Indo. J. Chem. Sci. 2 (1) (2013)Indonesian Journal of Chemical Sciencehttp://journal.unnes.ac.id/sju/index.php/ijcs

© 2013 Universitas Negeri SemarangISSN NO 2252-6951

Info Artikel Abstrak

Abstract

PENGARUH ENKAPSULASI Cu DAN Fe TERHADAP BAND GAP SILIKON NANOTUBE(10,0)MENGGUNAKAN DFTIwan Kurniawan*), Agung Tri Prasetya dan HarjitoJurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri SemarangGedung D6 Kampus Sekaran Gunungpati Telp. (024)8508112 Semarang 50229

Sejarah Artikel:Diterima Januari 2013Disetujui Februari 2013Dipublikasikan Mei 2013

Silikon Nanotube(10,0) (SiNT) yang bersifat semikonduktor mendekati metalikdengan band gap 0,1 eV diharapkan menjadi alternatif bagi perkembanganindustri semikonduktor jika band gap bisa dinaikkan kedalam rangesemikonduktor, yaitu sekitar 1 sampai 4 eV. Dalam Penelitian ini, optimasigeometri dilakukan dengan menggunakan software Gaussian® 03W dan hasilnyadianalisis dengan menggunakan software GaussSum. Pemodelan SiNT(10,0) terdiridari 2 repetisi cincin Si dengan total atom Si sebanyak 80 atom. Energi total danband gap diukur menggunakan metode DFT B3LYP dengan basis set 3-21G. Energitotal dari optimasi geometri SiNT(10,0), SiNT(10,0)-Cu, dan SiNT(10,0)-Fe berturut-turut adalah -23050,1933899 Hartree, -24682,6747646 Hartree dan-24307,6639011 Hartree. Dari hasil optimasi geometri, pengenkapsulasian logammempengaruhi kestabilan struktur dengan ditandainya energi makin rendah.Band gap SiNT(10,0), SiNT(10,0)-Cu, dan SiNT(10,0)-Fe berturut-turut adalah 0,25;1,22 dan 0,25 eV. Fe memiliki sifat feromagnetik dimana sifat kemagnetannyalebih kuat dari Cu yang memiliki sifat diamagnetik. Akibatnya fermi level padaSiNT(10,0)-Fe menurun dari struktur SiNT(10,0), Cu mempunyai jari-jari kovalenlebih besar dari Fe, sehingga interaksi elektron antara Cu dengan atom-atom Silebih kuat mengakibatkan diameter SiNT lebih kecil, sehingga band gap makinbesar. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa SiNT(10,0)-Cu dapat lebihmenstabilkan struktur dan menaikkan band gap dari SiNT(10,0) daripada SiNT(10,0)-Fe.

Alamat korespondensi:E-mail: iwak.tok@gmail.com

Kata kunci:silikon nanotubeenkapsulasiband gapDFT

Silicon Nanotube(10.0) (SiNT), a semiconductor with band gap approachingmetallic at 0.1 eV is expected to be an alternative for the development of thesemiconductor industry if the band gap can be raised into the semiconductorsrange, which is about 1-4 eV. In this study, geometric optimization been usedGaussian® 03W software and the results were analyzed using GaussSumsoftware. Modeling SiNT (10.0) consists of 2 reps ring with a total Si atom by 80atoms. The total energy and the band gap is measured using DFT B3LYP methodwith 3-21G basis set. The total energy of the geometry optimization SiNT(10.0),SiNT(10.0)-Cu, and SiNT(10.0)-Fe respectively -23050.1933899 Hartree,-24307.6639011 Hartree and -24682.6747646 Hartree. From the results ofgeometry optimization, metal encapsulation tagged affect the stability of thestructure with the lower energy. Band gap SiNT(10.0), SiNT(10.0)-Cu, andSiNT(10.0)-Fe respectively is 0.25 eV, 1.22 eV and 0.25 eV. Fe has ferromagneticproperties where the properties are stronger than Cu magnetic properties havediamagnetic. Consequently fermi level on SiNT(10.0)-Fe decreased fromSiNT(10.0) structure, Cu has covalent radii larger than Fe, so the interaction ofelectrons between Cu with Si atoms is stronger result smaller SiNT diameter, sothat the band gap bigger. From this research it can be concluded that theSiNT(10.0)-Cu may further stabilize the structure and increase the band gap of

