r) atau U scf ( r) = n,l,m e2 4πɛ 0 n( r )d r r r Dalam koordinat bola, jumlah elektron total menjadi N e = r 2 sin θdθdφdr f n (r) 2 r Yl m 2 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 25 / 70

Metode SCF untuk Atom Suku Interaksi dan Pendekatan Hartree Y m l ternormalisasi, sehingga N e = σ(r)dr dengan σ(r) = f n (r) 2 n,l,m Jumlahkan pada seluruh keadaan energi yang terisi: n( r) = ψ α ( r) 2 = f n (r) 2 r Yl m (θ, φ) 2 α n,l,m Besaran σ(r) memberikan informasi seberapa banyak muatan terdistribusi di kulit yang berada pada jarak tertentu dari inti ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 26 / 70

Metode SCF untuk Atom Suku Interaksi dan Pendekatan Hartree Y m l ternormalisasi, sehingga N e = σ(r)dr dengan σ(r) = f n (r) 2 n,l,m Jumlahkan pada seluruh keadaan energi yang terisi: n( r) = ψ α ( r) 2 = f n (r) 2 r Yl m (θ, φ) 2 α n,l,m Besaran σ(r) memberikan informasi seberapa banyak muatan terdistribusi di kulit yang berada pada jarak tertentu dari inti ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 26 / 70

Metode SCF untuk Atom Suku Interaksi dan Pendekatan Hartree Y m l ternormalisasi, sehingga N e = σ(r)dr dengan σ(r) = f n (r) 2 n,l,m Jumlahkan pada seluruh keadaan energi yang terisi: n( r) = ψ α ( r) 2 = f n (r) 2 r Yl m (θ, φ) 2 α n,l,m Besaran σ(r) memberikan informasi seberapa banyak muatan terdistribusi di kulit yang berada pada jarak tertentu dari inti ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 26 / 70

Metode SCF untuk Atom Suku Interaksi dan Pendekatan Hartree Perhitungan integral pada N e : bagi dua daerah r luar r r dalam (a) (a) Kulit muatan berjarak r dari pusat. (b) Ruang bola dibagi menjadi dua daerah, dalam dan luar. Kontribusi pada potensial SCF: U scf (r) = Z 1 [ e 2 r σ(r )dr + e2 Z 4πɛ 0 r 4πɛ 0 0 (b) r σ(r )dr ] r ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 27 / 70

Metode SCF untuk Atom Suku Interaksi dan Pendekatan Hartree Perhitungan integral pada N e : bagi dua daerah r luar r r dalam (a) (a) Kulit muatan berjarak r dari pusat. (b) Ruang bola dibagi menjadi dua daerah, dalam dan luar. Kontribusi pada potensial SCF: U scf (r) = Z 1 [ e 2 r σ(r )dr + e2 Z 4πɛ 0 r 4πɛ 0 0 (b) r σ(r )dr ] r ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 27 / 70

Metode SCF untuk Atom Suku Interaksi dan Pendekatan Hartree AWAL Tebak U scf (misalnya nol) Hitung U scf pendekatan Hartree Pecahkan persamaan Schrödinger: dapatkan nilai eigen dan fungsi eigen Belum Konvergen Periksa Konvergensi Hitung kerapatan n r Sudah Konvergen AKHIR ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 28 / 70

Metode SCF untuk Atom Terapan SCF pada Helium Perbandingan potensial inti dan potensial SCF untuk atom helium. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 29 / 70

Metode SCF untuk Atom Terapan SCF pada Helium Distribusi probabilitas radial untuk keadaan 1s atom helium dan hidrogen. Energi eigen numerik untuk helium: E = 24, 73 ev ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 30 / 70

Ikatan pada Molekul Sistematika 1 Pendahuluan 2 Persamaan Schrödinger dalam Matriks 3 Metode SCF untuk Atom 4 Ikatan pada Molekul 5 Konsep Fungsi Basis 6 Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Graphene dan Semikonduktor Struktur Nanomaterial 7 Simpulan ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 31 / 70

