Simulasi Rekayasa Material

Bagi saya sebagai mahasiswa Fisika Material, sudah menjadi rahasia umum ketika dituntut untuk mampu memahami bagaimana proses upaya peningkatan kualitas material. Belajar di kelas saat jam perkuliahan dirasa belum cukup untuk memahami dengan baik teori-teori yang dipelajari. Dengan demikian, kegiatan berupa kerja praktek (KP) yang dilakukan di instansi, lembaga, perusahaan, dan lain-lain, dalam rangka menerapkan ilmu yang telah diperoleh di dalam perkuliahan sangatlah diperlukan.

Sempat merasa bingung ketika hendak menentukan tempat KP yang dituju. Kebanyakan teman sesama mahasiswa Fisika lainya di universitas saya, memilih perusahaan sebagai sasaran utama KP, dengan alasan agar mengetahui gambaran keadaan lingkungan kerja di perusahaan. Saya sendiri yang memiliki cita-cita menjadi seorang pengajar, tidak terlalu tertarik untuk mengetahui lingkungan kerja di perusahaan. Singkat cerita, seorang dosen mengarahkan saya untuk KP di Pusat Penelitian Nanosains dan Nanoteknologi (PPNN) ITB, yakni sebuah lembaga riset nasional di Institut Teknologi Bandung (ITB) yang besifat independen. Gedung PPNN ITB berada di tengah-tengah padatnya mobilitas sivitas kampus ITB.

Gedung PPNN ITB

Kegiatan KP yang kami (saya, satu rekan KP dan asisten Laboratorium) lakukan bersifat semi penelitian yaitu mempelajari karakteristik material fungsional baru melalui pemodelan dan simulasi yang berjudul “Studi Pengaruh Penambahan Logam Transisi Pada Struktur Elektronik TiO₂ Untuk Diluted Magnetic Semiconductor (DMS) Menggunakan Metode Density Funcyional Theory (DFT)”. Kegiatan ini disebut semi penelitian karena dilakukan melalui studi literatur dan pemodelan, serta simulasi yang dilakukan hanya bersifat pengulangan terhadap hal-hal yang telah dilakukan sebelumnya oleh para peneliti terdahulu.

Simulasi ini menggunakan perangkat lunak Quantum ESPRESSO (Open-Source Package for Research in ElectronicStructure, Simulation, and Optimization), yakni sebuah perangkat yang dioperasikan berdasarkan piranti matematis yang disebut metode teori fungsional kerapatan atau density functional theory (DFT). Metode DFT memberikan formulasi yang sederhana untuk menyelesaikan permasalahan pada sistem yang terdiri atas banyak elektron. Metode ini dipandang lebih mudah dan praktis dalam mempelajari karakteristik struktur atom dari suatu material.

Kegiatan Kerja Praktek dan Perangkat Keras yang Digunakan (Enam prosesor AMD Phenom x6 1090T @3.2 GHz dan RAM 4 GB)

 Hal yang membuat penelitian ini menarik adalah kami melakukan simulasi dari proses rekayasa suatu material semikonduktor non-magnetik sehingga menjadi material semikonduktor  yang memiliki sifat magnetik. Adapun material yang menjadi objek penelitian ini adalah Titanium dioksida (TiO₂). TiO₂ bersifat semikonduktor dan non-magnetik. Material tersebut berfungsi sebagai fotokatalis, sensor, zat pewarna putih, tabir surya, pasta gigi, solar sel, dan aplikasi lainnya, sehingga secara umum dapat dikatakan mempunyai potensi besar untuk menyelesaikan sejumlah masalah dan memenuhi kebutuhan manusia.

Pemodelan Struktur Titanium dioksida (TiO₂), sejumlah 48 atom.

Material TiO₂ dapat digunakan untuk aplikasi baru ketika mempunyai sifat magnetik. Sifat ini diperoleh dengan cara diberi tambahan ketidakmurnian berupa unsur-unsur magnetik (umumnya berupa logam transisi). Pada penambahan ini, konsentrasi unsur magnetik relatif sangat rendah, sehingga disebut dengan istilah diluted. Untuk itu, semikonduktor jenis ini juga dinamakan sebagai diluted magnetic semiconductor (DMS). Material DMS dapat diaplikasikan untuk divais spintronika yang sedang dikembangkan saat ini. Divais spintronik sebagai inovasi dari divais elektronika konvensional, bekerja dengan memanfaatkan spin elektron untuk mengontrol pergerakan pembawa muatan. Berbeda dengan divais elektronik umumnya, divais spintronik ini memiliki keunggulan berupa laju pemrosesan data yang lebih tinggi, konsumsi energi yang lebih rendah, dan ukuran divais yang lebih kecil. Dengan terealisasikannya divais spintronika, maka  diprediksikan dapat membantu memudahkan kegiatan manusia, baik di kalangan masyarakat sipil hingga kalangan pemerintahan.

Untuk dapat dikatakan sebagai material DMS, TiO₂ diberikan pengotor (dopan) berupa logam transisi. Logam transisi yang dipilih adalah atom Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, dan Zn. Sehingga terdapat sebanyak sembilan sistem.

Salah Satu Pemodelan Struktur Sistem TiO₂ yang Diberi Pengotor Logam Transisi

Berdasarkan analisis data dari kesembilan sistem tersebut, kami memperoleh hasil bahwa TiO₂ yang diberikan pengotor atom V, Cr, Mn, Fe dan Co berpotensi sebagai kandidat material DMS, karena sistem-sistem tersebut selain memiliki sifat semikonduktor, juga memiliki sifat magnetik. Hasil dari simulasi ini, selanjutnya dapat direalisasikan melalui kegiatan eksperimen.

 

Foto Bersama Rekan-Rekan Laboratorium