Disable Preloader

Berita

03 Juli 2018

Mengamati tarian elektron dan atom dengan Raman spektroskopi

Oleh : Dr. Eddwi Hesky Hasdeo

Di era nanoteknologi ini, para nano-saintis berlomba-lomba untuk mencari tahu hal-hal yang masih tersembunyi di dalam gumpalan partikel berukuran nano (10-9 m). Penelitian di dunia mikroskopik ini memegang peranan penting untuk menciptakan teknologi dengan dimensi sekecil-kecilnya, dan kapasitas sebesar-besarnya. Untuk mendapatkan informasi yang presisi terhadap pengamatannya, maka para saintis terus berjuang untuk menghasilkan metode pengukuran yang paling presisi dan dengan infromasi terbanyak, dan tingkat kesulitan terendah.

Adalah dua orang India bernama C. V. Raman dan K. S. Khrisnan (1928), yang pertama kali mengamati adanya perubahan frekuensi pada cahaya matahari monokromatik setelah dilewatkan pada sebuah materi. Mekanisme ini kemudian disebut hamburan cahaya tak-elastik (inelastic scattering of light). Semenjak peristiwa ini, hamburan cahaya tak-elastik menjadi metode pengukuran yang begitu ampuh di bidang nanoteknologi. Berkat penemuan yang fundamental itu, Raman memperoleh hadiah Nobel Fisika pada tahun 1930, dan namanya hingga kini dikenal dalam berbagai fenomena hamburan cahaya tak-elastik, Raman scattering.

Dengan Raman spektroskopi, kita menjadi detektif yang menyelidiki jejak-jejak yang ditinggalkan materi selama berinteraksi dengan cahaya. Secara sederhana Raman spektroskopi didasarkan pada perbedaan energi (frekuensi cahaya) yang masuk ke dalam materi dengan energi yang keluar. Berdasarkan hukum kekekalan energi, energi sebelum berinteraksi selalu sama dengan energi setelah berinteraksi. Bila saat pengukuran ditemukan adanya perbedaan energi, biasa disebut Raman shift energy, maka shift energy tersebut diserap oleh materi untuk melakukan berbagai macam interaksi. Hasil pengukuran ini kemudian dituangkan ke dalam sebuah plot yang disebut Raman spectra. (e.g  Gambar 1)

Bentuk spektra tersebut menunjukkan beberapa informasi, yaitu intensitas, yang menunjukkan besarnya penampang lintang hamburan (scattering cross-section); posisi puncak, yang mengindikasikan besarnya energi yang diserap materi; dan lebar spektra, yang mengindikasikan lama berlangsungnya interaksi (life-time). Lebar spektra mengindikasikan besarnya ketidakpastian energi (ΔE), menurut asas ketidakpastian Heisenberg, ketidakpastian waktu ., dimana  adalah konstanta Plank. Semakin lebar bentuk spektra yang didapat, semakin singkat waktu berlangsungnya interaksi.

Beberapa contoh interaksi dalam materi yang terekam oleh Raman spektroskopi adalah

1. Electron-photon interaction

Interaksi ini berkisar pada rentang 1-2 eV, bila cahaya yang digunakan adalah cahaya tampak. Lama berlangsungnya interaksi sekitar 1 nanosecond (10-9 s). Untuk menggambarkan interaksi ini, kita dapat membayangkan elektron dalam material sebagai sebuah massa yang terikat pada pegas. Gelombang elektromagnetik yang terserap mempolarisasi elektron sehingga elektron bergetar dan meningkat energinya. Kenaikan energi ini secara kuantum dapat dilihat sebagai transisi elektron dari pita valensi ke pita konduksi.  Terdapat juga proses baliknya; elektron memancarkan cahaya dengan melakukan transisi dari pita konduksi ke pita valensi. Interaksi elektron-photon dapat dideteksi dengan melihat perubahan intensitas Raman terhadap perubahan frekuensi laser atau konsentrasi doping di material yang diteliti.

 2. Electron-phonon interaction

Elektron yang bergetar di dalam materi dapat mentransfer energinya kepada atom-atom di sekelilingnya. Getaran atom-atom ini memiliki energi yang terkuantisasi yang kita sebut sebagai fonon. Karakteristik getaran fonon ini sangat menentukan properti mekanis bahan (modulus elastisitas, stress, strain dsb.) dan tingkat konduktivitas thermal bahan.

Fonon pada umunya memiliki terbagi atas beberapa mode terkait tingkat energi dan arah bergetarnya. Kita mengenal ada mode longitudinal dan transversal. Dalam mode transversal kita mengenal ada in-plane dan out-plane. Berdasarkan perubahan densitas elektron akibat getaran, dikelompokkan juga fonon akustik dan optik. Masing-masing mode getar ini memiliki energi yang sangat spesifik, itulah sebabnya, dengan mempelajari mode-mode getar atom dan interaksinya dengan elektron, kita dapat menentukan struktur kristal dan berbagai properti mekanis dan termal bahan (Gambar 2).