Ikatan pada Molekul Ikatan Ionik Pedoman konfigurasi elektron: Pers. Schrödinger dan Prinsip larangan Pauli Ikatan ionik biasanya dibentuk antara atom pada bagian kiri tabel periodik (misalnya Na) dengan atom pada bagian kanan tabel periodik (misalnya Cl) elektronegativitas ekstrem. Konfigurasi NaCl: Elektron valensi pada atom Na: 3s, energi 5 ev. Elektron valensi pada atom Cl: 3s (energi 29, 2 ev) dan 3p (energi 13, 8 ev) Elektron atom Na memiliki energi lebih tinggi turun tingkat dalam proses pembentukan ikatan. Hasilnya: Keadaan 3s atom Na tidak terisi elektron. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 32 / 70

Ikatan pada Molekul Ikatan Ionik Pedoman konfigurasi elektron: Pers. Schrödinger dan Prinsip larangan Pauli Ikatan ionik biasanya dibentuk antara atom pada bagian kiri tabel periodik (misalnya Na) dengan atom pada bagian kanan tabel periodik (misalnya Cl) elektronegativitas ekstrem. Konfigurasi NaCl: Elektron valensi pada atom Na: 3s, energi 5 ev. Elektron valensi pada atom Cl: 3s (energi 29, 2 ev) dan 3p (energi 13, 8 ev) Elektron atom Na memiliki energi lebih tinggi turun tingkat dalam proses pembentukan ikatan. Hasilnya: Keadaan 3s atom Na tidak terisi elektron. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 32 / 70

Ikatan pada Molekul Ikatan Ionik Pedoman konfigurasi elektron: Pers. Schrödinger dan Prinsip larangan Pauli Ikatan ionik biasanya dibentuk antara atom pada bagian kiri tabel periodik (misalnya Na) dengan atom pada bagian kanan tabel periodik (misalnya Cl) elektronegativitas ekstrem. Konfigurasi NaCl: Elektron valensi pada atom Na: 3s, energi 5 ev. Elektron valensi pada atom Cl: 3s (energi 29, 2 ev) dan 3p (energi 13, 8 ev) Elektron atom Na memiliki energi lebih tinggi turun tingkat dalam proses pembentukan ikatan. Hasilnya: Keadaan 3s atom Na tidak terisi elektron. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 32 / 70

Ikatan pada Molekul Ikatan Ionik Pedoman konfigurasi elektron: Pers. Schrödinger dan Prinsip larangan Pauli Ikatan ionik biasanya dibentuk antara atom pada bagian kiri tabel periodik (misalnya Na) dengan atom pada bagian kanan tabel periodik (misalnya Cl) elektronegativitas ekstrem. Konfigurasi NaCl: Elektron valensi pada atom Na: 3s, energi 5 ev. Elektron valensi pada atom Cl: 3s (energi 29, 2 ev) dan 3p (energi 13, 8 ev) Elektron atom Na memiliki energi lebih tinggi turun tingkat dalam proses pembentukan ikatan. Hasilnya: Keadaan 3s atom Na tidak terisi elektron. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 32 / 70

Ikatan pada Molekul Ikatan Kovalen Gas Hidrogen Argumen penurunan tingkat tidak berlaku untuk molekul dengan atom penyusun yang elektronegatifnya sama. menghasilkan ikatan kovalen. Contoh: H 2. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 33 / 70

Ikatan pada Molekul Ikatan Kovalen Gas Hidrogen Argumen penurunan tingkat tidak berlaku untuk molekul dengan atom penyusun yang elektronegatifnya sama. menghasilkan ikatan kovalen. Contoh: H 2. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 33 / 70

Ikatan pada Molekul Ikatan Kovalen Gas Hidrogen Argumen penurunan tingkat tidak berlaku untuk molekul dengan atom penyusun yang elektronegatifnya sama. menghasilkan ikatan kovalen. Contoh: H 2. Pembentukan molekul H 2. H H H H E 0 1s 1s E 0 E A E 0 = 13,6 ev E B ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 33 / 70

Konsep Fungsi Basis Sistematika 1 Pendahuluan 2 Persamaan Schrödinger dalam Matriks 3 Metode SCF untuk Atom 4 Ikatan pada Molekul 5 Konsep Fungsi Basis 6 Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Graphene dan Semikonduktor Struktur Nanomaterial 7 Simpulan ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 34 / 70

