Kimia Terapan - Nanoteknologi dan Semikonduktor PDF

Preview

Summary

Kimia Terapan Nanoteknologi dan Semikonduktor Fakultas Vokasi INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER GENAP 2020 Sub CP MK • Mahasiswa mampu menjelaskan teknologi nano material dan semikonduktor • Mahasiswa mampu menjelaskan aplikasi dan inovasi di bidang teknologi nano dan semikonduktor Nanotechnology ...

Description

Kimia Terapan Nanoteknologi dan Semikonduktor Fakultas Vokasi INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

GENAP 2020

Sub CP MK • Mahasiswa mampu menjelaskan teknologi nano material dan semikonduktor • Mahasiswa mampu menjelaskan aplikasi dan inovasi di bidang teknologi nano dan semikonduktor

Nanotechnology

Nanoteknologi Nanoteknologi Didefinisikan sebagai studi manipulasi material, desain, karakterisasi dan aplikasi pada skala nano Nanoscale Nanometer setara dengan 10-9 m.

D= 12,756 km 1.27 × 107 m

10 millions times smaller

D= 22 cm 0.22 m

1 billion times smaller

D= 0.7 nm 0.7 × 10-9 m

Nanoteknologi

Timeline Perkembangan Nanoteknologi

Nanoteknologi Nanopartikel sangat menarik, karena pada material yang sama, sifat atau karakteristiknya (seperti reaktivitas kimiawi dan sifat optik) berbeda dibandingkan dengan partikel yang lebih besar ukurannya. Sebagai contoh : TiO2 dan ZnO menjadi berwarna bening pada skala nano dan dapat diaplikasikan sebagai sunscreens Nanopartikel juga dapat disusun menjadi lapisan pada permukaan, menyediakan area spesifik yang besar dan meningkatkan aktivitasnya seperti pada aplikasinya untuk katalis Ada 2 faktor yang menyebabkan sifat dari nanomaterial berbeda secara signifikan dengan material lain : 1. Peningkatan area permukaan spesifiknya 2. Efek Quantum confinement Faktor-faktor ini dapat mengubah atau meningkatkan sifat-sifat seperti reaktivitas, kekuatan dan sifat listriknya.

Nanomaterial Nano material memiliki sifat yang berbeda dari material bulknya. Kebanyakan material dengan struktur nano berupa kristalin alaminya dan memiliki sifat yang unik Sifat fisika • Struktur kristal dari nanopartikel sama dengan struktur bulknya dengan parameter kisi yang berbeda • Jarak antaratomik berkurang seiring naiknya ukuran diakrenakan oleh gaya elektrostatik jarak jauh dan daya tolak antar inti jarak dekat. • Titik leleh dari nanopartikel menurun seiring meningkatnya ukuran Sifat kimiawi • Struktur elektronik dari nanopartikel bergantung pada ukuran dan kemampuan dari nanopartikel tersebut untuk bereaksi bergantung pada ukuran klaster • Luas permukaan yang lebih besar dibandingkan rasio volume dari nanopartikel memiliki efek yang besar terhadap sifat katalitik.

Nanomaterial Nano material memiliki sifat yang berbeda dari material bulknya. Kebanyakan material dengan struktur nano berupa kristalin alaminya dan memiliki sifat yang unik Electrical properties • Struktur elektronik dari nanomaterial berbeda dari material bulknya. • Densitas tingkat energi pada pita konduksi berubah. • Saat jarak energi antara 2 level energi lebih daripada KBT , E gap terbentuk. • Nanoklaster dengan ukuran yang berbeda akan memiliki struktur elektronik yang berbeda dan pemisahan level energi yang berbeda • Potensial ionisasi pada ukuran nano lebih besar daripada material bulknya.

Nanopartikel Nanopartikel umumnya memiliki sifat-sifat seperti : 1. Memiliki luas permukaan yang besar dengan volume yang kecil 2. Memiliki partikel yang lebih reaktif 3. Memiliki sifat yang berbeda dibandingkan ukuran bulk nya 4. Umumnya membentuk sebuah kluster.

Klasifikasi Nanomaterial

Efek Nanopartikel - Luas Permukaan • Hampir semua bidang dalam kedokteran, elektronik, fashion, dll sangat bergantung pada bidang nanoteknologi. • Salah satu konsep penting dalam memahami nanopartikel melibatkan rasio luas permukaan : volume. • Saat sebuah objek semakin besar, peningkatan ukuran permukaannya tidak sebanding dengan peningkatan volumenya, begitu sebaliknya. Hal ini sangat berpengaruh pada reaksi katalisis Dengan volume material yang sama, material nanopartikel memiliki luas permukaan yang jauh lebih besar. Faktor ini sangat berpengaruh dalam kerekatifan dalam aplikasi material tersebut

Aplikasi Nanoteknologi

Nanotechnology in Drugs • •

• • •

• •

Provide new options for drug delivery and drug therapies. Enable drugs to be delivered to precisely the right location in the body and release drug doses on a predetermined schedule for optimal treatment. Attach the drug to a nanosized carrier. They become localized at the disease site, i.e cancer tumour. Then they release medicine that kills the tumour. Current treatment is through radiotherapy or chemotherapy. Nanobots can clear the blockage in arteries.

Nanotechnology in Fabrics The properties of familiar materials are being changed by manufacturers who are adding nano-sized components to conventional materials to improve performance.

• For example, some clothing manufacturers are making water and stain repellent clothing using nanosized whiskers in the fabric that cause water to bead up on the surface. • In manufacturing bullet proof jackets.