36

I Kurniawan / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)Pendahuluan

Silikon Nanotube (SiNT) adalahnanopartikel yang membentuk seperti strukturtabung dari atom silikon. Struktur dari SiNTmasih membuka pertanyaan dasar fisika dankimianya, yang jelas memerlukan upaya untukdibuktikan meskipun silikon dan karbon adalahisovalen, perilaku mereka pada pembentukanikatan kimia sangat berbeda, antara lainhibridisasi sp2 lebih stabil pada karbon,sedangkan hibridisasi sp3 lebih stabil padasilikon (Verma et al, 2008), ini menandakanbahwa silikon pada saat berhibridisasi sp2ikatannya kurang stabil dibandingkan dengankarbon.

Kajian tentang SiNT mulai berkembang,seperti: Fagan et al, sebagaimana dikutip olehPradhan & Ray (2005) mempelajari sifatelektronik, struktural, dan termal dari tigainfinite SiNT, yaitu struktur armchair (6,6), zigzag(6,0), dan chiral (8,2) dengan metode LDA DFTkomparatip (local density approximation to densityfunctional theory) yang dinyatakan bahwa silikonnanotube mirip dengan karbon nanotube, silikonnanotube mungkin bersifat metalik (armchair)atau semikonduktor (zigzag dan chiral),bergantung kepada kiralitas struktur (Fagan etal, 2001). Zhang et al, yang dikutip oleh Pradhan& Ray (2005), mempelajari tiga struktur darifinite SiNT pada B3LYP / 6 - 31G (d). Merekameramalkan bahwa struktur silikon armchairlebih stabil dibandingkan struktur zigzag.

Gambar 1. Proses disintregrasi pada (a)-(c)silikon (10,0); dan (d)-(f) karbon (10,0) nanotube.Menurut Fagan et al, (2001), SiNT (10,0)

kurang stabil dibandingkan CNT (10,0) danmenemukan (6,6) dan (6,0) SiNT bersifatmetalik, tapi mereka memprediksi zigzag (10,0)dan (12,0) nanotube adalah semikonduktordengan band gap kecil yaitu 0,1 eV. Fagan et al,juga meneliti struktur dari SiNT(10,0). Padasaat T sekitar 1700-2200 K mirip denganstruktur CNT (10,0) pada T sekitar 5500-6000

K. Silikon lebih reaktif dan cenderung bentukstrukturnya sp3. Band gap nanotube jugadipengaruhi lebarnya diameter nanotube. Jikadiameter nanotube makin kecil, maka nilai bandgap dari struktur nanotube makin besar(Abdullah, 2009).

Enkapsulasi logam sangat penting untukdigunakan dalam pengontrolan struktur SiNT,agar strukturnya lebih stabil. Pada strukturzigzag SiNT (10,0) bersifat kurang stabil. Agarzigzag SiNT (10,0) lebih stabil, maka perludisisipkan suatu logam didalamnya (Singh et al,2003). Menon et al (2002), juga menelitikestabilan struktur SiNT denganmengenkapsulasi logam Ni, merekamendapatkan struktur SiNT yang lebih stabil.

