SIFAT LISTRIK PARTIKEL DALAM ORDE

NANOMETER

Electron confinement - semiconductors

nanoparticles are inbetween atom and bulk material

density of states

(ele

ctro

n) e

nerg

y

bulkatomsemiconductor

nanoparticle

semiconductor nanoparticles: • discrete energy levels

EF

• larger bandgap (EBG)

compared to bulk

EBGEBG

http://www.chem.uu.nl/edu/inleidingnanotechnologie/2_fysische%20en%20chemische%20eigenschappen.ppt

courtesy Petra de Jongh -Utrecht University

Nanorod, yaitu berupa kawat atau silinder yang memiliki diameter kurang dari 100 nm, berapapun panjangnya.

Nanoribbon, yaitu material berbentuk pita dengan ketebalan kurang dari 100 nm.

Nanosheet, yaitu material berbentuk lembaran dengan ketebalan kurang dari 100 nm.

Nanotube, yaitu material berbentuk silinder dengan ketebalan kulit silinder kurang dari 100 nm. Contoh yang terkenal adalah CNT.

Nanoporous, yaitu material yang mengandung sejumlah poros dan ukuran tiap poros kurang dari 100 nm. Contoh: zeolite.

NANOSTRUKTURMaterial yang tersusun dari material nanopartikel, dimana tiap partikel-partikel penyusunnya mempertahankan sifat individunya

Sifat unggul secara kimia Sifat unggul secara fisika Sifat material dapat diubah dengan melalui

pengontrolan ukuran material, pengaturan komposisi kimia, modifikasi permukaan, dan pengontrolan interaksi antara partikel.

Keunggulan material dalam

orde nanometer

Hal-hal yang mempengaruhi Sifat-sifat

material nanostruktur Sifat material nanostruktur sangat bergantung

pada: Ukuran dan distribusi ukuran partikel

penyusun material nanostruktur Komponen kimiawi unsur-unsur penyusun

material nanostruktur Keberadaan interface (grain boundary) Interaksi antara grain penyusun material

nanostruktur

Efek ukuran terhadap konstanta dielektrik

Makin kecil ukuran partikel maka makin kecil pl konstanta dielektrik material.

Pengecilan konstanta dielektrik akibat ukuran partikel yang makin kecil dapat dipahami yaitu: konstanta dielektrik muncul akibat adanya dipole listrik, yaitu muatan positif dan negatif yang terpisah pada jarak tertentu. Dalam material, kjarak pisah muatan listrik negatif (e) dan positif (teras atom) sangat kecil, yaitu lebih kecil dari jari2 atom.

Dapat disinter (dipadatkan) pada suhu yang lebih rendah (suhu sintering menurun jika ukuran partikel lebih kecil), sehingga kepadatan penuh dapat dicapai pada suhu yang rendah.dan laju sintering juga lebih cepat.

Efek ukuran terhadap laju sintering

Efek ukuran pada titik lebur

Titik lebur logam juga bergantunng pada ukuran partikel, semakin kecil ukuran partikel maka semakin rendah titik leburnya.Contoh: dalam ukuran bulk: emas melebur pada suhu 1064 0C, titik lebur emas akan turun secara drastis menjadi sekitar 200 0C ketika ukurannya direduksi menjadi sekitar 2 nm.

Efek ukuran terhadap kekuatan mekanikMemiliki kekuatan mekanik yang lebih besar (karena luas total permukaan partikel-partikel berukuran nanometer lebih besar)

Efek Ukuran Terhadap Energi Gap Rekayasa celah pita energi (band gap engineering)

1. Rekayasa pita energi material untuk menghasilkan sifat optik, elektronik, maupun optoelektronik sesuai dengan yang diinginkan.

2. Lebar celah pita energi bergantung sangat sensitif terhadap dimensi partikel.

3. Lebar celah pita energi berpengaruh pada spektrum absorpsi atau emisi material tersebut, maka spektrum absorpsi maupun emisi material dapat dikontrol melalui p[engontrolan dimensi partikel.

