Selamat Datang Dalam Kuliah Terbuka Ini

1. SelamatDatangDalamKuliah Terbuka Ini

2. Kuliahterbuka kali iniberjudul“MengenalSifat Material II”

3. DisajikanolehSudaryatno Sudirhammelaluiwww.darpublic.com

4. Sesi2Elektron Dalam Padatan

5. Berdasarkansifatfisikdanmekanik, Seitz mengidentifikasizatpadatsebagaiberikut: Metal : memilikikoefisientemperaturresistivitaspositif, konduktivitaslistrikdan thermal tinggi, bisadibentuksecaraplastis Berdasarkankonduktivitaslistriknyakitamembedakan material sebagai konduktor semikonduktor dielektrik Kristal ionik : konduktivitaslistrikdan thermal rendah, tidakplastis. (NaCL) Kristal kovalen: keras, konduktivitaslistrikdan thermal rendah. (Intan). Semikonduktor: ikatankovalen, konduktivitaslistrikrendah, koefisientemperaturnegatif. Material denganikatan van der Waals.

6. s p d f 0 7 7 7 7 6 6 6 7 6 5 5 5 6 5 4 4 4 1 5 3 4 3 2 4 3 3 2 4 5 3 6 KompleksitasATOM makin tingginomer atom, atom akanmakinkompleks, tingkatenergi yang terisimakinbanyak. Sodium Hidrogen E [ eV ] 5,14 Kemungkinan terjadinya transisi elektrondarisatutingkatketingkat yang lain semakinbanyak

7. Molekul Molekullebihkompleksdari atom; tingkat-tingkatenergilebihbanyakkarenaenergipotensialelektron yang bergerakdalammedan yang diberikanolehbanyakinti atom tidaklahsederhana. Lebihdariitu, energivibrasidanrotasi atom secararelatifsatuterhadaplainnyajugaterkuantisasisepertihalnyaterkuantisasinyaenergielektronpada atom. Transisidarisatutingkatketingkat yang lain semakinbanyakkemungkinannya, sehinggagaris-garisspektrumdarimolekulsemakinrapatdanmembentuk pita. Timbullahpengertian pita energiyaitukumpulantingkat-tingkatenergi yang sangatrapat.

8. 10 8 6 tak stabil 4 2 E [ eV ] 0 2 1 3 Å 2 jarakantar atom stabil 4 R0 Penggabungandua atom H  H2 Pada penggabungandua atom, tingkatenergidenganbilangankuantumtertinggiakanterpecah lebih dulu Elektron yang berada di tingkatenergiterluardisebutelektronvalensi; elektronvalensiberpartisipasidalampembentukanikatan atom. Elektron yang beradapadatingkatenergi yang lebihdalam (lebihrendah) disebutelektroninti;

9. Padatan Gambarantentangterbentuknyamolekuldapatdiperluasuntuksejumlah atom yang besar yang tersusunsecarateratur, yaitukristalpadatan. DalampenggabunganN atom identik, setiaptingkatenergiterpecahmenjadiNtingkatdansetiaptingkatakanmengakomodasisepasangelekrondengan spin yang berlawanan ( ms = ± ½ ). n = 3 n = 2 Energi n = 1 Jarakantar atom

10. 0 sodium 3d 3p 4s 3s 10 R0 = 3,67 Å E [ eV ] 20 30 2p 0 5 10 Å 15

11. Cara penempatanelektronpadatingkat-tingkatenergimengikutiurutansederhana: tingkatenergi yang paling rendahakanterisilebihdulu, menyusultingkat di atasnya, danseterusnya. Pada 0o K semuatingkatenergisampaiketingkatEFterisipenuh, dansemuatingkatenergi di atasEF kosong. EF, tingkatenergitertinggi yang terisidisebuttingkat Fermi, atauenergi Fermi. Padatemperatur yang lebihtinggi, beberapatingkatenergi di bawahEFkosongkarenaelektronmendapattambahanenergiuntuknaikketingkat di atasEF.