Dalam penelitian ini, SiNT yang bersifatsemikonduktor yaitu SiNT (10,0) akanmengenkapsulasi logam Cu maupun logam Feyang akan diteliti pengaruhnya terhadap energiband gap dengan metode DFT B3LYP denganbasis set 3-21G. Logam Fe dan logam Cu dipilihkarena kedua unsur tersebut merupakan unsurtransisi yang memiliki perbedaan sifatkemagnetan, jari-jari kovalen dan elektronvalensinya. Pengukuran band gap padapengenkapsulasian logam terhadap SiNTdimaksudkan agar diketahuinya sifat SiNT,apakah masih semikonduktor atau tidak,sehingga dapat diaplikasikan pada perangkatelektronik.Metode Penelitian

Penelitian ini dilakukan di LaboratoriumKimia Komputasi FMIPA UNNES. Peralatanyang digunakan pada penelitian ini adalahkomputer dengan spesifikasi sebagai berikut :Prosesor tipe Intel(R) Core(TM)2 Quad CPUQ400 @ 2.66 GHz dan Random Acces Memory(RAM) 2 GB. Sampel yang digunakan dalampenelitian ini adalah SiNT(10,0) yangpemodelan strukturnya di buat secarakomputasi.

Metode yang dipakai dalam penelitian iniadalah metode Density Functional Theory (DFT)karena metode ini mempunyai nilai keakuratanyang tinggi dan cocok dengan molekul SilikonNanotube (SiNT) yang mempunyai jarak antaratom yang rapat daripada metode mekanikamolekul yang lebih cocok untuk molekuldengan jarak antar atom yang jauh (larutanencer) sehingga cocok untuk meneliti SilikonNanotube (SiNT). Basis set yang dipakai adalahbasis set 3-21G dengan fungsi hybrid B3LYP.

Prosedur yang akan dilakukan dalam

I Kurniawan / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)

37

penelitian ini adalah dengan membuatpemodelan struktur SiNT (10,0) menggunakanAccelrys Material Studio® 4.4. Setelah strukturmolekul selesai dibuat, struktur SiNT (10,0)dioptimasi pra metode dengan menggunakanmekanika molekular (MM+) kemudianoptimasi geometri dengan menggunakanmetode DFT dengan exchange­correlation B3LYPdan basis setnya 3-21G. Kemudian strukturtersebut di gandakan menjadi tiga, struktur yangpertama tanpa enkapsulasi logam, strukturkedua disisipi logam Cu sehingga terbentukenkapsulasi logam, demikian juga logam Feuntuk struktur ketiga. Setelah mengenkapsulasilogam, kemudian dioptimasi lagi. Langkahterakhir, struktur-struktur tersebut dihitungenergi band gap menggunakan metode DFTdengan program GaussSum.

Pemodelan molekul SiNT (10,0) dilakukandengan menggunakan perangkat lunak AccelrysMaterial Studio 4.4 dengan repetisi 2 yangkemudian disimpan dalam bentuk file MDLmolfile (*.mol). File yang sudah disimpandikonversi menggunakan perangkat lunakGaussView 03W menjadi gaussian input file(*.gjf).

Pengenkapsulasian Lugam Cu dilakukandengan membuka file SiNT.mol menggunakanprogram GaussView kemudian dimasukkanlogam Cu kedalam rongga SiNT(10,0) dandisimpan dalam format gaussian input file (*.gjf).

Pengenkapsulasian Logam Fe dilakukandengan membuka file SiNT.mol menggunakanprogram GaussView kemudian dimasukkanlogam Fe kedalam rongga SiNT(10,0) dandisimpan dalam format gaussian input file (*.gjf).

Optimasi Struktur SiNT dilakukanmenggunakan program Gaussian®03W denganmetode DFT B3LYP/3-21G yang output-nyadisimpan dalam format Gaussian Output File(*.out). Berkas-berkas output tersebut dianalisismenggunakan GaussSum.

Optimasi Struktur SiNT-Cu dilakukanmenggunakan program Gaussian®03W denganmetode DFT B3LYP/3-21G yang output-nyadisimpan dalam format Gaussian Output File(*.out). Berkas-berkas output tersebut dianalisismenggunakan GaussSum.

