BAB II ISI
A.
EFEK TEROBOSAN Adalah partikel yang dapat menembus perintang walaupun energinya kecil,. Pada efek terobosan diperlukan suhu yang sangan t tinggi yaitu 7000 c. Ini terjadi dalam beberapa keadaan
Teori
B.
APLIKASI EFEK TEROBOSAN 1. Peluruhan Alfa
Peluruhan alfa merupakan salah satu peristiwa efek trobosan (tunneling effect), seperti dibahas dalam mekanika kuantum. Diasumsikan dua netron dan dua proton yang berada dalam inti membentuk partikel alfa. Dua proton dan dua netron ini bergerak terus di dalam inti, yang kadang-kadang bergabung dan terkadang berpisah. Di dalam inti partikel alfa terikat oleh gaya inti yang sangat kuat. Tetapi jika partikel alfa inti bergerak lebih jauh dari jari-jari inti ia akan segera merasakan tolakan gaya Coulomb. Sifat Radiasi Alfa : a. Daya ionisasi partikel alfa sangat besar, kurang lebih 100 kali daya ionisasi partikel beta dan 10.000 kali daya ionisasi sinar gamma. b. Jarak tembusnya sangat pendek, hanya beberapa mm udara, tergantung energinya. c. Partikel alfa akan dibelokkan jika melewati medan magnet atau medan listrik. d. Kecepatan partikel alfa bervariasi antara 1/100 sampai 1/10 kecepatan cahaya Energi Peluruhan Alfa Dalam peluruhan dibebaskan energi, karena inti hasil peluruhan terikat lebih erat dari pada inti semula. Energi yang dibebaskan muncul sebagai energi kinetik partikel alfa dan energi kinetik inti anak (inti hasil)
Emisi Partikel Alfa Partikel alfa pada dasarnya terdiri dari 2 proton dan 2 netron atau identik dengan inti helium. Partikel ini sangat masif dan berenergi tinggi serta dipancarkan dari inti isotop radioaktif yang memiliki rasio netron terhadap proton yang terlalu rendah.
84210Po ----------------> 24He + 82206Pb
Pada contoh tentang peluruhan Polonium diatas dapat dilihat bahwa rasio netron terhadap proton dari polonium adalah 1.5 : 1 . Namun setelah mengalami peluruhan dengan menembakkan partikel alfa, maka dihasilkan unsur Pb-82 yang stabil
dengan
rasio
netron
terhadap
proton
1,51
:
1.
Suatu inti yang memancarkan partikel alfa, terkadang meninggalkan keadaan eksitasi pada inti anakan, yang kemudian menghasilkan emisi sinar gamma untuk mengembalikan inti pada keadaan dasar (stabil). Seperti contoh yang terjadi pada tranformasi inti 226Ra menjadi 222Rn dimana energi partikel alfa sebesar 7.77 MeV dipancarkan sehingga mengghasilkan inti 222Rn yang stabil. dan energi partikel alfa sebesar 4,591 MeV dipancarkan dan meninggalkan keadaan tereksitasi yang kemudian kembali ke keadaan stabil dengan sebelumnya memancarkan sinar gamma sebesar 0.186 MeV. Yang menjadi misteri menurut Fisika Klasik, partikel alfa tidaklah memiliki cukup energi untuk keluar dari potensial barier inti. Hal ini diketahui setelah radius inti dapat ditentukan melalui Eksperimen Hamburan Rutherford sehingga memungkinkan diketahuinya tinggi potensial barier pada inti atom yang ternyata memiliki energi yang lebih tinggi dari energi partikel alfa yang mampu diamati dalam eksperimen. Pemecahan atas masalah ini muncul dalam mekanika kuantum yakni sebuah partikel alfa dapat terlepas dari sumur potensialnya melalui efek terobosan kuantum.
