Post on 24-Jul-2015
APLIKASI NANO SILIKON DALAM FOTONIK, ELEKTRONIK DAN AKUSTIK
Disampaikan Oleh:MELI MUCHLIAN
PROGRAM STUDI FISIKA
PASCASARJANAUNIVERSITAS ANDALAS
PENDAHULUANNano silikon dari electrochemical anodization memiliki beberapa fungsi spesifik sebagai material berukuran kuantum / Quantum size (memanfaatkan lebar band gapnya).
Aplikasi perangkat nanosilikon yang diatur band gapnya bisa dimanfaatkan sebagai emiter cahaya tampak, elektron balistik dan gelombang akustik.
Band dan Bandgap
EKSITASI Eksitasi dalam semikonduktor
Eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi menciptakan
pasangan elektron hole
h e (CB)h(VB)
E=h
optical detector
semiconductor
E
EVB
CBE h=Eg
Penciptaan pasangan lubang elektron di mana h adalah energi foton
exciton: elektron terikat dan pasangan hole yang biasanya terkait dengan elektron yang terjebak dalam keadaan lokal di band gap/ celah pita
Band Gap (energy barrier)
E
EVB
CBE
band-to-band recombination
recombination atinterband trap states (e.g. dopants, impurities)
E
EVB
CBEE=h
radiative recombination
non-radiative recombination
Proses rekombinasi
rekombinasi radiasi foton rekombinasi non-radiasi fonon (getaran kisi)
e (CB)h(VB) h
Sambungan Rekombinasi Pasangan Elektron Lubang
Rekombinasi terjadi dengan 2 cara:
radiatif and non-radiatif
Sambungan Foto Eksitasi
Foto eksitasi (a) semikonduktor intrinsik (b) ekstrinsik fotoelektrik detektor
Perangkat aplikasi nanosilikon (nc-Si)
Fo-tonik
Kontrol Bandgap dan blue
Phosphorescence (pemendaran warna
biru)
Kontrol Band-gap nanosilicon dengan perlakuan oksidasi
Hubungan waktu spektrum pendar biru pada nanosilicon teroksidasi
Lapisan nanosilikon yang di anodizing memiliki batas energi penyerapan kisaran 1,7 – 2,4 eV pada tekanan uap air tinggi (HWA).
Fo-tonik
Kontrol Bandgap dan blue
Phosphorescence (pemendaran warna
biru) continue HWA : PL (photoluminescence) = MERAH, EL (electroluminescence) stabilsaat dilakukan proses oksidasi warna merah berangsung jadi
BIRU PL
RTO (Rapid thermal oxidation) = PL tertinggi pada warna BIRU meskipun ada emisi merah pada PL puncakBiru PL: memancar dalam waktu nanodetik pada temperatur
rendahMerah PL: memancar dalam mikrosekon
HWA + RTO: PL BIRU lebih dominan dari MERAH dengan proses perpendaran berlangsung dalam beberapa detik
RTO + HWA : transisi warna biru tidak bisa diterangkan dengan gambaran pita energi.
Fo-tonik
Kontrol Bandgap dan blue
Phosphorescence (pemendaran warna
biru) continueFTIR (Fourier Transform Infra Red) = alat untuk mengidentifikasi gugus fungsi ikatan molekul
sampel RTO Si-Hx (x = 1, 2, 3)
sampel HWA asimetris Si-O-Si
FTIR dan contoh hasil FTIR
Fo-tonik
Avalanche photoconduction / foto
konduksi longsoran
Kebergantunan medan pada gelap dan foto-arus dari dioda nanosilicon pada
temperatur berbeda.
Pengaturan bandgap pada nanosilikon penting aplikasinya sebagai foto sensing dan konversi sel surya.Fotokonduksi (nanosilikon dot): pernah dikaji pada dioda diameter nanosilikon 3,1 nm yang dibias mundur
Film nanosilikon dalam wafer diolah dengan metoda CVD kering tekanan rendah dan oksidasi termal.
Efisiensi kuantum fotokonduksi menghasilkan cahaya monokromatik (400 nm) dan meningkat mencapai 2400% dengan bertambahnya medan listrik senilai 9x105 V/cm dan temperatur 77 K.
Lapisan dot nanosilikon berguna sebagai target fotokonduksi karena sensitiv terhadap tegangan operasi.