3. Electron-electron interaction

Mungkin anda pernah mendengar bahwa cahaya matahari membutuhkan waktu 8 menit untuk mencapai bumi, yang artinya cahaya yang anda lihat saat ini ketika anda melihat ke arah langit adalah cahaya 8 menit yang lalu. Bila kita memiliki elektron di matahari dan berinteraksi dengan elektron di bumi, maka elektron tersebut akan membutuhkan waktu sekitar 8 menit untuk saling berinteraksi. Dalam skala nano, peristiwa semacam ini pun terdeteksi oleh Raman Spektra. Dengan mengetahui lebar spektra pada Electronic Raman Scattering (Gambar 1), kita dapat menyelidiki bahwa elektron-elekton di dalam materi membutuhkan waktu sekitar 10-100 fs untuk saling berinteraksi. Interaksi elekton-elektron ini dapat dapat berupa pergerakan kolektif (baca: plasma) dan dapat juga berupa pergerakan individual yang random.

Dengan mengetahui bentuk Raman Spektra dan informasi yang terkandung di dalamnya (intensitas, line-shape, spectral-width), para theoris dapat mengenali jenis-jenis interaksi yang berlangsung selama cahaya merambat di dalam medium. Mereka pun mampu memproduksi kembali spektra yang dihasilkan oleh para eksperimentalis sambil memberikan penjelasan-penjelasan fisis terhadap mekanisme berlangsungnya interaksi (Gambar 3).

 

 gbr1


Gambar 1. Hasil pengukuran Raman Spektra di beberapa struktur karbon yang berbeda. Perbedaan bentuk spektra di samping menunjukkan adanya perbedaan mode getar yang sangat bergantung pada struktur materi. M.S. Dresselhaus

et al.Nano Letters 10, pp. 953–973, 2010

 

 gb2

Gambar 2. Contoh hasil pengukuran Intensitas Raman Spektra sebagai fungsi Raman Shift pada Metallic Single-walled Carbon Nanotube (23,14).  RBM (Radial Breathing Mode) dan G (Graphite) mode mengindikasikan adanya pergeseran energi untuk menggetarkan atom (phonon). ERS (Electronic Raman Scattering) mengindikasikan adanya mekanisme electron-electron interaction. Raman Shift memiliki satuan 1 cm-1, dimana 1 eV =8065 cm -1. Eksperimen ini menggunakan Laser Energy = 2.14 eV. H. Farhat, et al. Physical Review Letters.107.157401

 gb3

Gambar 3. Perbandingan hasil eksperimen dan teori pada G-band Raman Spectra di Metallic Single-walled Carbon Nanotube. Peristiwa di atas merupakan mekanisme pergeseran energi phonon akibat perubahan Fermi energy, peristiwa ini dikenal sebagai Kohn Anomaly. Hasil perhitungan teoretis ini menunjukkan kemiripan dengan eksperimen. J.S. Park et al., Physical Review B 80, p. 81402, 2009

 

 

Rujukan terkait:

1. Anisotropic electron-photon and electron-phonon interactions in black phosphorus X Ling, S Huang, EH Hasdeo, et al. Nano letters 16 (4), 2260-2267 (2016).

2.Electronic Raman scattering and the Fano resonance in metallic carbon nanotubes EH Hasdeo, ART Nugraha, K Sato, MS Dresselhaus, R Saito.Physical Review B 88 (11), 115107 (2013)

3. Deep-ultraviolet Raman scattering studies of monolayer graphene thin films HL Liu, S Siregar, EH Hasdeo, et al. Carbon 81, 807-813 (2015)

4.Fermi energy dependence of first-and second-order Raman spectra in graphene: Kohn anomaly and quantum interference effect EH Hasdeo, ART Nugraha, MS Dresselhaus, R Saito Physical Review B 94 (7), 075104 (2016)

5.Multiple electronic Raman scatterings in a single metallic carbon nanotube D Zhang, J Yang, EH Hasdeo, C Liu, K Liu, R Saito, Y Li .Physical Review B 93 (24), 245428 (2016)

6.Ultraviolet Raman spectroscopy of graphene and transition‐metal dichalcogenides R Saito, ART Nugraha, EH Hasdeo, S Siregar, H Guo, T Yang Physica Status Solidi (b) 252 (11), 2363-2374 (2015)

 7.Breit-Wigner-Fano line shapes in Raman spectra of graphene EH Hasdeo, ART Nugraha, MS Dresselhaus, R Saito Physical Review B 90 (24), 245140 (2014)