Gambar 1. Efek Terobosan pada Partikel Alfa
Tinggi potensial halang dalam inti berat sekitar 30 MeV sampai 40 MeV, sementara partikel alfa hanya memiliki energi sekitar 4 sampai 8 MeV. Jadi, secara klasik partikel alfa tidak akan mengkin menerobos potensial Coulomb yang begitu besar. Namun, dalam mekanika kuantum, penerobosan seperti itu diijinkan. Terdapat peluang partikel alfa untuk menerobos “dinding yang begitu tebal dan kuat” . Probabilitas persatuan waktu λ.bagi partikel alfa untuk muncul adalah probabilitas menerobos potensial halang dikalikan banyaknya partikel alfa menumbuk penghalang per detik dalam usahanya untuk keluar. Jika partkel alfa bergerak dengan laju ν di dalam sebuah inti berjari-jari R, maka selang waktu yang dibutuhkan untuk menumbuk penghalang bolak-balik dalam inti sebesar ν/2R. Inti berat nilai R sekitar 6 22
fm, maka partikel alfa menumbuk dinding inti berat sebesar 10 kali per detik. Taksiran kasar probabiltas peluruhan alfa, berdasarkan mekanika kuantum adalah :
Partikel alfa, karena memiliki muatan listrik dan massa yang relatif besar menyebabkan partikel ini memiliki kemampuan yang sangat terbatas dalam menembus bahan dan menjadi cepat kehilangan energi di udara. Sehelai kertas tisu bahkan kulit mati tsudah cukup tebal untuk menyerap semua radiasi alfa yang keluar dari bahan bahan radioaktif. Ini mengakibatkan radiasi alfa yang berasal dari sumber - sumber di luar tubuh bukan merupakan sebuah bahaya. Namun akan menjadi bahaya jika isotop -isotop pemancar alfa tersebut terendap secara internal (di dalam tubuh) seperti terhirup, tertelan, atau bahkan terserap ke dalam aliran darah. Sehingga tidak ada lagi shielding effect berupa lapisan terluar kulit mati. Ini dapat menyebabkan radiasi alfa tersebut dihamburkan pada jaringan hidup, sehingga berakibat toksin, yakni menimbulkan resiko kanker, khususnya setelah diketahui bahwa radiasi alfa dapat menyebabkan kanker paru - paru ketika sumber radiasi alfa tak sengaja terhisap. Muatan positif dari partikel alfa sangat berguna dalam industri. Misalnya, radium-226 dapat digunakan untuk pengobatan kanker, yakni dengan memasukkan jumlah kecil radium ke daerah yang terkena tumor. Polonium-210 berfungsi sebagai alat static eliminator dari paper mills di pabrik kertas dan industri lainnya. Beberapa Detektor asap memanfaatkan emisi alfa dari americium-241untuk membantu menghasilkan arus listrik sehingga mampu membunyikan alarm saat kebakaran
2. Dioda Tunnel (p-n) Dioda terobosan atau sering disebut dioda esaki adalah diode pertemuan P-N yang dibuat dengan menggunakan taraf pengotoran sangat tinggi. Hasilnya adalah suatu daerah hampa ultra tipis dan suatu efek yang disebut terobosan. Dalam daerah panjar maju, arus meningkat sangat cepat untuk tegangan panjar yang harganya masih rendah. Setelah arus mencapai titik puncak, penambahan tegangan maju justru menurunkan arus hingga titik lembah sebelum akhirnya naik lagi. Jatuhnya arus terobosan ke arah maju menunjukkan adanya suatu karakteristik resistansi negatif yang memungkinkan diode terobosan digunakan untuk sakelar cepat dan osilator frekuensi tinggi. Suatu sifat yang terdapat pada dioda tunnel adalah dapat menghantar danmenyumbat dalam waktu yang lebih singkat dibanding dioda biasa. Sifat inilahyang
dimanfaatkan
untuk
keperluan-keperluan
pada
rangkaian
yangmembutuhkan
kecepatan
kerja
tinggi,
antara
lain
oscilator
frekuensi
tinggi,komputer, dan lain-lain. Dioda-dioda biasa baru akan bekerja setelah mendapatkan forward biassebesar 0,3 untuk dioda germanium dan 0,7 untuk dioda silikon. Dioda terowongan (tunneling dioda) dibuat berdasarkan mekanisme terowongan/terobosan elektron melalui potensial penghalangan (kontak sambungan) pada daerah sambungan. Elektron dengan energi kinetik tertentu memiliki kemungkinan menerobos potensial penghalang yang “tingginya” φ dan “lebarnya” d meskipun energinya E
Gambar 2. Elektron dengan energi E memiliki kemungkinan menerobos penghalang eφ, meskipun E
Ukuran potensial penghalang dapat dirumuskan sebagai berikut :
dengan NA, ND dan ni adalah konsentrasi atom akseptor, konsentrasi atom donor dan konsentrasi pembawa muatan intrinsik. Sedangkan ε dan εo adalah permitivitas listrik bahan semikonduktor dan ruang hampa. Sebagai contoh, untuk 19
-3
12
-3
bahan germanium (Ge) dengan NA = ND = 10 cm dan ni = 10 cm , pada suhu o
ruang (300 K) memberikan φ = 0,805 volt dan d = 120 angstrom.
