Pengembangan Metode Filter 2D untuk Pengaturan Celah Energi Material 2D

Pengembangan Metode Filter 2D untuk Pengaturan Celah Energi Material 2D oleh Abdurrouf./dok.istimewa

ILMIAH | JATIMSATUNEWS.COM:

Pengembangan Metode Filter 2D untuk Pengaturan Celah Energi Material 2D
Abdurrouf

Metode Filter 2D (dua dimensi) dapat dipakai untuk memecahkan Persamaan Schrödinger 2D yang memiliki peran sangat penting dalam pengembangan teknologi berbasis material 2D, khususnya dalam upaya melakukan tuning band gap atau pengaturan celah energi.

Kita saat ini sedang memasuki era baru teknologi material. Setelah keberhasilan silikon mendominasi industri elektronik selama puluhan tahun, para ilmuwan mulai mengembangkan material generasi berikutnya yang memiliki ketebalan hanya setebal satu atau beberapa lapis atom. Material-material ini dikenal sebagai material dua dimensi.

Contohnya antara lain grafena, yang terkenal karena mobilitas elektronnya yang sangat tinggi; molybdenum disulfide (MoS₂), yang memiliki band gap alami sehingga menjanjikan untuk transistor generasi baru; serta berbagai material lain dari keluarga transition metal dichalcogenides. Material-material tersebut berpotensi merevolusi berbagai bidang, mulai dari elektronik hemat energi, sensor ultra-sensitif, sel surya berefisiensi tinggi, hingga teknologi komputasi kuantum.

Namun demikian, terdapat satu tantangan mendasar. Agar suatu material dapat digunakan secara optimal dalam perangkat elektronik atau optoelektronik, kita harus mampu mengendalikan band gap-nya.

Band gap merupakan selisih energi antara pita valensi dan pita konduksi. Besarnya band gap menentukan bagaimana elektron bergerak di dalam material, bagaimana material merespons cahaya, serta seberapa efisien material tersebut bekerja dalam suatu perangkat. Band gap yang terlalu kecil dapat menyebabkan arus bocor, sedangkan band gap yang terlalu besar dapat menghambat transport muatan.

Oleh karena itu, kemampuan untuk menyesuaikan atau melakukan tuning terhadap band gap menjadi kunci dalam merancang material sesuai kebutuhan aplikasi.

Persamaan Schrödinger memainkan peran sentral. Persamaan Schrödinger merupakan fondasi mekanika kuantum yang menggambarkan perilaku elektron pada skala atomik. Dengan menyelesaikan persamaan ini, kita dapat mengetahui tingkat-tingkat energi elektron, distribusi probabilitas keberadaan elektron, serta bagaimana sifat elektronik material berubah ketika struktur atau lingkungannya dimodifikasi. Di sinilah metode Filter 2D hadir sebagai solver bagi Persamaan Schrödinger 2D.

Melalui pemecahan Persamaan Schrödinger, para peneliti dapat memprediksi bagaimana band gap suatu material dua dimensi akan berubah akibat berbagai perlakuan, seperti:
• pemberian regangan mekanik (strain engineering),
• penerapan medan listrik eksternal,
• pengaturan jumlah lapisan atom,
• introduksi cacat atau dopan,
• maupun pembentukan heterostruktur dari beberapa material 2D yang berbeda.

Kemampuan prediktif ini sangat penting karena memungkinkan proses desain material dilakukan secara rasional melalui simulasi komputasi, sebelum eksperimen yang mahal dan memerlukan waktu panjang dilakukan di laboratorium.

Pendekatan tersebut mempercepat siklus inovasi. Jika sebelumnya pencarian material baru dilakukan melalui metode coba-coba, kini kita dapat memanfaatkan teori kuantum dan komputasi untuk menyaring kandidat material yang paling menjanjikan.