Konsep Fungsi Basis Formalisme Persamaan Schrödinger tak bergantung waktu, dalam bentuk persamaan nilai eigen: ĤΦ α = E α Φ α Fungsi gelombang Φ α dapat dinyatakan sebagai kombinasi linear dari himpunan fungsi basis {u m }: Φ α ( r) = M c m u m ( r) m=1 atau dalam matriks: Φ( r) {c 1 c 2...... c M } T Pemilihan basis yang tepat dapat mereduksi ukuran matriks Hamiltonian [H] dan waktu komputasi secara signifikan. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 35 / 70

Konsep Fungsi Basis Formalisme Persamaan Schrödinger tak bergantung waktu, dalam bentuk persamaan nilai eigen: ĤΦ α = E α Φ α Fungsi gelombang Φ α dapat dinyatakan sebagai kombinasi linear dari himpunan fungsi basis {u m }: Φ α ( r) = M c m u m ( r) m=1 atau dalam matriks: Φ( r) {c 1 c 2...... c M } T Pemilihan basis yang tepat dapat mereduksi ukuran matriks Hamiltonian [H] dan waktu komputasi secara signifikan. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 35 / 70

Konsep Fungsi Basis Formalisme Persamaan Schrödinger tak bergantung waktu, dalam bentuk persamaan nilai eigen: ĤΦ α = E α Φ α Fungsi gelombang Φ α dapat dinyatakan sebagai kombinasi linear dari himpunan fungsi basis {u m }: Φ α ( r) = M c m u m ( r) m=1 atau dalam matriks: Φ( r) {c 1 c 2...... c M } T Pemilihan basis yang tepat dapat mereduksi ukuran matriks Hamiltonian [H] dan waktu komputasi secara signifikan. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 35 / 70

Konsep Fungsi Basis Formalisme Substitusikan ekspansi Φ α ke dalam persamaan Schrödinger: Ĥ m c m u m ( r) = E m c m u m ( r) Kalikan dengan u n( r) dan integrasi kedua ruas untuk seluruh r: [ u n( r) Ĥ ] [ c m u m ( r) d r = u n( r) E ] c m u m ( r) d r m m H nm c m = E S nm c m m m dengan u n( r)ĥu m( r)d r = H nm, u n( r)u m ( r)d r = S nm. Persamaan Schrödinger matriks dalam fungsi basis: [H]{φ} = E[S]{φ} ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 36 / 70

Konsep Fungsi Basis Formalisme Substitusikan ekspansi Φ α ke dalam persamaan Schrödinger: Ĥ m c m u m ( r) = E m c m u m ( r) Kalikan dengan u n( r) dan integrasi kedua ruas untuk seluruh r: [ u n( r) Ĥ ] [ c m u m ( r) d r = u n( r) E ] c m u m ( r) d r m m H nm c m = E S nm c m m m dengan u n( r)ĥu m( r)d r = H nm, u n( r)u m ( r)d r = S nm. Persamaan Schrödinger matriks dalam fungsi basis: [H]{φ} = E[S]{φ} ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 36 / 70

Konsep Fungsi Basis Formalisme Substitusikan ekspansi Φ α ke dalam persamaan Schrödinger: Ĥ m c m u m ( r) = E m c m u m ( r) Kalikan dengan u n( r) dan integrasi kedua ruas untuk seluruh r: [ u n( r) Ĥ ] [ c m u m ( r) d r = u n( r) E ] c m u m ( r) d r m m H nm c m = E S nm c m m m dengan u n( r)ĥu m( r)d r = H nm, u n( r)u m ( r)d r = S nm. Persamaan Schrödinger matriks dalam fungsi basis: [H]{φ} = E[S]{φ} ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 36 / 70

Konsep Fungsi Basis Aplikasi pada H 2 u N r u N ' r + + U N R U N ' Pemilihan fungsi basis untuk molekul hidrogen. Ditunjukkan pula sketsa potensial akibat dua inti positif. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 37 / 70

Konsep Fungsi Basis Aplikasi pada H 2 Kerapatan elektron di sumbu yang menghubungkan dua atom hidrogen dalam molekul. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 38 / 70

