BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dewasa ini, banyak penelitian dalam fisika material mampat mengenai semikonduktor yang difokuskan untuk aplikasi dalam bentuk divais spintronik, dimana spin elektron bertindak sebagai objek yang membawa informasi selain sebagai muatan. Keunggulan dari divais-divais spintronik adalah kemampuan proses data yang cepat, ukuran divais yang lebih kecil, dan konsumsi energi yang kecil dibandingan dengan divais-divais elektronik konvensional. Untuk menggabungkan spintronik ke dalam teknologi semikonduktor, maka perlu dilakukan kajian lebih lanjut seperti efisien injeksi, transportasi spin dalam material elektronik, kontrol dan manipulasi, dan deteksi polarisasi spin. Kemajuan teknologi dalam rekayasa material baru juga sangat menjanjikan untuk mewujudkan divais spintronik dalam waktu dekat (Wolf, S. A. dkk, 2001). Sejak penemuan graphene, material dua dimensi (2D) yang berbentuk lembaran datar tipis yang memiliki sifat eksotik seperti mobilitas carries yang sangat tinggi, maka pencarian eksplorasi material 2D yang baru telah banyak dilakukan oleh para peneliti karena material ini memiliki potensi untuk berbagai macam aplikasi devais baik itu optik, elektronik, maupun magnetik (Novoselov dkk, 2005). Hal inilah yang mendorong para ilmuan untuk melakukan observasi dan pencarian material baru berstuktur 2D. Material yang menjadi perhatian para peneliti dalam pengembangan material spintronik dalam dekade terakhir ini adalah Transition Metal Dechalcogenides (TMD) (Hirohata & Takanashi 2014). Material 2D TMD merupakan semikonduktor yang memiliki struktur heksagonal dengan konfigurasi X-M-X dengan atom M berasal dari kelompok logan transisi seperti Molybdenum (Mo) dan atom X berasal dari golongan chalcogen seperti sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te). Ada beberapa 1
2 perbedaan antara material 2D TMD dengan graphene, salah satunya adalah material 2D berbasis TMD ini memiliki interaksi spin orbit yang kuat sehingga mampu menginduksi energi spin-splitting yang besar. Oleh karena itu sistem material spintronik berbasis 2D TMD ini mampu beroperasi pada temperatur ruang (Yaji dkk, 2010). Interaksi spin orbit material 2D TMD ini juga dapat secara mudah dikontrol dengan medan listrik luar menggunakan tegangan gerbang atau dengan merusak simetri dari geometri kristal dalam bentuk lowdimensional system (Awschalom dan Samarth 2009). Beberapa penerapan dari material berbasis 2D TMD dengan mengontrol spin orbit menggunakan medan listrik luar, diantaranya adalah spin diodes, spin filters, spin cubits dan spinfield effect transistor (S-FET) (Fabian & Sarma 2004). Meterial TMD selain memiliki interaksi spin orbit yang kuat, juga memiliki orientasi spin yang berarah fully out of plane di sekitar K-point pada zona Brillouin pertama (Yuan dkk, 2013). Hal ini akan menginduksi adanya medan magnetik efektif searah terhadap arah spin. Akibatnya, waktu hidup dan waktu relaksasi spin menjadi sangat lama (Bernevig dkk, 2006). Ketika waktu hidup dan waktu relaksasi spin sangat lama, maka kontrol dan manipulasi terhadap sifat-sifat spin menjadi lebih mudah dengan energi yang sekecil mungkin. Kondisi inilah yang kemudian menjadikan divais spintronik lebih membutuhkan energi yang lebih kecil dibanding dengan divais-divais elektronik konvensional (Absor dkk, 2015). Oleh sebab itu material 2D TMD sangat menjanjikan dalam pengembangan material spintronik karena dapat melengkapi kekurangan dari graphene (Novoselov dkk, 2005). Berdasarkan uraian di atas, maka pada penelitian ini akan dilakukan kajian mengenai sistem 2D TMD. Penelitian ini akan difokuskan pada pengaruh interaksi spin orbit pada valley disekitar pita valensi maksimum dan pita konduksi minimum pada zona Brilouin pertama pada struktur MX2 monolayer. Dalam hal ini atom M adalah molybdenum (Mo) dan atom X divariasi dari sulfur (S), selenium (Se), dan tellurium (Te) yang merupakan golongan chalcogen. Karena pada kajian ini melibatkan banyak partikel, maka akan digunakan metode yang dapat menyederhanakan perhitungan kuantum dalam