Perangkat Fo-tonik
Sel surya kristal nanosilikon:
Molekul pewarna /dye yang diberikan pada bahan nanosilikon. Lapisan nanosilicon + Rhodamine B/ Rhodamine
6G, atau keduanya, sampel berpendar merah Lapisan nanosilikon Rhodamine 110, sampel
berpendar biru
Efisiensi sel surya: Foton dengan energi yang lebih rendah dari band
gap tidak diserap Foton dengan energi lebih besar dari band gap
diserap tetapi kelebihan energi hilang sebagai panas.
Nano Silikon Fotonik
(a) Band-gap LED. (b) karakterisasi Elektro-optik dari
LED dengan silikon-nanokristal (Si-nc) ukuran berbeda (hitam kurva) dan struktur multilayer (kurva merah). Inset: efisiensi daya.SiO2: Silikon dioksida. SRO: Silicon (Si)-kaya oksida.
Nano Silikon Fotonik (con-tinue)
(a) Skematik transceiver.(b) Foto wafer dengan beberapa
perangkat yang terhubung melalui serat optik. Dua perangkat identik digunakansebagai sumber dan penerima. Link optik menggunakan serat optik multimode tampak.
(c) Konversi efisiensi daya sebagai fungsi dari arus emitor.
Inset: Waktu respon dari transceiver pada frekuensi 1MHz. Poly-n:N-type yang didoping polysilicon.
Nano Silikon Fotonik (con-tinue)
(a)Kualitatif sketsa mekanisme pelipatgandaan internal(generasi carrier sekunder) di sel surya Si-nc.(b) Photocurrent tambahan (ΔI) disebabkan oleh IR secara simultan pada penerangan oleh cahaya tampak (garis titik putus2 ) dan photocurrent di bawah hanya IR oleh pencahayaan (titik persegi) sebagai fungsi dari bias yang diterapkan. SRON: Si -rich oksinitrida.
Emisi Elektron Balistik
Operasi dalam vakumElektron panas dalam lapisan nanosilikon memungkinan untuk dioda nanosilikon menjadi emiter elektron.
Dioda nanosilikon memancarkan elektron quasi balistik pada permukaan elektroda
Aplikasi 1: parallel electric beam lytographySistem: sumber elektron nanosilikon planar dengan jendela emisi, wafer target, medan listrik dan medan magnet yang tegak lurus wafer target.Hasil: gambar garis2 beresolusi 30 nm dengan pola submikron dalam 2,8 mm2
Aplikasi 2: sumber probe gambarSistem: emiter yang dikombinasikan dengan rangkaian driver matrik aktif dengan target HARP (High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor).Hasil: Protitype sensor gambar 2/3 inci yang sangat sensitif dengan kualitas gambar 0,3 lx.
Perangkat Elektron Balistik ruang Vakum
Tahapan fabrikasi susunan emitor balistik permukaan. Susunan emitor poli-Si nanokristalin dibentuk pada substrat kaca.
Skema poli-Si berbasis katoda dingin pada substrat kaca.Film poli-Si di anodized untukmenghasilkan lapisan nc-Si diikuti oleh oksidasi termal cepat (RTO) atau proses oksidasi elektrokimia(ECO).
Perangkat Elektron Balistik ruang Vakum continue
emisi yang sesuai gambar
Sebuah struktur skematik penampang menyilang pada layar nc-PPS penuh warna yang dibuat pada kaca substrat
Perhatikan bahwa tidak ada yang memfokuskan elektroda antara perangkat dan layarfosfor. Parameter perangkat : Ukuran 2,6 inci; diagonal piksel 128 (RGB) x126 piksel; pixel pitch 50 µm; jarak vakum 3,5 mm; Tegangan mempercepat 5 kVPenggerak = modus matriks sederhana.
Perangkat Elektron Balistik ruang Vakum continue
Foto perangkat pencahayaan balistikpada keadaan on dan off.
Elektron energetik dihasilkan pada lapisan nc-Si langsung dirangsang oleh film flurecent (bahan organik dalam kasus ini). Emisi hijau seragam teramati pada saat diterapkan tegangan bias maju dari 25 V.
Emisi Elektron Balistik
Operasi dalam gasEmiter balistik nanosilikon pada gas atmosfer terlihat sebagai sumber ion negatif di udara dan sumber cahaya UV vakum (VUV) dalam gas Xe.
