Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Teknologi Laser Berbasis Semikonduktor Organik

Penemuan sumber cahaya merupakan salah satu pencapaian terbesar dalam sejarah peradaban manusia. Pada zaman dahulu, terdapat dua teori yang mencoba menjelaskan mengapa manusia dapat melihat suatu objek, yaitu (1) Ptolemy dan Euclid menjelaskan bahwa penglihatan manusia terjadi akibat mata kita memancarkan berkas cahaya; (2) Aristoteles menjelaskan bahwa penglihatan manusia terjadi akibat mata kita menerima suatu bentuk fisis dari objek yang kita lihat. Akan tetapi, pada tahun 1011, dalam bukunya yang berjudul Book of Optics, Al-Hasan Ibn Haytam (Al-Hazen) mengemukakan sebuah teori baru yang menjelaskan bahwa berkas cahaya dari suatu sumber tertentu (yang tidak berasal dari objek yang sedang kita lihat) dipantulkan oleh objek tersebut. Selanjutnya, teori inilah yang mendasari prinsip optika modern yang menjelaskan mengenai prinsip kerja lensa, cermin, kamera, dan alat optik lainnya yang akan kita bahas lebih lanjut perkembangannya hingga teknologi laser berbasis semikonduktor organik dalam artikel ini.

Perjalanan sumber cahaya yang digunakan umat manusia, mulai dari sinar matahari, cahaya lilin, cahaya buatan dari percikan listrik, cahaya dari lampu pijar, dan akhirnya laser.

Perjalanan sumber cahaya yang digunakan umat manusia, mulai dari sinar matahari, cahaya lilin, cahaya buatan dari percikan listrik, cahaya dari lampu pijar, dan akhirnya laser.

Sudah sekitar delapan abad terakhir ini manusia mencoba memanipulasi cahaya dari berbagai sumber daya alam dan mengembangkan banyak elemen, perlengkapan, dan sistem optik yang memungkinkan kita melihat bintang-bintang, planet-planet dan juga untuk mengamati mikroorganisme. Walaupun demikian, ide mengenai pembuatan sumber cahaya buatan baru muncul pada pertengahan abad ke-19.

Pada tahun 1802, Sir Humpry Davy telah mendemonstrasikan lampu pijar pertama dengan mengalirkan arus melalui sebuah keping platina tipis, tetapi penelitian di bidang ini berjalan lambat sebelum dirumuskannya teori cahaya sebagai gelombang elektromagnet. Kemudian, lampu pijar yang ditemukan Edison menjadi sumber cahaya buatan yang telah berhasil mengubah arah peradaban manusia, walaupun sekarang sudah jarang digunakan karena faktor efisiensi. Sumber cahaya seperti ini bekerja dengan prinsip emisi termionika, yaitu sebuah filamen dipanaskan dengan mengalirkan arus listrik kemudian ia dapat memancarkan radiasi, baik itu radiasi tampak maupun inframerah, bergantung pada material filamennya.

Secara fisika, pada pertengahan abad ke-19, Michael Faraday menyatakan bahwa cahaya itu tidak lain hanyalah suatu bentuk dari garis-garis getaran listrik dan magnet. Akan tetapi, 15 tahun kemudian, tepatnya pada tahun 1861, James Clerk Maxwell merumuskan bahwa fenomena kelistrikan dan kemagnetan merupakan suatu kesatuan dalam teori elektromagnetisme yang tidak dapat dipisahkan satu sama lain. Penelitian ini kemudian dilanjutkan oleh Max Planck (1858 – 1947) yang berfokus pada permasalahan radiasi benda hitam dan hubungan antara frekuensi radiasi dan temperatur dari objek yang memancarkan cahaya. Dalam teorinya, Planck menyatakan bahwa gelombang elektromagnetik dapat dipancarkan dalam bentuk kuanta (kelompok) yang disebut kuanta foton. Hingga kemudian pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan fenomena kuantisasi cahaya ini dalam publikasinya tentang efek fotolistrik yang menyatakan bahwa cahaya adalah suatu gelombang, tetapi juga suatu partikel, bergantung pada sudut pandang pengamat. Teori ini yang kemudian menjadi teori utama untuk menjelaskan interaksi cahaya dan materi. Atas penemuan inilah Albert Einstein dianugerahi hadiah nobel pada tahun 1921.