Dioda terowongan mempunyai karakteristik arus-tegangan (I-V) seperti pada gambar. Efek terowongan terjadi pada daerah tegangan 0V2 terjadi peristiwa difusi. Mekanisme terobosan dan difusi sehingga menghasilkan kurva I-V seperti pada gambar
3. Scanning Tunneling Microscope (STM) Proses Scanning Tunnelling Microscopy dikembangkan oleh Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer di IBM laboratorium Zurich pada tahun 1981, dan memperoleh Nobel untuk Fisika pada tahun 1986. Proses ini memiliki kemampuan untuk menggambar dan memanipulasi individual atom dalam lingkungan non-vakum pada suhu kamar. Scanning Tunneling Microscopy (STM) adalah salah satu teknik analisis permukaan yang telah menyebabkan sebuah revolusi dalam pencitraan pada resolusi atom. Emisi foton dari permukaan logam yang disebabkan oleh elektron tunneling di scanning tunneling microscopy (STM) telah menarik minat untuk analisis permukaan pada skala nanometer karena peta intensitas mencerminkan berbagai properti permukaan resolusi tinggi. Beberapa peneliti telah berhasil mendapatkan peta STM foton diinduksi dengan skala nanometer atau skala resolusi atom dalam UHV. Namun, interpretasi kontras dalam peta foton tidak langsung karena emisi foton ini disebabkan melalui berbagai proses dalam STM. Dalam rangka untuk menafsirkan kontras peta foton, kita perlu mengetahui hubungan antara struktur geometrik puncak tip STM dan permukaan sampel dan spektrum foton dan intensitas foton. Prinsip kerja dari sistem STM adalah memanfaatkan arus tunnel yang timbul pada gap antara ujung jarum pengukur (needle tip) dan permukaan sample terukur. Arus tunel yang terjadi adalah arus yang timbul akibat adanya overlapping awan elektron yang dimiliki oleh kedua konduktor yang saling bedekatan bila diberi beda potensial padanya. Dalam hal ini adalah ujung jarum pengukur dan permukaan sampel terukur. Seperti telah diketahui bahwa total kerapatan arus dari elektron tunel tidak menjadi nol pada permukaan luas dari sampel, akan tetapi berkurang menurut fungsieksponensial sampai beberapa Amstrom dari permukaan bagian luar sampel yang sering disebut awan elektron.
Bila ada dua buah konduktor yang didekatkan satu sama lain pada orde Angstrom, kemudian diberikan beda potensial kepadanya maka akan timbul aliran arus dari suatu konduktor menuju konduktor yang lainnya. Karena arus tersebut dikenal dengan arus tunel. Arus tunel inilah yang menjadi dasar pengukuran dengan menggunakan sistem scanning tunneling microscope (STM). Pada umumnya besar arus tunnel yang digunakan dalam sistem STM antara 0,5 nA sampai dengan 2,5 nA dan besarnya tegangan bias yang digunakan adalah antara 0,5 volt sampai dengan 2,0 volt. Batasan penggunaan arus kerja dan teganagn sampel bias tersebut adalah untuk menghindari terjadinya kerusakan pada permukaan sampel dan ujung jarum pengukur. Hal tersebut mungkin terjadi karena keterbatasan respon dari sistem umpan balik dari sistem scanner atau terlalu dekatnya ujung jarum pada permukaan sampel terukur. Dengan memberikan sampel bias yang lebih tinggi dari tegangan kerjanya, yaitu berkisar antara 3,0 volt sampai 0,5 volt maka permukaan ujung jarum daapt diperbaiki dan akan mendapatkan hasil pengukuran yang benar. Dengan demikian, dari image yang akan dihasilkan akan dapat dianalisa dan memberikan informasi yang benar. Resolusi yang baik dari image sampel hasil pengkuran dengan sistem STM adalah tergantung dari ketajaman dan kebersihan jarum pengukur (needle tip probe). Dalam penggunaan sistem UHV-STM, pada umumnya pemurnian, pembersihan dari pemukaan sampel dan ujung jarum dilakukan dalam ruang vakum (vakum chamber). Pada kondisi-kondisi tertentu ada kemungkinan jarum menjadi terkontaminasi dengan elemen lain seperti halnya oksigen yang kemudian menjadi arang, dan hal tersebut menyebabkan ujung jarum akan berubah parameternya antara lain : ujung jarum menjadi rata (flat) atau mempunyai ujung yang berganda (multi tips). Untuk suatu proses pengukuran sebuah sample terukur, ruang vakum tidak boleh dibuka sampai pengukuran selesai. Hal tersebut diperlukan karena dalam mempersiapkan proses pengukuran ini diperlukan waktu yang cukup lama, mulai dari mermpersiapkan sampel dengan pemurnian dan pemanansan sampel (heat treatment) sampai persiapan sistem vakumnya sendiri, yaitu dengan pemanasan chamber(bake out vacum chamber system). Apabila selama percobaan kondisi ujung jarum berubah seperti yang disebutkan diatas, maka perlu dilakukuan perbaikan /perubahan parameter dari ujung jarum ukur tersebut untuk mendapatkan hasil yang benar, dan perubahan parameter tersebut perlu dilakukan didalam ruang vakum.
