Studi Material ZnO sebagai Basis Pengembangan Material Optoeletronik dengan Metode DFT

Abstract

Nano sains dan teknologi telah merevolusi berbagai sektor industri. Pengembangan material nanopartikel dewasa ini sangat penting. Kelebihan yang dimiliki oleh nanopartikel ada pada nilai perbandingan antara luas permukaan dan volume yang lebih besar jika dibandingkan dengan partikel sejenis dalam ukuran besar. Aplikasi yang sering dipakai terkait nanopartikel misalnya material ZnO (zinc Oxide) yang ditentukan oleh sifat fundamentalnya. ZnO banyak dipakai dalam berbagai keperluan, sebagai katalis maupun sebagai pendukung katalis, dan sebagai semikonduktor. ZnO memiliki sejumlah keunikan pada senyawa kimianya dapat berpadu dengan senyawa semikonduktor. ZnO merupakan material semikonduktor dengan tipe-n. ZnO memiliki beberapa struktur yaitu wurtzite (B4), zincblende (B3), dan roksalt (B1). Pada penelitian ini dilakukan simulasi secara komputasi menggunakan metode DFT dengan material ZnO struktur wurtzite. Alasan memakai struktur wurtzite, karena struktur ini adalah struktur yang paling stabil diantara tiga struktur dari ZnO. Hal yang menjadikan material ZnO sebagai bahan penelitianm ini, karena material ZnO dapat dikembangkan sebagai basis pengembangan optoeletronik berdasarkan sifatnya fundamentalnya. Penelitian ini menghitung besaran celah pita dan DOS (Density Of State) dari material ZnO. Penelitian menggunakan DFT yang merupakan salah satu metode komputasi yang sering digunakan riset material yang dikembangkan berdasarkan prinsip mekanika kuantum yang berguna untuk mempelajari dan memprediksi sifat - sifat fisis bahan. Penelitian menggunakan software HiLAPW dirancang khusus untuk dapat melakukan perhitungan struktur pita dan DOS dengan lebih akurat dibanding dengan program DFT yang lain seperti Quantum Espresso dan VASP, meskipun secara komputasi sangat berat dibanding keduanya. Pada penelitian ini diketahui sifat fisis elektronik dari bahan ZnO, yaitu karakter dari DOS dan struktur pita energi menggunakan metode DFT dengan software HiLAPW yang dikembangkan oleh Prof. Tamio Oguchi (Jepang). Hasil perhitungan DOS menunjukkan bahwa material ZnO memiliki sifat sebagai bahan konduktif yang terlihat pada pita valensi dan pita konduksi. Hal ini menjadikannya media baik untuk membatasi arus listrik yang keluar maupun arus listrik yang masuk, dimana konduktansinya bervariasi tergantung pada arus dan tegangan yang diberikan. Hasil perhitungan struktur pita ini tampak bahwa ZnO merupakan material semikonduktor dengan celah pita langsung, dimana titik maksimum dan minimum antara pita valensi dan pita konduksi sejajar. Pada struktur pita energi yang diamati disekitar tingkat energi fermi dan dari penelitian ini menunjukkan bahwa material ini memiliki sifat semikondukor. Material ini menunjukkan bahwa material bersifat semikonduktor dengan adanya celah pita dengan konduktivitas listrik yang berada pada insulator dan konduktor. Pengaruh variasi konstanta kisi untuk temperatur yang berbeda pada material ZnO mempengaruhi besaran celah pita, dimana semakin besar suhu kalsinasi akan mempengaruhi sifat dari partikel dan celah pita akan semakin kecil. Penelitian yang menggunakan HiLAPW memperoleh hasil dengan energi celah pita sebesar 0.732 eV. HiLAPW adalah suatu program yang tidak perlu adanya pseudopotential akan tetapi memerlukan sebuah input dari struktur kristal dan jenis atom material yang akan dihitung secara komputasi. Perbandingan penelitian ini dilakukan dengan simulasi Quantum Espresso dimana input dari simulasi Quantum Espresso memerlukan adanya pseudopotential yang mana perlu adanya riset lagi terkait masing-masing material. Hasil yang didapatkan dari simulasi Quantum Espresso memperoleh energi celah pita sebesar 0.65 eV. Hal ini membuktikan bahwa HiLAPW menghitung secara komputasi lebih baik tanpa adanya input pseudopotential dan hasilnya mendekati nilai dari hasil eksperimen meskipun masih jauh dari hasil eksperimen yang menghasilkan energi celah pita sebesar 3.37 eV