• Making spill & dirt resistant, antimicrobial, antibacterial fabrics.

Nanotechnology in Mobile • Morph, a nanotechnology concept device developed by Nokia Research Center (NRC) and the University of Cambridge (UK). • The Morph will be super hydrophobic making it extremely dirt repellent. • It will be able to charge itself from available light sources using photovoltaic nanowire grass covering it's surface. • Nanoscale electronics also allow stretching. Nokia envisage that a nanoscale mesh of fibers will allow our mobile devices to be bent, tretched and folded into any number of conceivable shapes.

Nanotechnology in Electronics Electrodes made from nanowires enable flat panel displays to be flexible as well as thinner than current flat panel displays. • Nanolithography is used for fabrication of chips. • The transistors are made of nanowires, that are assembled on glass or thin films of flexible plastic. • E-paper, displays on sunglasses and map on car windshields.

Nanotechnology in computers • The silicon transistors in your computer may be replaced by transistors based on carbon nanotubes. • A carbon nanotube is a molecule in form of a hollow cylinder with a diameter of around a nanometer which consists of pure carbon. • Nanorods is a upcoming technology in the displays techniques due to less consumption of electricity and less heat emission. • Size of the microprocessors are reduced to greater extend. • Researchers at North Carolina State University says that growing arrays of magnetic nanoparticles, called nanodots.

Nanotechnology in computers • Hewett Packard is developing a memory device that uses nanowires coated with titanium dioxide. • One group of these nanowires is deposited parallel to another group. • When a perpendicular nanowire is laid over a group of parallel wires, at each intersection a device called a memristor is formed. • A memristor can be used as a single-component memory cell in an integrated circuit. • By reducing the diameter of the nanowires, researchers believe memristor memory chips can achieve higher memory density than flash memory chips. • Magnetic nanowires made of an alloy of iron and nickel are being used to create dense memory devices. • Chips produced by Intel before “i” series processors were between 65nm 45nm. • Later with the help of nanotechnolgy 22nm chips were made which itself is a milestone.

Nanotubes •Solar cells Solar cells developed at the New Jersey Institute of Technology use a carbon nanotube complex, formed by a mixture of carbon nanotubes and carbon buckyballs

•Ultracapacitors With a nanotube electrode the hollow spaces that store charge may be tailored to any size and consequently the capacity should be increased considerably.

•Paper batteries A paper battery is a battery engineered to use a paper-thin sheet of cellulose infused with aligned carbon nanotubes. The nanotubes act as electrodes; allowing the storage devices to conduct electricity. The battery, which functions as both a lithium-ion battery and a supercapacitor, can provide a long, steady power output comparable to a conventional battery.

•Other applications Carbon nanotubes have been implemented in nanoelectromechanical systems, including mechanical memory elements (NRAM being developed by Nantero Inc.)

Advantages of nanotechnology

•Material With nanotechnology, we can create unique materials and products which are: ● Stronger ● Lighter ● Cheaper ● Durable ● Precise

•Industrial

● Computers can become a billion times faster and a million times smaller ● Automatic Pollution Cleanup ● Manufacturing at almost no cost

•Medical

● End of Illnesses (i.e. cancer, heart disease) ● Universal Immunity (i.e. aids, flu) ● Body Sculpting (i.e. change your appearance)

Semikonduktor

Jenis bahan berdasarkan sifat konduktornya

Bahan

Konduktor

Semikonduktor

• Konduktor → bahan yang dapat menghantarkan listrik dengan baik atau bahan yang mengandung banyak elektron bebas

TE - UMK

Isolator • Isolator → bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik dengan baik atau bahan yang hampir tidak mengandung elektron bebas

Semikonduktor Definisi I : • Bahan yang memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator dengan nilai hambat jenis diantara 10 −6 − 10 4 m • Hambatan jenis atau resistifitas yaitu kecenderungan suatu bahan untuk melawan aliran arus listrik, dengan symbol ρ (rho). Hambatan jenis adalah sifat dari suatu material pada suhu tertentu, yang menunjukkan besar hambatan tiap satuan panjang. ρ=R.A/L ρ = Hambatan Jenis (Ohm.m) R = Hambatan (Ohm) A = Luas Penampang Penghantar (m2) L = Panjang Penghantar (m) 24

Konduktifitas • Konduktifitas bahan : Kemampuan bahan untuk menghantarkan listrik • Konduktifitas bahan berbanding terbalik dengan resistifitas bahan ().

Resistansi (R): R

l R= A

A =R l

Resistifitas (): 1 cm

A  x cm 2 = .cm =R = l cm

A = 1 cm2

l = 1 cm 25

Semikonduktor Definisi II • Semikonduktor adalah; bahan yang memiliki pita terlarang atau energy gap (EG) yang relatif kecil kira-kira 1 eV

1eV  1,602.10−19 J • Pita terlarang adalah daerah kosong antara pita valensi dan pita konduksi. • Pita valensi adalah pita energi teratas yang terisi penuh oleh elektron • Pita konduksi adalah pita energi diatas pita valensi yang terisi sebagian atau tidak terisi oleh elektron

26

Pita Energi Suatu Bahan

Pita konduksi Pita konduksi elektron

Pita konduksi

EG = 6eV

EG  1eV Pita valensi

hole Pita valensi

Pita valensi

Konduktor

Semikonduktor

Isolator

27

Bahan-bahan Semikonduktor

28

Bahan-bahan Semikonduktor

29...