Prinsip kerja efek fotolistrik.

Prinsip kerja efek fotolistrik.

Selain mengemukakan teori efek fotolistrik, Einstein juga mengusulkan keberadaan tiga proses mendasar di dalam interaksi cahaya dan materi: (1) Absorpsi (penyerapan cahaya); (2) Emisi (pemancaran cahaya) spontan; (3) Emisi terstimulasi. Dua proses yang pertama merupakan konsekuensi dari hukum kekekalan energi dari teori kuantisasi yang digagas oleh Planck. Akan tetapi, adanya proses emisi terstimulasi akan menyederhanakan penjelasan atas spektrum radiasi benda hitam. Hal ini disebabkan karena dalam proses emisi terstimulasi ini sebuah atom yang tereksitasi, selain dapat meluruh energinya akibat emisi spontan juga dapat meluruh apabila berinteraksi dengan sebuah foton dengan memancarkan kloningnya (kembarannya). Sehingga proses emisi terstimulasi ini dapat dipandang sebagai proses absorpsi negatif oleh material yang berdampak pada kemungkinan untuk membangkitkan dan memperkuat suatu radiasi berenergi yang bersifat koheren dalam perambatannya. Mekanisme inilah yang kemudian menjadi dasar fisis dalam pengembangan sinar LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) pada abad ke-20 oleh Gordon Gould.

Gambar kiri: Proses absorpsi dan emisi cahaya pada material. Cahaya yang diabsorbsi akan membuat electron di material tersebut tereksitasi. Kemudian, pada saat electron tersebut kembali ke keadaan dasar, cahaya akan diemisikan dari material tersebut berupa fluoresensi. Gambar kanan: Proses terjadinya emisi terstimulasi yang merupakan prinsip dasar laser. Pada saat electron material tersebut tereksitasi, terjadi interaksi antara electron tereksitasi tersebut dengan foton cahaya lain, sehingga menstimulasi proses kembalinya electron ke keadaan dasar lebih cepat. Akibatnya, diemisikanlah foton cahaya yang menyerupai foton cahaya yang berinteraksi tersebut.

Gambar kiri: Proses absorpsi dan emisi cahaya pada material. Cahaya yang diabsorbsi akan membuat electron di material tersebut tereksitasi. Kemudian, pada saat electron tersebut kembali ke keadaan dasar, cahaya akan diemisikan dari material tersebut berupa fluoresensi. Gambar kanan: Proses terjadinya emisi terstimulasi yang merupakan prinsip dasar laser. Pada saat electron material tersebut tereksitasi, terjadi interaksi antara electron tereksitasi tersebut dengan foton cahaya lain, sehingga menstimulasi proses kembalinya electron ke keadaan dasar lebih cepat. Akibatnya, diemisikanlah foton cahaya yang menyerupai foton cahaya yang berinteraksi tersebut.

Berbagai jenis laser yang memancarkan cahaya dengan berbagai macam panjang gelombang. Saat ini, laser banyak digunakan pada hal-hal yang berhubungan dengan keseharian kita. Selain itu, laser juga menjadi salah satu alat utama para ilmuwan untuk mempelajari sifat-sifat baru material.

Berbagai jenis laser yang memancarkan cahaya dengan berbagai macam panjang gelombang. Saat ini, laser banyak digunakan pada hal-hal yang berhubungan dengan keseharian kita. Selain itu, laser juga menjadi salah satu alat utama para ilmuwan untuk mempelajari sifat-sifat baru material.