STM bekerja dengan memindai ujung logam kawat yang sangat tajam atas permukaan. Dengan membawa ujung sangat dekat dengan permukaan, dan dengan menerapkan tegangan listrik ke ujung atau contoh, kita bisa gambar permukaan pada skala yang sangat kecil - turun untuk menyelesaikan atom individu. STM ini didasarkan pada beberapa prinsip. Salah satunya adalah efek mekanik kuantum tunneling. Ini adalah efek yang memungkinkan kita untuk "melihat" permukaan. Prinsip lainnya adalah efek piezoelektrik. Ini adalah efek yang memungkinkan kita untuk secara tepat memindai ujung dengan angstrom tingkat kontrol. Terakhir, umpan balik diperlukan, yang memonitor arus tunneling dan mengkoordinasikan arus dan posisi ujung.
Tunneling Tunneling adalah efek mekanik kuantum. Sebuah arus tunneling terjadi ketika
elektron bergerak melalui penghalang bahwa mereka klasik seharusnya tidak dapat bergerak sekalipun. Dalam istilah klasik, jika Anda tidak memiliki cukup energi untuk bergerak "lebih" penghalang, Anda tidak akan. Namun, di dunia mekanik kuantum, elektron memiliki sifat seperti gelombang. Gelombang ini tidak berakhir tiba-tiba di dinding atau penghalang, tetapi lancip off cukup cepat. Jika penghalang cukup tipis, fungsi probabilitas dapat memperpanjang ke daerah berikutnya, meskipun penghalang! Karena kemungkinan kecil dari sebuah elektron berada di sisi lain dari penghalang, elektron cukup diberikan, beberapa memang akan bergerak melalui dan muncul di sisi lainnya. Ketika sebuah elektron bergerak meskipun penghalang dengan cara ini, hal itu disebut tunneling. Mekanika kuantum menyatakan bahwa elektron memiliki kedua gelombang dan partikel seperti properti.
Gambar 3. Gelombang pada Peristiwa Tunneling
Gambar atas menunjukkan kepada kita bahwa ketika sebuah elektron (gelombang) hits penghalang, gelombang tidak tiba-tiba berakhir, tapi berangsurangsur berkurang dengan sangat cepat - secara eksponensial. Untuk penghalang tebal, gelombang tidak bisa melewati. Gambar bawah menunjukkan senario jika penghalang yang cukup tipis (sekitar nanometer). Bagian dari gelombang tidak lolos, dan karena itu beberapa elektron dapat muncul pada sisi lain dari penghalang.
Tunneling Barrier Karena peluruhan tajam fungsi probabilitas melalui penghalang, jumlah
elektron yang benar benar akan melakukan ini sangat tergantung pada ketebalan penghalang. Arus aktual melalui penghalang tetes dari eksponensial dengan ketebalan penghalang. Untuk memperpanjang penjelasan ini untuk STM: Titik awal dari elektron ini baik ujung atau sampel (tergantung pada konfigurasi instrumen). Penghalang adalah kesenjangan (udara, debu, cair), dan wilayah kedua adalah "sisi lain" - ujung atau contoh, sekali lagi, tergantung pada konfigurasi percobaan. Dengan memonitor arus melalui celah, kita memiliki kontrol yang sangat baik dari jarak ujung-sampel.
Bahan piezoelektrik
Efek piezoelektrik ditemukan oleh Pierre Curie pada tahun 1880. Efek ini dibuat dengan meremas sisi kristal tertentu, seperti kuarsa atau barium titanat. Hasilnya adalah penciptaan berlawanan biaya di sisi. Efeknya dapat dibalik juga; dengan menerapkan tegangan melintasi kristal piezoelektrik, maka akan memanjang atau kompres. Bahan-bahan ini digunakan untuk memindai ujung di STM, dan sebagian lainnya teknik scanning probe. Bahan piezoelektrik khas digunakan dalam STMs adalah PZT (Titanat Zirkonium Lead).
Elektronika dan Loop Saran Jelas, Anda perlu elektronik untuk mengukur arus, scan ujung, dan
menerjemahkan informasi ini ke dalam bentuk yang bisa kita gunakan. Sebuah loop umpan balik selalu memantau arus tunneling dan membuat penyesuaian ke ujung untuk menjaga arus tunneling konstan. Penyesuaian ini dicatat oleh komputer dan disajikan sebagai gambar dalamperangkat lunak STM. Seperti setup sebuah disebut "arus konstan" gambar. Selain itu, untuk permukaanyang sangat datar, loop umpan balik dapat dimatikan dan hanya saat itu akan ditampilkan. Ini adalah "tinggi konstan" gambar. STM adalah cabable memperoleh gambar yang luar biasa pada skala yang paling ekstrem, dengan mudah menyelesaikan struktur atom dalam lingkungan yang tepat.