Optimasi Struktur SiNT-Fe dilakukandengan menggunakan program Gaussian®03Wmenggunakan metode DFT B3LYP/3-21G yangoutput-nya disimpan dalam format GaussianOutput File (*.out). Berkas-berkas output tersebutdianalisis menggunakan GaussSum.

Perhitungan Band Gap dilakukan denganmembuka SiNT.out, SiNT-Cu.out dan SiNT-Fe.out masing-masing menggunakan programGaussSum, kemudian dilakukan analisis padaorbitalnya. Besarnya band gap dapat kita perolehdari data grafik DOS (density of state) yangdihasilkan GaussSum. Data mengenai besarnyaenergi juga dapat kita peroleh menggunakanGaussSum atau kita juga dapat membaca berkassecara langsung menggunakan notepad atauprogram penampil teks lainnya karena padadasarnya berkas berekstensi .out tersebutmerupakan berkas teks biasa.Hasil dan Pembahasan

Pembahasan dalam penelitian ini dibagidalam beberapa hal yaitu energi band gap SiNT(10,0) sebelum mengenkapsulasi logam, sesudahmengenkapsulasi logam Cu, dan sesudahmengenkapsulasi logam Fe. Selain itu, jugamembahas stabilitas struktur SiNT (10,0)sebelum mengenkapsulasi logam, sesudahmengenkapsulasi logam Cu dan sesudahmengenkapsulasi logam Fe.

Optimasi geometri struktur SiNT(10,0)dilakukan untuk mencari energi total yangpaling rendah, yang menandakan bahwastruktur SiNT(10,0) stabil. Struktur stabil iniditandai dengan harga energi potensial lebihrendah dan gaya-gaya atomik terkecil. Hasil darioptimasi geometri adalah sebagai berikut :Tabel 1. Data hasil perhitungan energi total

Struktur SiNT(10,0) yang sudahteroptimasi ini kemudian dihitung energi bandgap, energi total struktur optimasi darienkapsulasi logam Cu maupun logam Fe sertaenergi band gap dari enkapsulasi logam tersebut.Data hasil perhitungan energi optimasi dapatdilihat pada Tabel 1.

Pada optimasi geometri, harga darimomen dipol SiNT(10,0), SiNT(10,0)-Fe, danSiNT(10,0)-Cu masing-masing sebesar 0,0009D, 0,0052 D, dan 0,0266 D. Berkurangnyamomen dipol mengakibatkan gaya londonsemakin meningkat, ini berarti bahwaenkapsulasi logam Fe dalam SiNT(10,0)memiliki gaya london lebih besar darienkapsulasi logam Cu dalam SiNT(10,0). Di

38

I Kurniawan / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)dalam buku yang dibuat Effendy (2008),Semakin tinggi gaya london maka mobilitasnyajustru semakin rendah, yang berarti bahwainteraksi logam Fe dengan atom-atom Sisemakin lemah berbeda dengan interaksi logamCu dengan atom-atom Si yang semakin besarmengakibatkan kuatnya ikatan antar atom Sipada struktur SiNT(10,0) membuat strukturSiNT(10,0)-Cu lebih stabil dari padaSiNT(10,0)-Fe.

Gambar 2. Struktur SiNT(10,0) setelahdioptimasi dengan metode DFT B3LYP/3-21GPanjang ikatan antar atom silikon pada

SiNT yang sudah dioptimasi denganmenggunakan metode DFT B3LYP/3-21G jugamengalami kenaikan jarak ikatan antar atom Si,kenaikan jarak antar atom Si ini terlihat sekalipada atom yang mewakili sebelah kiri ataukanan struktur nanotube. Terlihat bahwa panjangantara atom Si nomor 1 dan 2 (lingkaran merah)adalah panjang yang mewakili sebelah kiri(secara horisontal) dengan jarak yang terpanjangsebesar 2,31973 Å. Begitu pula panjang atomnomor 41-42 yang mewakili struktur nanotubesebelah kanan. Diameter keduanya mulaimelebar menandakan bahwa struktur ini mulaitidak stabil. Energi total dari optimasi strukturSiNT(10,0) dengan metode DFT B3LYP/3-21ini adalah -23050,1933899 Hartree.

