Spektroskopi Penerobosan Elektron Tak Elastik

Spektroskopi Penerobosan Elektron Tak elastic atau Inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS) merupakan spektroskopi yang banyak digunakan untuk identifikasi kimia, investigasi ikatan dan deteksi senyawa. IETS juga banyak digunakan dalam bidang nanoscience dan molecular junction.

IETS mempunyai persamaan dengan spektroskopi inframerah dan Raman karena ketiganya digunakan untuk mendeteksi vibrasi molekul. Spektroskopi inframerah merupakan spektroskopi vibrasi yang paling terkenal dan telah dikembangkan dengan baik untuk mempelajari molekul yang teradospsi pada permukaan substrat. Spektroskopi Raman digunakan ketika spektroskopi inframerah sulit atau bahkan mustahil digunakan seperti pada kasus molekul yang terlarut di dalam solven yang tidak tembus cahaya inframerah. Atau digunakan pula untuk tipe vibrasi yang tidak aktif terhadap inframerah. Keduanya dibandingkan dengan IETS mempunyai sensitivitas yang lebih rendah. Karena interaksi elektron dengan vibrasi molekul lebih kuat daripada dengan foton, maka satu monolayer molekul sudah cukup untuk menghasilkan spektra IET yang baik. Selain itu pada IETS tidak ada aturan seleksi seperti pada IR dan Raman. Mode vibrasi aktif baik terhadap inframerah maupun terhadap Raman akan nampak di spektra IET. 

IETS ditemukan pada tahun 1966 oleh Jaklevic dan Lambe ketika mereka mempelajari efek tunneling pada metal-oxide-metal junction. Alih-alih menemukan efek struktur pita, mereka menemukan pola karakteristik d²I/dv² yang berhubungan dengan eksitasi vibrasional molekul pengotor yang ada pada lapisan insulator.

Gambar 1. Gambaran skematis sistem IETS. Persegi panjang menunjukkan elektroda. Di antara elektroda terdapat molekul yang akan dipelajari. Energi vibrasi molekul ditunjukkan dengan garis putus-putus.

Untuk mengetahui bagaimana IETS bekerja, perhatikan Gambar 1. Saat potensial bias diberikan pada kedua elektroda, elektron akan tunnel dari elektroda kiri ke elektroda kanan. Pada gambar paling kiri, elektron mengalami tunneling secara elastik, yaitu tidak ada perubahan energi sebelum dan sesudah tunneling. Pada gambar bagian tengah, apabila potensial bias diperbesar sehingga potensial bias ini sesuai dengan tingkat energi vibrasi molekul, maka saat elektron akan kehilangan energi sebesar perbedaan energi vibrasi ini. Elektron dikatakan mengalami tunneling secara tidak elastik. Tunneling tak elastik ini merupakan jalur transpor elektron baru selain tunneling elastik. Sehingga pada keadaan ini terdapat dua jalur transpor elektron, secara elastik dan secara tak elastik. Akibatnya peningkatan arus akan lebih besar setelah potensial bias melewati titik ini (Gambar 2). Pada Gambar 1 bagian kanan, molekul mengalami relaksasi dan mengemisikan energi. Apabila energi ini ditangkap oleh elektron maka energi elektron akan kembali seperti semula. Ini dinamakan tunneling elastik tingkat kedua. 

Gambar 2. Saat potensial bias sesuai dengan energi eksitasi vibrasi maka arus tunneling akan bertambah

Pustaka

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleHtml/2011/CS/c0cs00155d

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

Read More

Mengenal Self Assembly Monolayers (SAMs)

Pendekatan alternatif untuk membuat nanostruktur fungsional melibatkan self-assembly molekul-molekul. Pada pendekatan ini, segera setelah proses dimulai, struktur yang diinginkan dibentuk tanpa adanya intervensi dari luar. Molekul-molekul menata dirinya sendiri dengan memanfaatkan interaksi lemah seperti ikatan hidrogen dan van der Waals.

Monolayers merupakan lapisan tipis molekul tunggal yang disusun di atas permukaan substrat. Nama self-assembled monolayers (SAMs) menunjukkan bahwa pembentukan monolayer dilakukan secara otomatis tanpa memerlukan intervensi dari luar. SAMs ini banyak ditemukan di alam untuk menghasilkan arsitektur kompleks. Salah satu contohnya adalah pembentukan membran sel dari molekul lipid. SAMs adalah sistem ideal yang dapat menjawab pertanyaan-pertanyaan mendasar mengenai sifat antarmuka seperti gesekan, adhesi dan pembasahan.