Konsep Fungsi Basis Energi Ikat Gas Hidrogen Beberapa energi yang terlibat dalam pembentukan molekul gas hidrogen. Energi ikat sebuah molekul H 2 diestimasi dari 2(E B0 E 0 ) + U NN + U ee. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 39 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Sistematika 1 Pendahuluan 2 Persamaan Schrödinger dalam Matriks 3 Metode SCF untuk Atom 4 Ikatan pada Molekul 5 Konsep Fungsi Basis 6 Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Graphene dan Semikonduktor Struktur Nanomaterial 7 Simpulan ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 40 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Alur Perhitungan Perangkat Matematik + Komputasi: Trik komputasi persamaan matriks :: Matriks Hamiltonian Aproksimasi Beda Hingga :: Self-Consistent Field :: Pemilihan Fungsi Basis Objek yang diamati: Atom: Hidrogen dan Helium Molekul: Gas Hidrogen (H 2 ) Struktur Bulk : Rantai Atomik, Graphene, Galium Arsenida Nanomaterial: Carbon Nanotube ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 41 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Alur Perhitungan Perangkat Matematik + Komputasi: Trik komputasi persamaan matriks :: Matriks Hamiltonian Aproksimasi Beda Hingga :: Self-Consistent Field :: Pemilihan Fungsi Basis Objek yang diamati: Atom: Hidrogen dan Helium Molekul: Gas Hidrogen (H 2 ) Struktur Bulk : Rantai Atomik, Graphene, Galium Arsenida Nanomaterial: Carbon Nanotube ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 41 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Alur Perhitungan Perangkat Matematik + Komputasi: Trik komputasi persamaan matriks :: Matriks Hamiltonian Aproksimasi Beda Hingga :: Self-Consistent Field :: Pemilihan Fungsi Basis Objek yang diamati: Atom: Hidrogen dan Helium Molekul: Gas Hidrogen (H 2 ) Struktur Bulk : Rantai Atomik, Graphene, Galium Arsenida Nanomaterial: Carbon Nanotube ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 41 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Alur Perhitungan Perangkat Matematik + Komputasi: Trik komputasi persamaan matriks :: Matriks Hamiltonian Aproksimasi Beda Hingga :: Self-Consistent Field :: Pemilihan Fungsi Basis Objek yang diamati: Atom: Hidrogen dan Helium Molekul: Gas Hidrogen (H 2 ) Struktur Bulk : Rantai Atomik, Graphene, Galium Arsenida Nanomaterial: Carbon Nanotube ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 41 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Prinsip Dasar: Rantai Atomik 1D Pemodelan zat padat: periodisitas fungsi gelombang Rantai atomik satu dimensi dengan satu atom per titik kisi: Jika irisan fungsi gelombang antaratom diabaikan: H = diag (E 0 E 0... E 0 ). Jika atom-atom dibawa saling mendekat dan terjadi irisan antaratom, maka tetangga terdekat dari elemen diagonal matriks Hamiltonian tidak lagi bernilai nol. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 42 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Prinsip Dasar: Rantai Atomik 1D Pemodelan zat padat: periodisitas fungsi gelombang Rantai atomik satu dimensi dengan satu atom per titik kisi:......... 1 2 3 N 1 N Jika irisan fungsi gelombang antaratom diabaikan: H = diag (E 0 E 0... E 0 ). Jika atom-atom dibawa saling mendekat dan terjadi irisan antaratom, maka tetangga terdekat dari elemen diagonal matriks Hamiltonian tidak lagi bernilai nol. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 42 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Prinsip Dasar: Rantai Atomik 1D Pemodelan zat padat: periodisitas fungsi gelombang Rantai atomik satu dimensi dengan satu atom per titik kisi:......... 