Gambar 3. Struktur SiNT(10,0)-Fe setelahdioptimasi dengan metode DFT B3LYP/3-21GPada struktur SiNT(10,0)-Fe yang sudah

dioptimasi dengan metode DFT B3LYP/3-21Gterlihat ikatan antar atom Si pada Gambar 3.yang ditunjukkan pada lingkaran hijau panjangikatannya lebih kecil dibandingkan denganstruktur SiNT (10,0) yang tanpa enkapsulasi.

Penurunan panjang ikatan ini dikarenakanpengaruh dari pengenkapsulasian logam Fe.Energi total hasil optimasinya adalah sebesar-24682,6747646 Hartree.

Gambar 4. Struktur SiNT(10,0) setelahdioptimasi dengan metode DFT B3LYP/3-21GSeperti optimasi pada struktur SiNT(10,0)-

Fe, optimasi pada struktur SiNT(10,0)-Cu jugamengalami penurunan panjang ikatan disekitarlogam Cu. Ini dikarenakan gaya tarik Cumenguatkan ikatan antar atom Si pada strukturSiNT(10,0). Hasil perhitungan dari optimasigeometri struktur SiNT10,0, SiNT10,0 -Cu danSiNT10,0 -Fe dengan menggunakan metodeDFT B3LYP/3-21G sebesar -24307,6639011hartree, hasil ini membuktikan bahwa energitotal dari hasil optimasi geometri SiNT10,0yang mengenkapsulasi logam lebih rendahdibandingkan dengan hasil optimasi SiNT10,0.Dengan adanya enkapsulasi logam, SiNT10,0menambah gaya ikat yang membentukkonformasi senyawa yang lebih kuat dan stabil.Sedangkan dari hasil optimasi geometri padastruktur SiNT10,0 yang mengenkapsulasilogam, total energi struktur SiNT10,0 yangmengenkapsulasi logam Cu memiliki energiyang lebih rendah dibandingkan dengan strukturSiNT10,0 yang mengenkapsulasi logam Fe.

Perhitungan energi band gap dalampenelitian ini dilakukan dengan menggunakanperangkat lunak GaussSum. ProgramGaussSum ini digunakan untuk menganalisisfile hasil optimasi geometri dari SiNT(10,0),SiNT(10,0) -Cu, dan SiNT(10,0) -Fe denganmencari selisih antara energi HOMO dan energiLUMO. Selisih energi orbital HOMO-LUMOakan menggambarkan kemudahan suatu sistemmolekul untuk mengalami eksitasi ke keadaanelektronik yang lebih tinggi. Hasil Perhitunganenergi band gap yang telah didapat dapat dilihatpada Tabel 2.Tabel 2. Data hasil Perhitungan energi band gap

I Kurniawan / Indonesian Journal of Chemical Science 2 (1) (2013)

39

Dari hasil pengukuran energi band gappada optimasi geometri struktur SiNT(10,0)dengan pengukuran DOS (Density of state)menggunakan perangkat lunak GaussSumdidapatkan hasil bahwa enkapsulasi logam Cupada struktur SiNT(10,0) ternyata memberikankenaikan terhadap energi band gap padaSiNT(10,0), yang bernilai 1,22 eV. Akan tetapipada enkapsulasi logam Fe dalam strukturSiNT(10,0), energi band gapnya bernilai samayaitu 0,25 eV, namun strukturnya lebih stabildari pada SiNT(10,0).

