ANALISIS SIFAT ELEKTRONIK DAN TERMOELEKTRIK MATERIAL Cu-DOPED ZnO MENGGUNAKAN METODE DENSITY FUNCTIONAL THEORY TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh FEBRIMAN ZENDRATO NIM: 20221308 (Program Studi Magister Fisika) INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Januari 2024 i ABSTRAK ANALISIS SIFAT ELEKTRONIK DAN TERMOELEKTRIK MATERIAL Cu-DOPED ZnO MENGGUNAKAN METODE DENSITY FUNCTIONAL THEORY Oleh Febriman Zendrato NIM: 20221308 (Program Studi Magister Fisika) ZnO merupakan material yang cukup menjanjikan untuk aplikasi termoelektrik terutama pada suhu tinggi karena tidak beracun dan murah. Akan tetapi, celah pita yang lebar dan konduktivitas listrik yang rendah menyebabkan sifat termoelektriknya menjadi rendah. Dalam tesis ini, sifat elektronik dan termoelektrik dari Cu-doped ZnO disimulasi dan dihitung dengan metode Density Functional Theory (DFT). Struktur elektronik Cu-doped ZnO yang terdiri dari band structure dan density of states disimulasi dan dihitung menggunakan first principle calculations menggunakan Quantum Espresso (QE) dengan koreksi Hubbard. Hasil perhitungan struktur elektronik menunjukkan penyempitan celah pita untuk semua struktur Cu-doped ZnO (Cu iO, CuiT, CuZn, VO+CuZn+Cui, dan V Zn+CuZn+Cui) dari ZnO bulk. Perhitungan lanjutan menggunakan BoltzTraP2 (Boltzmann Transport Properties) digunakan untuk mengetahui sifat termoelektriknya seperti koefisien Seebeck, konduktivitas listrik, konduktivitas termal, dan ZT (figure of merit). Hasil perhitungan BoltzTraP2 menunjukkan bahwa struktur V O+CuZn+Cui dan VZn+CuZn+Cui mengalami peningkatan nilai ZT e khususnya pada rentang suhu ruang hingga 500 K. Sehingga struktur ini berpotensi menjadi material termoelektrik. Kata kunci: ZnO, Cu, DFT, BoltzTraP, struktur elektronik, sifat termoelektrik ii ABSTRACT ANALYSIS OF ELECTRONIC AND THERMOELECTRIC PROPERTIES OF Cu-DOPED ZnO MATERIAL USING DENSITY FUNCTIONAL THEORY METHOD By Febriman Zendrato NIM: 20221308 (Master’s Program in Physics) ZnO is a material that is quite promising for thermoelectric applications, especially at high temperatures because it is non-toxic and cheap. However, the wide band gap and low electrical conductivity cause its thermoelectric properties to be low. Herein, the electronic and thermoelectric properties of Cu-doped ZnO are simulated and calculated using the Density Functional Theory (DFT) method. The electronic structure of Cu-doped ZnO consisting of band structure and density of states was simulated and calculated using first principle calculations using Quantum Espresso (QE) with Hubbard correction. The results of electronic structure calculations show a narrowing of the band gap for all Cu-doped ZnO structures (Cu iO, CuiT, CuZn, VO+CuZn+Cui, and VZn+CuZn+Cui) from bulk ZnO. Further calculation using BoltzTraP (Boltzmann Transport Properties) is used to determine thermoelectric properties such as Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity, and ZT (figure of merit). The BoltzTraP2 calculation results show that the V O+CuZn+Cui and VZn+CuZn+Cui structures experience an increase in ZT e values, especially in the room temperature range up to 500 K. So this structure has the potential to become a thermoelectric material. Keywords: ZnO, Cu, DFT, BoltzTraP, electronic structure, thermoelectric properties iii iii iv PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis Magister yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada penulis dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin penulis dan harus disertai dengan kaidah ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Sitasi hasil penelitian Tesis ini dapat di tulis dalam bahasa Indonesia sebagai berikut: Zendrato, F. (2024): Analisis Sifat Elektronik dan Termoelektrik Material Cu- doped ZnO Menggunakan Metode Density Functional Theory, Tesis Program Magister, Institut Teknologi Bandung. dan dalam bahasa Inggris sebagai berikut: Zendrato, F. (2024): Analysis of Electronic and Thermoelectric Properties of Cu- doped ZnO Material Using Density Functional Theory Method, Master’s Thesis, Institut Teknologi Bandung. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Dekan Sekolah Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. v Dedicated to my beloved father, mother, little and big brother. “I could fly higher than an eagle, for you are the wind beneath my wings.” To my mother, I have kept my promise and I will keep the other one. vi KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Yesus Kristus atas berkat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul “Analisis Sifat Elektronik dan Termoelektrik Material Cu-doped ZnO Menggunakan Metode Density Functional Theory” sebagai salah satu syarat kelulusan pada Program Studi Magister Fisika, FMIPA, ITB. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah berkontribusi dalam penulisan tesis ini, terkhusus kepada: 1. Prof. Dr.Eng. Yudi Darma selaku dosen pembimbing. 2. Prof. Toto Winata, Ph.D selaku dosen penguji 1. 3. Prof. Rachmat Hidayat, Ph.D selaku dosen penguji 2. 4. Ketua dan seluruh dosen Program Studi Magister Fisika, FMIPA, ITB. 5. Bapak Daryat Sudrajat yang banyak membantu dalam hal administrasi. 6. Yolanda Rati M.Si, teman yang sudah seperti saudari sendiri, serta semua anggota lab Quantum Semiconductor and Devices (QSD) Fisika, ITB. 7. Lembaga Pengelola Dana Pendidikan (LPDP), Kementerian Keuangan Republik Indonesia selaku pemberi beasiswa. 8. Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) selaku penyedia fasilitas HPC Mahameru selama penelitian berlangsung. 9. Para dosen S1 Pendidikan Fisika penulis di Universitas HKBP Nommensen Medan untuk dukungan moril. 10. Para sahabat di kontrakan Dago Pojok serta One Vision dan Sarang Church.