1 2 3 N 1 N Jika irisan fungsi gelombang antaratom diabaikan: H = diag (E 0 E 0... E 0 ). Jika atom-atom dibawa saling mendekat dan terjadi irisan antaratom, maka tetangga terdekat dari elemen diagonal matriks Hamiltonian tidak lagi bernilai nol. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 42 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Prinsip Dasar: Rantai Atomik 1D Pemodelan zat padat: periodisitas fungsi gelombang Rantai atomik satu dimensi dengan satu atom per titik kisi:......... 1 2 3 N 1 N Jika irisan fungsi gelombang antaratom diabaikan: H = diag (E 0 E 0... E 0 ). Jika atom-atom dibawa saling mendekat dan terjadi irisan antaratom, maka tetangga terdekat dari elemen diagonal matriks Hamiltonian tidak lagi bernilai nol. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 42 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Prinsip Dasar: Rantai Atomik 1D Irisan dua fungsi gelombang yang bertetangga pada rantai atomik: 1s...... fungsi gelombang beririsan 1s Matriks Hamiltonian: E 0 E ss 0 0 0 E ss E 0 E ss 0 0. H = 0 E ss E.. 0 0. 0 0..... Ess 0 0 0 E ss E 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 43 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Prinsip Dasar: Rantai Atomik 1D Irisan dua fungsi gelombang yang bertetangga pada rantai atomik: 1s...... fungsi gelombang beririsan 1s Matriks Hamiltonian: E 0 E ss 0 0 0 E ss E 0 E ss 0 0. H = 0 E ss E.. 0 0. 0 0..... Ess 0 0 0 E ss E 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 43 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Prinsip Dasar: Rantai Atomik 1D Ditambah syarat periodisitas: ψ E 1 0 E ss 0 0 0 E ss ψ 2. ψ 1 E ss E.. 0 0 Ess 0 E.. 0... ψ 2.. Ess 0 0 ψ = n. 0 0 E...... ss 0 ψ n.. 0 E ss 0.. E0 E ss. ψ N E ss 0 0 0 E ss E ψ 0 N Untuk setiap baris matriks berlaku: Eψ n = E ss ψ n 1 + E 0 ψ n + E ss ψ n+1 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 44 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Prinsip Dasar: Rantai Atomik 1D Ditambah syarat periodisitas: ψ E 1 0 E ss 0 0 0 E ss ψ 2. ψ 1 E ss E.. 0 0 Ess 0 E.. 0... ψ 2.. Ess 0 0 ψ = n. 0 0 E...... ss 0 ψ n.. 0 E ss 0.. E0 E ss. ψ N E ss 0 0 0 E ss E ψ 0 N Untuk setiap baris matriks berlaku: Eψ n = E ss ψ n 1 + E 0 ψ n + E ss ψ n+1 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 44 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Solusi Rantai 1D Tebak: ψ n = ψ 0 e inφ, sehingga ψ n 1 ψ n+1 E = E ss + E 0 + E ss = E ss e iφ + E 0 + E ss e +iφ ψ n ψ n = E 0 + 2E ss cos φ. Beri batasan E terkait dengan jumlah nilai eigen yang berhingga, tidak kontinu. Batasi rentang φ dan diskretisasi nilainya: ψ n = ψ 0 e in(φ+2π) = ψ 0 e inφ ; ψ n+1 = ψ 0 e in(n+1)φ = ψ 1 e inφ = 1 Nφ = 2πα φ = α 2π N Jika jarak antartitik kisi a, maka: φ α = k α a = α 2π N ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 45 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Solusi Rantai 1D Tebak: ψ n = ψ 0 e inφ, sehingga ψ n 1 ψ n+1 E = E ss + E 0 + E ss = E ss e iφ + E 0 + E ss e +iφ ψ n ψ n = E 0 + 2E ss cos φ. Beri batasan E terkait dengan jumlah nilai eigen yang berhingga, tidak kontinu. Batasi rentang φ dan diskretisasi nilainya: ψ n = ψ 0 e in(φ+2π) = ψ 0 e inφ ; ψ n+1 = ψ 0 e in(n+1)φ = ψ 1 e inφ = 1 Nφ = 2πα φ = α 2π N Jika jarak antartitik kisi a, maka: φ α = k α a = α 2π N ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 45 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Solusi Rantai 1D Tebak: ψ n = ψ 0 e inφ, sehingga ψ n 1 ψ n+1 E = E ss + E 0 + E ss = E ss e iφ + E 0 + E ss e +iφ ψ n ψ n = E 0 + 2E ss cos φ. Beri batasan E terkait dengan jumlah