Gambar 5. Grafik DOS band gap hasil optimasimenggunakan metode DFT B3LYP/3-21G (a)SiNT10,0 ; (b) SiNT10,0 –Fe; (c) SiNT10,0 –CuGambar 5.(b) adalah grafik DOS dari hasil

optimasi Terlihat bahwa pengaruh enkapsulasilogam Fe dalam SiNT(10,0) menggeser titikband gap ke sebelah kiri atau menggeser titik pitavalensi tetapi nilai band gapnya tetap sama, inidikarenakan logam Fe merupakan logam yangmemiliki sifat magnet yang kuat. Semakin kuatmedan magnet maka semakin rendah energifermi, sehingga pada enkapsulasi logam Femenurunkan energi fermi dari optimasiSiNT(10,0). Sedangkan pada Gambar 5.(c),enkapsulasi logam Cu dalam SiNT(10,0) tidakmenggeser energi fermi tetapi ikut memperbesarnilai band gap. Kenaikan nilai band gap padastruktur SiNT10,0 yang telah mengenkapsulasilogam Cu tersebut dikarenakan logam Cu yangmemiliki sifat diamagnetik atau memiliki sifatmagnet yang lemah. Disamping itu karenalogam Cu memiliki jari-jari kovalen yang lebihbesar dari logam Fe, maka logam Cu lebih kuatberinteraksi dengan atom-atom Si disekitarnyayang menghasilkan diameter SiNT(10,0)menjadi lebih kecil. Dimana diameter nanotubeyang lebih kecil memberikan nilai band gap yanglebih besar.

SimpulanPengenkapsulasian logam pada struktur

SiNT(10,0) dengan menggunakan metode DFTB3LYP/3-21G dapat menurunkan energistruktur. Energi total optimasi geometri padaenkapsulasian logam Cu dalam strukturSiNT(10,0) lebih rendah dari logam Femenandakan bahwa logam Cu lebih dapatmenstabilkan struktur dibandingkan logam Fe.Kestabilan struktur SiNT juga dipengaruhimomen dipol, semakin tinggi momen dipol padamolekul maka semakin kecil gaya london yangmengakibatkan semakin stabil struktur.Perbedaan sifat kemagnetan dan jari-jari kovalenpada logam Cu dan logam Fe mempengaruhibesarnya band gap pada SiNT (10,0). Logam Cumemiliki sifat kemagnetannya yang lemah darilogam Fe. Jika semakin kuat medan magnetmenyebabkan semakin rendah energi ferminya.Kemudian jika diameter struktuk nanotubemakin kecil, mengakibatkan energi band gapstruktur nanotube semakin besar. Maka, padaproses enkapsulasi Cu dalam strukturSiNT(10,0), logam Cu dapat memperbesar nilaiband gap. Sedangkan logam Fe hanya menggesernilai energi Fermi menjadi lebih kecil.Daftar PustakaAbdullah, M. 2009. Pengantar Nanosains.Bandung: ITBEffendy. 2008. Teori VSEPR, Kepolaran danGaya Antarmolekul. Malang: BanyumediaFagan, S.B., Mota, R., Baierle, R.J., Paiva, G,,.da Silva, A.J.R & Fazzio, A. 2001. StabilityInvestigation and Thermal Behavior of aHypothetical Silicon Nanotube. Journal ofMolecular Structure (Theochem), 539: 101-106.Menon, M., Andriotis, A.N. & Froudakis, G.2002. Structure and Stability of Ni-Encapsulated Si Nanotube. NANOLETTERS, Vol. 2, No.4: 301-304.Pradhan, P. & Ray, A.K. 2005. A HybridDensity Functional Study of Armchair Siand Ge Nanotubes. arXiv:physics,0507205: 1-23Singh, A.K., Tina, M.B., Kumar, V. & Kawazoe,Y. 2003. Magnetismin Transition - Metal -Doped Silicon Nanotubes. The AmericanPhysical Society, 146802: 1-4Verma, V., Dharamvir, K. & Jindal, V.K. 2008.Structure and Elastic Modulii Of SiliconNanotubes. Journal of Nano Research, Vol. 2pp: 85-90