STUDI PENGARUH MEDAN LISTRIK PADA PERTUMBUHAN KRISTAL ZnO TESIS. EVI MARYANTI NIM: Program Studi Kimia

Transkripsi

1 STUDI PENGARUH MEDAN LISTRIK PADA PERTUMBUHAN KRISTAL ZnO TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh: EVI MARYANTI NIM: Program Studi Kimia INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 ii ABSTRAK STUDI PENGARUH MEDAN LISTRIK PADA PERTUMBUHAN KRISTAL ZnO Oleh Evi Maryanti NIM: ZnO merupakan senyawa semikonduktor golongan II-VI dengan celah energi yang lebar (3,37 ev) pada suhu ruang dan energi ikat eksiton yang besar (60 mev) sehingga membuat ZnO sebagai kandidat menjanjikan untuk material elektronik dan fotonik generasi mendatang. Nanorods ZnO dengan berbagai ukuran dan orientasi kristal telah disintesis dengan menggunakan metoda deposisi larutan dengan berbagai konsentrasi prekursor dan waktu deposisi pada suhu 90 C. Dalam studi ini, pengaruh medan listrik terhadap pertumbuhan kristal ZnO dipelajari dengan memberikan medan listrik eksternal serta dengan perbedaan konfigurasi arah medan listrik (posisi elektroda positif terhadap substrat gelas ITO) selama proses deposisi. Hasil karakterisasi menggunakan XRD dan SEM menunjukkan bahwa perbedaan konsentrasi prekursor dan konfigurasi medan listrik menyebabkan perbedaan ukuran dan orientasi nanorods ZnO. Nanorods ZnO dengan distribusi ukuran dan orientasi sumbu-c yang seragam dihasilkan pada konsentrasi prekursor 100 mm di bawah pengaruh medan listrik dengan konfigurasi B (elektroda positif di atas substrat) selama 8 jam. Adapun hasil karakterisasi fotoluminesen menunjukkan adanya peningkatan ketajaman puncak emisi UV pada panjang gelombang 360 dan 381 nm dengan meningkatnya konsentrasi prekursor serta pemberian medan listrik eksternal selama proses deposisi. Peningkatan ketajaman puncak emisi UV menunjukkan bahwa kristal ZnO yang dihasilkan mempunyai kualitas kristal dan sifat optik yang baik. Kata Kunci: Nanorods ZnO, metoda deposisi pada larutan, medan listrik, fotoluminesen.

3 iii ABSTRACT THE STUDY OF ELECTRICAL FIELD EFFECT ON ZnO CRYSTAL GROWTH By Evi Maryanti NIM: ZnO is one of II-VI group semiconductor material with the wide band gap and large exciton binding energy at room temperature. Furthermore, ZnO has developed as a promising for the new electronic and photonic devices generation. In this study, ZnO nanorods were growth using chemical solution deposition method under external electrical field at various precursor concentrations with temperature of 90 o C. We found that the ZnO growths on ITO substrate were affected by electrodes configuration through ITO surfaces. The observed XRD pattern and SEM images showed that the concentrations of precursor solution as well as electrodes configuration affect the homogeneity, crystal size and orientation of ZnO nanorods. The highest homogeneity of size and growth orientation (c-axis) could be obtained when precursor concentration is 100 mm, with configuration which positive electrode faced on ITO surfaces and deposition time of 8 hours. The photoluminescence spectra shows some sharp peak at 360 and 381 nm were increasing when an external electrical field direction of the electric field goes onto the ITO surfaces. The increasing of these peaks which identified as transition of exciton state in ZnO indicated that ZnO nanorods have a good crystalline phase and optical properties. Keyword: ZnO nanorods, Chemical Solution Deposition method, electric field, photoluminescence.

4 iv STUDI PENGARUH MEDAN LISTRIK PADA PERTUMBUHAN KRISTAL ZnO Oleh EVI MARYANTI NIM: Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal 2008 Pembimbing I, Pembimbing II, Dr. Bambang Prijamboedi NIP Prof. Dr. Ismunandar NIP

5 v PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Dekan Sekolah Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.

6 vi "Ya Allah, Engkaulah Tuhanku. Tiada Tuhan kecuali Engkau. Engkau Penciptaku dan aku hambamu yang tetap dalam kesetiaan dan janjiku sepanjang kemampuanku. Aku kembali kepada-mu dengan kenikmatan dan kembali kepada-mu dengan dosaku. Maka ampunilah aku. Sesungguhnya tiada pengampun dosa-dosa kecuali Engkau." Kupersembahkan karya kecilku ini untuk suamiku, kedua orang tuaku, mertua, kakak, adik-adikku, keponakan, dan seluruh keluarga besarku yang tercinta. Terkhusus buat calon bayi mungilku yang senantiasa menemani hari-hari panjang yang mengesankan ini. I love u all...