Pada tahun 1954, Charles H. Townes mendemonstrasikan MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) dengan memanfaatkan inversi populasi antara dua level molekuler dari amonia untuk memperkuat radiasi pada rentang panjang gelombang mikro yaitu sekitar 1,25 cm. Beberapa tahun kemudian, seorang fisikawan bernama Theodore H. Maiman berhasil menyelesaikan pembuatan laser untuk pertama kalinya dengan cara memompa sebuah kristal rubi (Al2O3) secara optik yang menghasilkan radiasi pada panjang gelombang 694 nm. Penemuan ini diikuti oleh penemuan lainnya seperti laser berbasis gas HeNe oleh Javan-Bennet-Herriot (tahun 1960); diode laser semikonduktor oleh Robert Hall (tahun 1962) dengan material GaAs pada rentang inframerah; dan diode laser pada rentang cahaya tampak oleh Nick Holonyak (tahun 1962). Sebagai salah satu sumber cahaya, laser saat ini telah menjadi sesuatu yang umum ditemukan dalam kehidupan kita sehari-hari seperti CD/DVD, printer, scanner, perangkat komunikasi optik, peralatan medis, bahkan beberapa perlengkapan di supermarket.

Gambar atas: Molekul organik rubrene dan penampakan kristal tunggal rubrene, yaitu bahan semikonduktor organik, yang bersifat seperti plastik. Gambar bawah: Masa kini dan masa depan devais elektronika berbasiskan bahan organik, kulit tangan buatan, sumber cahaya baru, karpet pemancar listrik, dan mungkin juga laser. Sumber gambar: T. Sekitani, et al. Nature Mater. 6, 413 (2007).

Gambar atas: Molekul organik rubrene dan penampakan kristal tunggal rubrene, yaitu bahan semikonduktor organik, yang bersifat seperti plastik. Gambar bawah: Masa kini dan masa depan devais elektronika berbasiskan bahan organik, kulit tangan buatan, sumber cahaya baru, karpet pemancar listrik, dan mungkin juga laser. Sumber gambar: T. Sekitani, et al. Nature Mater. 6, 413 (2007).

Gambar atas: Prinsip kerja organic light emitting diode (OLED) (sumber: Osram). Gambar bawah: Contoh OLED untuk aplikasi lampu (sumber: Philips), dan juga layar monitor pada handphone Samsung Galaxy.

Gambar atas: Prinsip kerja organic light emitting diode (OLED) (sumber: Osram). Gambar bawah: Contoh OLED untuk aplikasi lampu (sumber: Philips), dan juga layar monitor pada handphone Samsung Galaxy.

Salah satu material laser yang sedang dikembangkan saat ini ialah laser berbasis semikonduktor organik (Organic Semiconductor Laser, OSL). Karena material ini memiliki tingkat fleksibilitas yang tinggi (seperti plastik), kombinasi bentuk yang bervariasi, dan kemudahan proses manufaktur. Akan tetapi, hingga saat ini OSL yang dipompa secara elektrik masih belum terealisasi dengan kata lain belum ada hasil yang benar-benar bisa memenuhi kriteria suatu laser. Kriteria-kriteria laser yang dimaksud disini antara lain seperti besarnya arus dan kerapatan eksiton (pasangan electron-hole) yang cukup untuk menginduksi inversi populasi, penajaman spektrum yang bergantung pada rapat arus, serta batas ambang yang jelas yang menunjukkan peralihan dari proses emisi cahaya biasa menjadi cahaya laser. Beberapa alasan yang menyebabkan kriteria-kriteria tersebut belum terpenuhi antara lain: (1) rendahnya mobilitas pembawa muatan hole dan elektron (kurang dari 10-3 cm V-1 s-1, misalnya untuk silikon ~500 cm V-1 s-1), sehingga sangat sulit untuk menginjeksikan arus listrik yang besar ke dalam bahan organik tersebut; (2) mudahnya eksiton dan foton untuk menghilang yang disebabkan karena kelemahan struktur devais Organic Light Emitting Diode (OLED), walaupun untuk aplikasi lampu maupun display sangatlah baik. Oleh sebab itu, diperlukan pendekatan-pendekatan baru yang dapat memberikan berbagai keuntungan, baik dari sisi optik maupun elektrik.