Dampaknya sangat luas. Dalam bidang elektronik, tuning band gap dapat menghasilkan transistor yang lebih cepat dan lebih hemat daya. Dalam bidang energi, pengaturan band gap memungkinkan peningkatan efisiensi penyerapan cahaya pada sel surya.

Pada teknologi sensor, sensitivitas perangkat dapat ditingkatkan secara signifikan. Bahkan dalam teknologi kuantum, pengendalian struktur energi membuka peluang pengembangan perangkat dengan fungsi yang belum dapat diwujudkan oleh material konvensional.

Dengan demikian, pemecahan Persamaan Schrödinger bukan sekadar kajian teoritis yang abstrak. Ia merupakan jembatan antara fisika fundamental dan inovasi teknologi masa depan.

Pemahaman mendalam terhadap perilaku elektron pada tingkat kuantum menjadi dasar bagi lahirnya perangkat elektronik yang lebih cerdas, lebih efisien, dan lebih berkelanjutan.

Lalu apa yang sudah kami kerjakan di Lab?

Pengembangan Metode Filter 2D untuk Pengaturan Celah Energi Material 2D oleh Abdurrouf./dok.istimewa

Gambar berikut menunjukkan pergantian atom memengaruhi struktur pita energi: Graphene (kiri), Silicene (tengah), dan Silicon Carbide (kanan), yang didapatkan.

Gambar berikut menunjukkan bahwa impuritas dan posisinya memengaruhi struktur pita.

Melalui penelitian yang terus berkembang di bidang ini, kita berharap dapat mempercepat hadirnya generasi baru teknologi berbasis material dua dimensi yang mampu menjawab berbagai tantangan global, mulai dari kebutuhan energi bersih hingga transformasi digital.

Akhir kata, kami mengajak seluruh pemangku kepentingan—akademisi, industri, pemerintah, dan media—untuk bersama-sama mendukung riset dasar di bidang fisika kuantum dan ilmu material. Karena dari pemahaman paling mendasar tentang alam semesta inilah sering kali lahir terobosan teknologi yang mengubah kehidupan manusia.

Semoga, kita semua dapat terus berkontribusi bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi.

Selected Ref.
✓ Nurhuda, M. and Rouf, A. Filter method without boundary-value condition for simultaneous calculation of eigenfunction and eigenvalue of a stationary Schrödinger equation on a grid. Physical Review E . 2017; 96(3), 033302.
✓ Abdurrouf, A., Nurhuda, M., and Wiyono, W. Modelling one-dimensional crystal by using harmonic oscillator potential. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2019; 546 (5), 052001
✓ Abdurrouf, A., Pamungkas, M.A., Wiyono, W. and Nurhuda, M. Implementation of filter method to solve the Kronig-Penney model. In AIP Conference Proceedings 2020; 2234, (1), 040001.
✓ Abdurrouf, A., Pamungkas, M. A., and Nurhuda, M., 2020a. The Energy Spectrum of imperfect Kronig-Penney model. IJITEE 2020; 9, 205-8.
✓ Abdurrouf, Pamungkas, M.A., and Nurhuda, M. February. Numerical solution of the schrödinger equation with periodic coulomb potential. Journal of Physics: Conference Series 2020; 1825(1), 012105
✓ Abdurrouf, A., Saroja, G. and Nurhuda, M. Estimation of energy separation in tunelling states in symmetric-hyperbolicus double-well potential problem using filter method. Trends in Sciences 2024; 21(3), pp.7355-7355.
✓ Abdurrouf., Saroja, G. and Nurhuda, M. Threshold condition of energy splitting for some classes of symmetric double well potential. Trends in Sciences 2025;. 22(2), p. 8805.
✓ Nurhuda M., Abdurrouf., Pamungkas MA., Naba A., Rianto S, Saroja G., Sakti SP, A new resolvent filter approach to boundary-free schroedinger solutions: application to the helium atom, 2025; J. Phys B. (to be submitted)