12. Elektronvalensi yang beradapadatingkatenergi Fermi ataupun di atasenergi Fermi, beradapadasalahsatutingkatenergi yang dimilikiolehkristal. Jumlahtingkatenergi yang dimilikiolehkristalsangatbanyakdansangatrapatsehinggahampirmerupakanperubahan yangkontinyu. Olehkarenaitu, elektronpadatingkatenergi Fermi yang bergerakdalamkristaldapatdipandangsebagaielektronbebas. Elektron yang bergerakdengankecepatantertentumemilikienergikinetikdanbilangangelombang, k, tertentu. Gerakanelektrontersebutmengalamihambatankarenaadacelahenergi. Adanyacelahenergimembuatenergielektrontidaklagimerupakanfungsikontinyudarik 2 seperti yang dinyatakanolehpersamaanenergitersebut di atas

13. Model Zona Elektron sebagai gelombang mengikuti hukum defraksi Bragg. d = jarakantarbidangkristal; θ = sudutdatang; n = bilanganbulat. Ada satuserinilaik yang membuatelektronterdefraksisehinggatidakdapatmelewatikristalsecarabebas. Untukelektrondalamkristal, serinilaikiniterkaitdengancelahenergi. Nilaik daridefraksi Bragg memberikandua set gelombangdiam(standing wave) dengannilaienergi yang berbeda; selisihantarakeduanyaadalahlebarcelahenergi.

14. E Celah energi Celah energi k2 k1 +k1 +k2 k Model elektronbebas yang memberikanenergisebagaifungsikontinyudarik 2 harusdimodifikasidenganmemutusfungsikontinyutersebutdengancelahenergipadanilaik yang memberikandefraksi Bragg

15. E Celahenergi Celahenergi zone pertama k2 k1 +k1 +k2 k zone kedua Zona BRILLOUIN ZonaBrillouinadalahrepresentasitigadimensidarinilaik yang diperkenankan GambarSatuDimensi: k tergantungdariarahrelatifgerakelektronterhadapkristal a = jarakantar atom

16. ky Zonapertama +2π/a + π/a Zona kedua kx π/a 2π/a 2π/a π/a + π/a +2π/a DuaDimensi:

17. kz +π/a π/a π/a Zone pertamakristalkubik +π/a +π/a ky π/a kx TigaDimensi: Zone keduaterdiridaripiramidadengantinggiπ/a dandasar 2π/a terletak di permukaankubusdari zone pertama

18. Pada metal dengankirstal BCC dan FCC, setiapzonamemuatjumlah status kuantumsamadenganjumlah atom yang membentuknya UntukkristaldenganN atom, adaN status di zonapertama Karenasetiaptingkatenergiberisi 2 elektron, makapadakristalmonovalenadaN/2 status kuantumterendahyang terisi; zonapertamahanyaterisisetengahnya. Di sampingmengetahuijumlah status di tiapzona, perludiketahuijugajumlah status kuantumuntuksetiapenergi; yaitudegenerasisebagaifungsienergi.

19. eF + + + + EF x Hampa Energi EmisiElektron Elektronbebasdalam metal tidakmeninggalkan metal, kecualijikamendapattambahanenergi yang cukup

20. I 3x lumen cahaya 2x lumen emitter collector x lumen 0 A V0 V V Padateganganinisemuaelektronkembalikekatoda (emitter) Sumber tegangan variabel Peristiwaphotolistrik Energikinetikelektron = e V0 Lajukeluarnyaelektron (arus) tergantungdariintensitascahayatetapienergikinetiknyatidaktergantungintensitascahaya

21. I Ek maks= hf  e =6500Å (merah) =5500Å (hijau) Energi yang diterima =5000Å (biru) V Energiuntukmengatasihambatan di permukaan V01 V02 V03 (dindingpotensial) Intensitascahayakonstantetapipanjanggelombangberubah Photon denganenergihfdiserapelektron di permukaan metal sehinggaelektrontersebutmendapattambahanenergi. Jikapadaawalnyaelektronmenempatitingkatenergitertinggi di pita konduksidanbergeraktegakluruskearahpermukaan, iaakanmeninggalkan emitter denganenergikinetikmaksimum

22. Ek maks Vo Ek < Ek maks Slope = h/e hf Metal 1 e Metal 2 hf EF f 1 tingkatenergiterisi 2 Jika V0 (yang menunjukkanenergikinetik) di-plotterhadapfrekuensi: Rumus Einstein:

23. katoda vakum anoda A V pemanas I V V PeristiwaEmisi Thermal Padatemperaturtinggi, sebagianelektronmemilikienergikinetik yang lebihtinggidarienergi rata-rata elektronsehinggadapatmelampauiwork function ( e). Jikaaruscukuptinggi, terjadisalingtolakantaraelektron di ruangansehinggaelektrondenganenergirendahtidakmencapaianoda. Muatanruangmakinberpengaruhjikaarusmakintinggi. Arusakanmencapaikejenuhan.