nilai eigen yang berhingga, tidak kontinu. Batasi rentang φ dan diskretisasi nilainya: ψ n = ψ 0 e in(φ+2π) = ψ 0 e inφ ; ψ n+1 = ψ 0 e in(n+1)φ = ψ 1 e inφ = 1 Nφ = 2πα φ = α 2π N Jika jarak antartitik kisi a, maka: φ α = k α a = α 2π N ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 45 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Solusi Rantai 1D Tebak: ψ n = ψ 0 e inφ, sehingga ψ n 1 ψ n+1 E = E ss + E 0 + E ss = E ss e iφ + E 0 + E ss e +iφ ψ n ψ n = E 0 + 2E ss cos φ. Beri batasan E terkait dengan jumlah nilai eigen yang berhingga, tidak kontinu. Batasi rentang φ dan diskretisasi nilainya: ψ n = ψ 0 e in(φ+2π) = ψ 0 e inφ ; ψ n+1 = ψ 0 e in(n+1)φ = ψ 1 e inφ = 1 Nφ = 2πα φ = α 2π N Jika jarak antartitik kisi a, maka: φ α = k α a = α 2π N ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 45 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Struktur Dua Atom per Titik Kisi Distorsi Peirl mengubah bentuk 1 atom (orbital) per titik kisi menjadi 2 atom (orbital) per titik kisi.......... 1 1' 2 2' 3 3' N N' Pers. matriks: E ψ 1 ψ 1. ψ N ψ N E 0 E ss E ss E ss E 0 E ss = E. ss E.. 0...... E ss ψ 1 ψ 1. ψ N ψ N ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 46 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Struktur Dua Atom per Titik Kisi Distorsi Peirl mengubah bentuk 1 atom (orbital) per titik kisi menjadi 2 atom (orbital) per titik kisi.......... 1 1' 2 2' 3 3' N N' Pers. matriks: E ψ 1 ψ 1. ψ N ψ N E 0 E ss E ss E ss E 0 E ss = E. ss E.. 0...... E ss ψ 1 ψ 1. ψ N ψ N ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 46 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Struktur Dua Atom per Titik Kisi Triks solusi {φ n } = φ N { ψ n ψ n } φ 1 H 11 H 12 φ 1 φ E 2. = H 21 H 22 H 23 φ. H 32 H.. 2 33....... dengan [ ] [ ] [ ] E 0 E ss 0 0 0 E ss H nm =, H n,n+1 = E ss E 0 E, H n,n 1 = ss 0 0 0 φ N ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 47 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Solusi Dua Orbital Rantai Atom Untuk setiap baris persamaan matriks, dapat dituliskan Eφ n = H nn φ n + H n,n 1 φ n 1 + H n,n+1 φ n+1 Tebak solusi: φ n = φ 0 e ikna Substitusikan: Eφ 0 = H nn φ 0 + H n,n 1 e ika φ 0 + H n,n+1 e ika φ 0, menghasilkan [ ] E 0 E ss + E E{φ 0 } = sse ika E ss + E sse ika {φ 0 }. E 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 48 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Solusi Dua Orbital Rantai Atom Untuk setiap baris persamaan matriks, dapat dituliskan Eφ n = H nn φ n + H n,n 1 φ n 1 + H n,n+1 φ n+1 Tebak solusi: φ n = φ 0 e ikna Substitusikan: Eφ 0 = H nn φ 0 + H n,n 1 e ika φ 0 + H n,n+1 e ika φ 0, menghasilkan [ ] E 0 E ss + E E{φ 0 } = sse ika E ss + E sse ika {φ 0 }. E 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 48 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Solusi Dua Orbital Rantai Atom Untuk setiap baris persamaan matriks, dapat dituliskan Eφ n = H nn φ n + H n,n 1 φ n 1 + H n,n+1 φ n+1 Tebak solusi: φ n = φ 0 e ikna Substitusikan: Eφ 0 = H nn φ 0 + H n,n 1 e ika φ 0 + H n,n+1 e ika φ 0, menghasilkan [ ] E 0 E ss + E E{φ 0 } = sse ika E ss + E sse ika {φ 0 }. E 0 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 48 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Solusi Dua Orbital Rantai Atom Tentukan nilai eigen: E 0 E E ss + E sse ika E ss + E sse ika E 0 = 0 Hasilnya: E = E 0 ± E 2 ss + E 2 ss + 2E ss E ss cos(ka) Muncul dua cabang kurva yang berkaitan dengan jumlah basis (orbital atom) yang dipilih per titik kisi. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 49 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Solusi Dua Orbital Rantai Atom Tentukan nilai eigen: E 0 E E ss + E sse ika E ss + E sse ika E 0 = 0 Hasilnya: E = E 0 ± E 2 ss + E 2 ss + 2E ss E ss cos(ka) Muncul dua cabang kurva yang berkaitan dengan jumlah basis (orbital atom) yang dipilih per titik kisi. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 49 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Solusi Dua Orbital Rantai Atom Tentukan nilai eigen: E 0 E E ss + E sse ika E ss + E sse ika E 0 = 0 Hasilnya: E = E 0 ± E 2 ss + E 2 ss + 2E ss E ss cos(ka) Muncul dua cabang kurva yang berkaitan dengan jumlah basis (orbital atom) yang dipilih per titik kisi. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 49 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Hubungan Dispersi Hubungan dispersi untuk rantai atomik satu dimensi dengan dua atom per titik kisi. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 50 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Generalisasi Prosedur Prosedur perhitungan struktur energi untuk rantai atomik dapat diperluas untuk sembarang zat padat periodik dengan sembarang jumlah fungsi basis per titik kisi (atau sel satuan) Tinjau sebuah sel satuan n yang terkait dengan sel satuan tetangganya m oleh matriks [H nm ] berukuran (b b), dengan b adalah jumlah fungsi basis per sel satuan: [H nm ]{φ m } = E{φ n } Tebakan solusi: {φ m } = {φ 0 }e i k r m sehingga m E{φ 0 } = [h( k)]{φ 0 }; [h( k)] = m [H nm ]e i k ( r m r n) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 51 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Generalisasi Prosedur Prosedur perhitungan struktur energi untuk rantai atomik dapat diperluas untuk sembarang zat padat periodik dengan sembarang jumlah fungsi basis per titik kisi (atau sel satuan) Tinjau sebuah sel satuan n yang terkait dengan sel satuan tetangganya m oleh matriks [H nm ] berukuran (b b), dengan b adalah jumlah fungsi basis per sel satuan: [H nm ]{φ m } = E{φ n } Tebakan solusi: {φ m } = {φ 0 }e i k r m sehingga m E{φ 0 } = [h( k)]{φ 0 }; [h( k)] = m [H nm ]e i k ( r m r n) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 51 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Rantai Atomik 1D Generalisasi Prosedur Prosedur perhitungan struktur energi untuk rantai atomik dapat diperluas untuk sembarang zat padat periodik dengan sembarang jumlah fungsi basis per titik kisi (atau sel satuan) Tinjau sebuah sel satuan n yang terkait dengan sel satuan tetangganya m oleh matriks [H nm ] berukuran (b b), dengan b adalah jumlah fungsi basis per sel satuan: [H nm ]{φ m } = E{φ n } Tebakan solusi: {φ m } = {φ 0 }e i k r m sehingga m E{φ 0 } = [h( k)]{φ 0 }; [h( k)] = m [H nm ]e i k ( r m r n) ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 51 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Graphene dan Semikonduktor Geometri Graphene y x sel satuan a 0 Sketsa graphene: sel satuan dipilih terdiri dari dua atom karbon. R = m a 1 + n a 2 a 1 = aˆx + bŷ a 2 = aˆx bŷ a = 3a 0 2 dan b = 3a0 2. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 52 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Graphene dan Semikonduktor Geometri Graphene Kisi nyata dan kisi resiprok graphene. a 1 a, b 0,2 /3b b 1 /a, /3b a 2 a, b /a, /3b b 2 Vektor kisi resiprok K = M b 1 + N b 2 b1 = 2π( a 2 ẑ) a 1 ( a 2 ẑ = π a ˆx+π b ŷ; b2 = 2π(ẑ a 1) a 2 (ẑ a 1 ) = π a ˆx π b ŷ. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 53 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Graphene dan Semikonduktor Perhitungan Dispersi Graphene Ukuran matriks [h( k)] bergantung pada jumlah fungsi basis per sel satuan. Cukup gunakan orbital p z untuk graphene ini: [ ] [ ] [ ] [h( E 0 t 0 te i k a 1 0 te i k a 2 k)] = + + t E 0 0 0 0 0 [ ] [ ] 0 0 0 0 + + te i k a 1 0 te i k a 2 0 [ ] [h( E 0 h 0 k)] = h 0 E 0 dengan h 0 = t(1 + e i k a 1 + e i k a 2 ) = t(1 + 2e ikxa cos(k y b). ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 54 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Graphene dan Semikonduktor Perhitungan Dispersi Graphene Ukuran matriks [h( k)] bergantung pada jumlah fungsi basis per sel satuan. Cukup gunakan orbital p z untuk graphene ini: [ ] [ ] [ ] [h( E 0 t 0 te i k a 1 0 te i k a 2 k)] = + + t E 0 0 0 0 0 [ ] [ ] 0 0 0 0 + + te i k a 1 0 te i k a 2 0 [ ] [h( E 0 h 0 k)] = h 0 E 0 dengan h 0 = t(1 + e i k a 1 + e i k a 2 ) = t(1 + 2e ikxa cos(k y b). ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 54 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Graphene dan Semikonduktor Perhitungan Dispersi Graphene Ukuran matriks [h( k)] bergantung pada jumlah fungsi basis per sel satuan. Cukup gunakan orbital p z untuk graphene ini: [ ] [ ] [ ] [h( E 0 t 0 te i k a 1 0 te i k a 2 k)] = + + t E 0 0 0 0 0 [ ] [ ] 0 0 0 0 + + te i k a 1 0 te i k a 2 0 [ ] [h( E 0 h 0 k)] = h 0 E 0 dengan h 0 = t(1 + e i k a 1 + e i k a 2 ) = t(1 + 2e ikxa cos(k y b). ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 54 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Graphene dan Semikonduktor Kurva Dispersi (Surface) untuk Graphene E = E 0 ± h 0 = E 0 ± t [ 1 + 4 cos 2 (k y b) + 4 cos(k x a) cos(k y b) ] 1/2 3 2 E 1 t 0 1 2 3 4 2 2 k y a 0 0 0 2 2 k x a 0 4 4 4 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 55 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Graphene dan Semikonduktor Semikonduktor Zat Padat a y x Penampang dua dimensi dari kisi fcc. Setiap titik ditempati oleh satu macam atom. Dua kisi yang sama kemudian dapat membentuk struktur intan jika dipisahkan oleh seperempat jarak diagonal ruang. ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 56 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Graphene dan Semikonduktor Galium Arsenida Struktur Zincblende ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 57 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Graphene dan Semikonduktor Galium Arsenida Plot E( k) galium arsenida untuk setiap nilai k dalam rentang Γ X dan Γ L. Daerah Γ X terbentang pada k = 0 2π a ˆx (digambarkan di sumbu horizontal positif), sedangkan Γ L pada k = 0 π a (ˆx + ŷ + ẑ) (sumbu horizontal negatif). Celah energi: 1, 41 ev ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 58 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Struktur Nanomaterial Quantum Well, Wire, dan Dot Zat padat biasa Quantum well Quantum wire Quantum dot Struktur Bulk: Aproksimasi parabolik, E( k) E c + 2 (kx 2 + ky 2 + kz) 2 2m Quantum well: k z = nzπ L z (n z bilangan bulat) E nz (k x, k y ) E c + n 2 zɛ z + 2 (k 2 x + k 2 y) 2m ɛ z = 2 π 2 2m L 2 z ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 59 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Struktur Nanomaterial Quantum Well, Wire, dan Dot Quantum wire: E ny,n z (k x ) E c + n 2 yɛ y + n 2 zɛ z + 2 k 2 x 2m ɛ y = 2 π 2 2m L 2 y Quantum dot: E nx,n y,n z E c + 2 π 2 2m ( ) n 2 x L 2 + n2 y x L 2 + n2 z y L 2 z ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 60 / 70

Pita Energi Molekul dan Nanomaterial Struktur Nanomaterial Ketersediaan Keadaan Energi pada Graphene Carbon Nanotube penggulungan graphene 3 2 E 1 t 0 1 2 3 4 2 2 k y a 0 0 0 2 2 k x a 0 4 4 4 ART Nugraha (ITB) Simulasi Struktur Energi Elektronik 25 Juni 2008 61 / 70