Energi elektron yang dipancarkan = energi memisahkan molekul oksigen
Emisi Elektron Balistik
Operasi dalam solusiEmisi balistik nanosilikon juga bisa beroperasi dalam cairan yang dimanfaatkan sebagai pengontrol pH dan jumlah H pada elektrokimia
Proses deposisi film tipis ini mengemiter dalam larutan garam-logamContoh: larutan CuSO4 yang dijadikan sebagai pengemisi elektron pada nanosilikon. Proses ini bisa dimanfaatkan untuk membuat susunan nano wires/ kabel nano Cu secara paralel
Driver tunggal emitor elektron nanosilicon dalam larutan CuSO4 dan gambar optik permukaan perangkat di sekitar area emisi setelah operasi.
Emisi Termo Akustik
Isolasi termal lapisan nanosilikon dapat dimanfaatkan sebagai pengemisi gelombang bunyi ke udara dengan getaran mekanik.
Perangkat ini terdiri dari: film tipis dengan elektroda panas lapisan nanosilikon lapisan kristal tunggal silikon
Cara Kerja:Saat tegangan AC atau pulsa listrik diberikan pada elektroda panas, tekanan suara secara signifikan dihasilkan oleh transfer panas cepat pada wilayah difusi termal panjang perangkat.
Thermo phone ini merespon frekuensi datar melebihi lebar range
Emisi Termo Akustik continue
Aplikasi sistem ini: sensor gambar objek 3D di udara transmisi informasi elektronik digitalAktuator non kontak pada MEMSDigital speaker
Bentuk gelombang dari impuls input listrik(atas) dan Output sinyal akustik pada transduser konvensional (tengah) dan perangkat nanosilicon (bawah)
Aplikasi Emisi Termo Akustik
Struktur dasar dari emitor akustik silikon berpori
Aplikasi Emisi Termo Akustik
Perangkat struktur dan operasi
(a) Pengukuran tinggi seorang pria berdiri 170 cm 1 m terpisah dari sensor gambar 3D danbola berdiameter 20 cm, (b): Hasil dari digitalisasi pada dua sudut pandang
KESIMPULAN
Efek Confinement nanosilikon dapat dimanfaatkan pada berbagai aplikasi pendar biru dan longsoran foto konduksi berpotensi sebagai pengembang
perangkat fotonik operasi emiter elektron balistik dalam ruang hampa, gas dan larutan
menimbulkan fenomena karakteristik fisika dan kimia Emisi termal akustik untuk aplikas perangkat digital
DAFTAR PUSTAKA
Koshida, N, et all. 2011. Photonic, Electronic, and Acustic Applications of Nanosilikon. Proceedings Of International Conference Nanomeeting. Minsk, Belarus
Koshida, N, et all. 2003. Application of Nanocrystalline Silicon and Ballistic Electron Emitter to Flat Panel Display Device. The Electrochemical Society Interface –Summer
Pavesi, Lorenzo. 2010. Nanosilicon Photonics. SPIE
Shinoda, Hiroyuki. 2009. Ultrasonic Emission from Nanocrystalline Porous Silicon. Device Applications of Silicon Nanocrystals and Nanostructures. Springer Science + Business Media, LLC
Definisi Kata
• Fotonik merupakan bidang ilmu dan kajian tentang optik dan rekayasa optik, yang berhubungan dengan partikel foton dalam spektrum elektromagnetik.
• Akustik adalah interdisiplin ilmu yang mempelajari fenomena gelombang suara di berbagai bidang, yang berkaitan dengan segala aspek tentang sumber suara, medium perambatan, dan penerima.
2828
Sel Surya
• Efek Photovoltaic:– Sambungan p-n– Sinar matahari
mengakibatkan elektron bergerak dan menciptakan pasangan elektron – hole
– Elektron terkonsentrasi pada satu sis dan hole di sisi lainnya
– Ketika kedua sisi diberika medan listrik, maka akan timbul arus listrik
2929
BAGAIMANA QUANTUM DOT MENINGKATKAN EFISIENSI SEL SURYA?
Quantum dot dapat menghasilkan beberapa eksiton (pasangan elektron-hole) setelah bertabrakan dengan foton