 (a) Prinsip kerja dari SCLET terbaru. Terlihat bagaimana kombinasi struktur ambipolar transistor yang bersifat sebagai saklar arus baik untuk pembawa muatan hole dan juga electron. Karena hole dan electron bisa bekerja bersama-sama di devais ini, keduanya bisa bertemu dan menghasilkan cahaya. Di struktur terbaru ini, digunakan dua buah kristal organik, dimana satu berfungsi sebagai pembangkit cahaya dan yang satu lagi berfungsi sebagai cermin tempat berpantulnya cahaya. (b) Penampakan dari kedua kristal tersebut. (c) Cahaya yang diemisikan oleh devais ini, dilihat dari sisi tepian kristal tunggalnya. Adapun spektrum dari cahaya ini menunjukkan sifat-sifat yang menyerupai cahaya laser. Sumber gambar: S. Z. Bisri et. al. Sci. Rep. 2, 985 (2012).

(a) Prinsip kerja dari SCLET terbaru. Terlihat bagaimana kombinasi struktur ambipolar transistor yang bersifat sebagai saklar arus baik untuk pembawa muatan hole dan juga electron. Karena hole dan electron bisa bekerja bersama-sama di devais ini, keduanya bisa bertemu dan menghasilkan cahaya. Di struktur terbaru ini, digunakan dua buah kristal organik, dimana satu berfungsi sebagai pembangkit cahaya dan yang satu lagi berfungsi sebagai cermin tempat berpantulnya cahaya. (b) Penampakan dari kedua kristal tersebut. (c) Cahaya yang diemisikan oleh devais ini, dilihat dari sisi tepian kristal tunggalnya. Adapun spektrum dari cahaya ini menunjukkan sifat-sifat yang menyerupai cahaya laser. Sumber gambar: S. Z. Bisri et. al. Sci. Rep. 2, 985 (2012).

Baru-baru ini, telah dikembangkan suatu devais baru dalam bentuk transistor pemancar cahaya berbasis kristal tunggal (Organic Single-Crystal Light Emitting Transistor, SCLET) yang merupakan penggabungan dari fungsi logika (seperti pada transistor) dan fungsi pemancar cahaya (seperti pada LED) dalam satu devais. Nilai mobilitas pembawa muatan devais ini 100 kali lebih besar dari semikonduktor organik konvensional yang disebabkan karena tidak adanya retakan-retakan (grain boundaries) yang banyak terdapat pada semikonduktor film tipis organik. Selain itu, struktur devais seperti transistor ini mengurangi secara drastis pengaruh dari kehilangan foton dan eksiton karena tempat terbentuknya eksiton cukup jauh dari pengaruh logam yang digunakan untuk menginjeksikan muatan. Dengan mengoperasikan light-emitting transistor tersebut, didapatkan sifat-sifat yang mendekati gejala laser dari cahaya yang dipancarkan.

Meskipun SCLET memberikan arsitektur devais yang menjanjikan, usaha menuju penemuan OSL yang dipompa secara elektrik masih merupakan tantangan yang sangat besar. Walaupun masih ada verifikasi lanjutan yang harus dilakukan, devais ini telah menunjukkan lompatan yang sangat jauh untuk mendekati direalisasikan OSL yang bisa dipompa secara elektrik, yang di masa datang bisa berperan penting dalam teknologi informasi, elektronik, dan komunikasi optik. Keberadaan transistor dan laser sebagai komponen dasar dalam rangkaian elektronik tentunya membuat kita berharap agar OSL dengan berbagai keunggulannya dapat segera terealisasi dan memberikan kemanfaatan bagi pasar elektronik dan masyarakat secara umum.

Bahan Bacaan:

Catatan: Artikel ini disadur ulang dari Buletin Riset Akhir Minggu (BUSET AHIRU) Persatuan Pelajar Indonesia di Sendai Edisi Nov. 2011 yang bersumber dari disertasi S3 penulis.

Penulis:
Satria Zulkarnaen Bisri, peneliti material elektronik di University of Groningen, Belanda.
Kontak: izoel13(at)yahoo(dot)com.