3 kasus banyak partikel yang dikenal sebagai Density Functional Theory (DFT). Ide utama dari DFT adalah kerapatan elektron dalam keadaan dasar digunakan untuk menghitung fungsi gelombang dalam keadaan dasar. Fungsi gelombang yang biasanya didefinisikan dalam fungsi banyak variabel dapat digantikan dengan fungsi gelombang yang merupakan fungsional dari kerapatan elektron, namun tetap memberikan informasi kuantitas fisis yang sama. 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah pada penelitian ini adalah: 1. Bagaimana pengaruh interaksi spin orbit dalam material 2D TMD berstruktur MoX2 monolayer pada struktur elektroniknya? 2. Bagaimana pengaruh atom chalcogen sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te) dalam material 2D TMD berstruktur MoX2 monolayer pada struktur elektroniknya? 3. Bagaimana pengaruh efek medan listrik terhadap perubahan struktur elektronik material 2D berbasis TMD berstruktur MoX2 monolayer? 4. Bagaimana perbandingkan hasil perhitungan yang diperoleh seperti: struktur pita elektronik dan DOS dengan hasil eksperimen yang sudah ada? 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah: 1. Mengetahui pengaruh interaksi spin orbit dalam material 2D TMD berstruktur MoX2 monolayer pada struktur elektroniknya. 2. Mengetahui pengaruh atom chalcogen Sulfur (S), Selenium (Se), Tellurium (Te) dalam material 2D TMD berstruktur MoX2 monolayer pada struktur elektroniknya. 3. Mengetahui pengaruh efek medan listrik terhadap perubahan struktur elektronik material 2D berbasis TMD berstruktur MoX2 monolayer. 4. Mengetahui perbandingkan hasil perhitungan yang diperoleh seperti: struktur pita elektronik dan DOS dengan hasil eksperimen yang sudah ada. 1.4 Batasan Masalah Pada penelitian ini dibatasi pada material TMD MoX2 dengan variasi X=S, Se, dan Te. Kajian interaksi spin orbit pada penelitian ini difokuskan pada
4 spin-splitting di high symmetry point pada pita valensi maksimum maupun pita konduksi minimum. Serta pemberian efek medan listrik dengan variasi (0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 V/ Å) untuk melihat pengaruhnya terhadap struktur elektronik MoX2 monolayer. 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini yaitu dapat memberikan informasi dalam pengembangan material spintronik yang diberi pengaruh efek medan listrik terhadap sturktur elektronik MoX2 monolayer, sehingga dapat mengembangkan divais-divais dengan kemampuan proses data yang lebih cepat, ukuran divais yang lebih kecil, dan konsumsi energi yang kecil dibandingkan dengan divais-divais elektronik konvensional. 1.6 Sistematika Penulisan Skripsi ini terdiri dari 6 bab dan lampiran dengan rincian sebagai berikut: 1. BAB I menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian dan manfaat penelitian. 2. BAB II memuat tinjauan pustaka, berbentuk uraian sistematis terkait beberapa penelitian terdahulu mengenai interaksi spin orbit dan valley di sekitar K-point pada zona Brillouin pertama untuk material 2D berbasis TMD. 3. BAB III memuat landasan teori yang mendukung, sekaligus menjadi bahan acuan teoritik yang digunakan dalam penelitian ini. 4. BAB IV membahas metode penelitian dan prosedur penelitian yang akan dilakukan. 5. BAB V menyajikan hasil perhitungan komputasi yang menjelaskan pengaruh interaksi spin orbit, pengaruh atom chalcogen sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), dan pengaruh efek medan listrik terhadap perubahan struktur elektronik pada material MoX2 monolayer. Serta menyajikan perbandingkan hasil perhitungan yang diperoleh seperti: struktur pita elektronik dan DOS dengan hasil eksperimen yang sudah ada. 6. BAB VI merupakan penutup, yang berisi kesimpulan yang diperoleh dari pembahasan terhadap hasil perhitungan komputasi dan saran yang
5 diperlukan untuk pengembangan penelitian material spintronik yang mensyaratkan: interaksi spin orbit yang kuat dan memiliki orientasi spin fully out of plane.