Kebergantungan Ukuran terhadap sifat Optik

http://www.ansci.wisc.edu/facstaff/Faculty/pages/albrecht/albrecht_web/Programs/microscopy/colloid.html

If you cut a block of gold into smaller & smaller pieces, it would still look like gold

http://en.wikipedia.org/wiki/Gold

Not true of gold at the nanoscale, where properties change!

http://www.outreach.psu.edu/programs/highschoolreform/files/Krajcik.ppt

Courtesy of Professor Krajcik

Contoh 1: Gold Bulk gold terlihat berwarna kuning Nanosized gold terlihat berwarna merah

Ukuran partikel sangat kecil, dimana elektron nya tidak dapat bergerak dengan bebas seperti halnya Bulk. (dimana energi gap akan semakin tinggi dengan penurunan ukuran partikel)

Karena gerakan elektron terbatas maka partikel tersebut akan menghasilkan warna-waerna yang berbeda sesuai dengan energi gapnya.

12 nanometer gold particles look red“Bulk” gold looks yellow

http://nanosense.org/activities/sizematters/index.htmlhttp://nanosense.org/activities/sizematters/index.html

http://www.foresight.org/Conferences/MNT7/Abstracts/Levi/http://www.sharps-jewellers.co.uk/rings/images/bien-hccncsq5.jpg

Contoh 2: Zinc Oxide (ZnO)

“Traditional” ZnO sunscreen is white

Zinc oxide nanoparticles

Nanoscale ZnO sunscreen is clear

Large ZnO particles Menghambat UV Menghamburkan cahaya

tampak Terlihat berwarna putih

Nanosized ZnO particles Menghambat UV Ukuran partikel sangat kecil

yaitu kurang dari 1 panjang gelombang cahaya tampak sehingga tidak di hamburkan

Terlihat transparan

Selain Zinc oxide? Titanium oxide

http://nanosense.org/activities/sizematters/index.htmlhttp://nanosense.org/activities/sizematters/index.html

www.fda.gov/nanotechnology/meetings/roberts_files/Roberts%20FDA%20Oct%202006%20msr5.ppt

http://www.abc.net.au/science/news/stories/s1165709.htm

Sifat Optik - TiO2 and ZnO

Scattering of visible light (whitening effect) is influenced by particle size and the difference between the refractive index of the pigment and the surrounding media.

Maximum scattering occurs when size equals 1/2 the wavelength and particles are uniformly dispersed (Mie theory).

Wavelength

Particle size

www.fda.gov/ohrms/dockets/dockets/06n0107/06n-0107-ts00016-Delrieu.ppt

www.koboproducts.com

Particle Size and Light Scattering

UV

Visible

Size reduction

Whitening Transparent

How?Surface coating

www.fda.gov/ohrms/dockets/dockets/06n0107/06n-0107-ts00016-Delrieu.ppt

www.koboproducts.com

TiO2 Dispersions

195 60 35 15 10

nm195 60 35 15 10

nm

195 60 35 15 10nm

195 60 35 15 10nm

10nm TiO2 (110 nm dispersion particle size) makes transparent dispersions for all skin types.

www.fda.gov/ohrms/dockets/dockets/06n0107/06n-0107-ts00016-Delrieu.ppt

www.koboproducts.com

Band Gap Engineering

Light absorption can probe the bandgap:

Electron confinement - semiconductors

-> the colour changes if the particle size is changed

Experimental resultsfor CdSe:• wider bandgap• discrete levels

Bawendi group

h+ e- e- e-

e-

h+

e-

http://www.chem.uu.nl/edu/inleidingnanotechnologie/2_fysische%20en%20chemische%20eigenschappen.ppt

http://nanocluster.mit.edu/research.php

E

EVB

CBE h=Eg

h e (CB)h(VB)

E=h

optical detector

semiconductor

Creation of an electron hole pair where h is the photon energy

exciton: bound electron and hole pairusually associated with an electron trapped in a localized state in the band gap

Band Gap (energy barrier)

Excitation in a Semiconductor

E

EVB

CBEE=h

radiative recombination

non-radiative recombination

radiative recombination photonnon-radiative recombination phonon (lattice vibrations)

e (CB)h(VB) h

E

EVB

CBE

band-to-band recombination

recombination atinterband trap states (e.g. dopants, impurities)

Recombination of Electron Hole Pairs

Kebergantungan warna yang dihasilkan pada proses deeksitasi pada nanopartikel.

APLIKASI QUANTUM DOT PADA

LED-DISPLAY SCREEN

YTTRIA DOPED EUROPIUM

TANPA UV DENGAN UV

YTTRIA DOPED EUROPIUM

TANPA UV

DENGAN UV