24. T3 I I T2 T1 V T V V3 V2 V1 Makin tinggitemperaturkatoda, akanmakintinggienergielektron yang keluardaripermukaankatoda, dankejenuhanterjadipadanilaiarus yang lebihtinggi. Kejenuhandapatdiatasidenganmenaikkan V

25. V = ~ I V2 V1 T kerapatan arus konstantadari material k =konstantaBoltzman = 1,381023 joule/oK Padategangan yang sangattinggi, dimanaefekmuatanruangteratasisecara total, semuaelektron yang keluardarikatodaakanmencapaianoda. Persamaan Richardson-Dushman

26. Nilaitergantungdaritemperatur : pada 0o K koefisientemperatur padakebanyakan metal murni Persamaan Richardson-Dushmanmenjadi:

27. Persamaan Richardson-Dushman ?

28. Material katoda titik leleh [OK] temp. kerja [OK] work function [eV] A [106amp/m2 oK2 W 3683 2500 4,5 0,060 Ta 3271 2300 4,1 0,4 – 0,6 Mo 2873 2100 4,2 0,55 Th 2123 1500 3,4 0,60 Ba 983 800 2,5 0,60 Cs 303 290 1,9 1,62

29. PeristiwaEmisiSekunder Jikaelektrondenganenergitinggi(yang disebut elektron primer) ditembakkankepermukaan metal, elektrondapatkeluardaripermukaan metal (yang disebut elektron sekunder). Energikinetikelektronsekundertidakharustergantungdarienergikinetikelektron yang membenturpermukaan. Efisiensiemisisekunderdinyatakansebagairasiojumlahelektronsekunder, Isterhadapjumlah elektron primer yang membenturpermukaan, Ip. Rasioinidisebutsecondary emission yield, , danmerupakanfungsidarienergikinetikberkaselektron yang membenturpermukaan. Jikaenergikinetikberkaselektron yang membenturpermukaanterlalurendahhanyasedikitdihasilkanemisisekunder.

30.  maks Ek maks 0 0 Ek Jikaenergikinetikberkaselektron yang membenturpermukaanterlalutinggihanyasedikitjugadihasilkanemisisekunder. Hal inidisebabkankarenaelektron yang membenturpermukaan metal sempatmasuk (penetrasi) kedalam metal sebelumterjadibenturandenganelektronbebas dalam metal. Elektronbebas yang menerimatambahanenergimengalamitabrakan-tabrakansebelummencapaipermukaan, danmerekagagalkeluardaripermukaan metal. Akibatnyaadalahsebagaifungsidarienergiberkaselektron, mempunyainilaimaksimum.

31. emitter maks Ek [eV] Al 0,97 300 Cu 1,35 600 Cs 0,9 400 Mo 1,25 375 Ni 1,3 550 W 1,43 700 gelas 2,5 400 BeO 10,2 500 Al2O3 4,8 1300

32. V3 I + + + + V2 V1 x medanlistriktinggiV = eEx penurunan work function eΔ∅ e∅ EF x0 Energi nilai maks dinding potensial Efek SCHOTTKY Dalamperistiwaemisi thermal telahdisebutkanbahwakenaikanmedanlistrikantara emitter dananodaakanmengurangiefekmuatanruang. Medan yang tinggijugameningkatkanemisikarenaterjadiperubahandindingpotensial di permukaankatoda. Medan EmemberikanpotensialeExpadajarakxdaripermukaan

33. medanlistriksangattinggiV = eEx + penurunan work function + + + x eΔ∅ e∅ EF jarak tunneling Energi PeristiwaEmisi Medan Hadirnyamedanlistrikpadapermukaankatoda, selainmenurunkanwork functionjugamembuatdindingpotensialmenjadilebih tipis.

34. Kuliah Terbuka MengenalSifat Material II Sesi-2 SudaryatnoSudirham