Dua pendekatan yang digunakan untuk membuat monolayer molekul pada permukaan logam adalah metode Langmuir-Blodgett dan metode self assembly. Pada metode Langmuir-Blodgett (ditunjukkan pada Gambar 1), molekul amphiphilic disebarkan pada permukaan cairan. Lapisan ini kemudian ditransfer ke substrat padat.


Gambar 1. Metode Langmuir-Blodgett. (a) Surfaktan di air. Titik hitam adalah kepala sedangkan garis adalah ekor surfaktan. Molekul surfaktan ini tidak beraturan. (b) Penekanan monolayer dengan mendorong barrier sepanjang permukaan. (c) Monolayer tertata dengan adanya tekanan. (d) Imersi substrat ke lapisan yang tertata. (e) Transfer monolayer ke substrat. (f) Monolayer tertata pada permukaan substrat.

Pada metode self assembly, logam (atau substrat lain) dicelupkan ke larutan yang mengandung surfaktan (gambar 2). Larutannya biasanya dibuat dalam heksana untuk surfaktan rantai-panjang dan dalam etanol untuk surfaktan rantai pendek.


Proses Pertumbuhan
Pertumbuhan monolayer dapat dijelaskan dengan hukum pertumbuhan Langmuir. Laju pertumbuhan proporsional dengan jumlah situs yang tersedia dan sesuai dengan persamaan dθ /dt = k(1 − θ ), dimana θ adalah fraksi situs yang terisi dan k adalah konstanta laju. Ada dua tahapan selama pertumbuhan monolayer. Langkah pertama adalah kemisorpsi gugus kepala pada permukaan logam dan ini terjadi sangat cepat. Kemudian rantai alkana mulai menata dengan konfigurasi semua trans, yang lebih lambat daripada proses pertama. Kinetika kedua tahap tergantung pada beberapa parameter seperti konsentrasi larutan, panjang rantai alkil, dll Sebelum digunakan, permukaan monolayer dicuci dan ditiup kering dengan nitrogen.


Stabilitas dan Dinamika Permukaan
Stabilitas termal dari SAMs tergantung pada kekuatan ikatan permukaan dan kekuatan interaksi lateral. Untuk alkanethiols pada emas, stabilitas termal meningkat dengan peningkatan panjang rantai. Untuk monolayer butanethiol, desorpsi dimulai pada temperature 75°C, sedangkan monolayer octadecane mengalami desorpsi pada temperatur 170–230°C.

Transisi fasa
Sebagai akibat dari interaksi van der Waaks, monolayer alkane thiol membentuk fasa kristalin pada permukaan logam. Namun pada peningkatan temperatur sistem, terjadi peningkatan ketidakteraturan orientasi. Ini memperlemah interaksi van der Waals yang akan menghasilkan fasa liquid-like.

Aplikasi SAMs
Pada dasarnya SAMs adalah metode rekayasa permukaan substrat sehingga dapat digunakan untuk mengontrol pembasahan dan adhesi, ketahanan terhadap bahan kimia, biokompatibilitas, dan sensitisitas suatu permukaan. Modifikasi permukaan elektroda dengan SAMs dapat mengontrol transfer elektron pada reaksi elektrokimia. SAMs juga digunakan sebagai model untuk mempelajari sifat-sifat membran sel dan organel dan pengikatan sel pada permukaan. SAMs dapat membuat permukaan menjadi lebih hidrofobik sehingga dapat melindungi komponen NEMS dan MEMS yang berada di lingkungan lembab. Dengan cara yang sama, SAM dapat mengubah sifat-sifat kaca. SAM membuat monolayer hidrofobik pada kaca depan mobil untuk menjaga kaca tetap jelas saat hujan.

SAMs berguna dalam biosensors dan perangkat untuk memisahkan satu jenis molekul dari lingkungannya. Salah satu contohnya adalah penggunaan nanopartikel magnetik untuk menghilangkan jamur dari aliran darah. Nanopartikel ini dilapisi dengan SAMs yang mengikat jamur. Saat darah yang terkontaminasi disaring melalui perangkat MEMS, nanopartikel magnetik dimasukkan ke dalam darah sehingga dapat mengikat jamur dan kemudian nanopartikel ini dihilangkan dari darah.

Read More