7 vii KATA PENGANTAR Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat, hidayat dan karunia-nya sehingga penulisan tesis yang berjudul Studi Pengaruh Medan Listrik pada Pertumbuhan Kristal ZnO dapat terselesaikan. Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat guna memperoleh gelar Magister bidang ilmu kimia di Sekolah Pascasarjana Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung. Penulis banyak memperoleh petunjuk, bantuan, bimbingan, perhatian, dan dorongan dari berbagai pihak dalam penyusunan tesis ini. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan yang sebesarbesarnya kepada : 1. Rektor Universitas Bengkulu atas kesempatan dan izin yang diberikan sehingga penulis dapat melanjutkan pendidikan di tingkat Magister. 2. Dirjen DIKTI selaku penyandang dana pendidikan (BPPs) bagi penulis. 3. Dr. Bambang Prijamboedi, selaku dosen pembimbing, yang telah banyak meluangkan waktu dan kesabarannya dalam memberikan bimbingan, dorongan, bantuan dan petunjuk sampai tesis ini dapat terselesaikan. 4. Prof. Dr. Ismunandar, selaku ko-pembimbing penelitian yang telah meluangkan waktu dan energinya dalam membimbing penulis baik saat penelitian dilaksanakan maupun saat penulisan tesis. 5. Semua staf pengajar di Program studi Kimia Institut Teknologi Bandung yang telah memberikan ilmu pengetahuan selama menjalani studi. 6. Kepala beserta staf Laboratorium Kimia Anorganik dan Laboratorium Kimia Fisik Material, Pak Bandi, Bu Ella, Mas Ifam, Pak Mudi, Bu Entin, Pak Wahyo, Pak Win, Mas Budi dan Mas Yadi, yang telah memberikan kemudahan dan bantuan dalam pelaksanaan penelitian. 7. Keluarga tercinta, Suami, Ayah, Ibu, Mertua, Kakak dan Adik-adik yang telah memberikan dukungan dan doa tiada henti tanpa pernah mengharap balasan, terima kasih telah memberikanku kesempatan menjalani ini semua.

8 viii 8. Rekan-rekan seperjuangan angkatan 2006 Cepi, Mauritz, Baiq Fara, Eka, Tety, Arba, Alief, Widyo, Laurent, Yuli, Udin, Erfan, Ganis, Tunjung, Tina, Rina, Neneng, Mukhtar, terima kasih atas rasa persaudaraan yang kalian berikan. 9. Rekan-rekan di Laboratorium Solid State & Catalyst, Pak Zul, Pak Akram, Bu Fitri, Bu Ati, Andri, Dicky, Vira, Fanny, Pak Bram, Anson, Ginanjar, terima kasih atas segala bantuan dan kerjasamanya, saya bangga menjadi bagian dari kalian semua. 10. Rekan-rekan di LKFM, Pak Bambang Piluharto, Pak Dani, Pak Maskuri, Pak Hadi, Pak Siang, Teman-teman DEPAG 2006, adik-adikku S1, terima kasih atas segala bantuan dan kerjasamanya. 11. Saudara-saudaraku di Wartel Prasta, Riska, Dewi, Mbak Tanti, Mbak Endah, Teh Ros, Entin, Teh Tika, Nova, Bu Ani, Inda, Bu Fahimah, Bu Tini, Silvi, Teh Ai, terima kasih atas rasa persaudaraan, dukungan dan doa yang kalian berikan. 12. Serta semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu. Mudah-mudahan tesis ini dapat memberikan manfaat bagi pembacanya. Bandung, Juni 2008 Penulis

9 ix DAFTAR ISI ABSTRAK.....ii ABSTRACT...iii LEMBAR PENGESAHAN... iv PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS... v LEMBAR PERSEMBAHAN... vi KATA PENGANTAR...vii DAFTAR ISI... ix DAFTAR LAMPIRAN... xi DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI...xii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG... xv Bab I Pendahuluan... 1 I.1 Latar Belakang Penelitian... 1 I.2 Tujuan Penelitian... 3 I.3 Pentingnya Penelitian... 3 I.4 Ruang Lingkup Penelitian... 3 I.5 Sistematika Tesis... 4 Bab II Tinjauan Pustaka... 5 II.1 Nanomaterial... 5 II.1.1 Klasifikasi Nanomaterial... 5 II.1.2 Nanokristal Semikonduktor... 7 II.2 Nanokristal Zink Oksida (ZnO) II.2.1 Struktur Kristal ZnO II.2.2 Sifat Optik ZnO II.3 Penumbuhan Kristal ZnO II.4 Efek Medan Listrik II.4.1 Pengenalan Medan Listrik II.4.2 Polarisasi Materi Dielektrik II.4.3 Aplikasi medan listrik pada proses pertumbuhan kristal II.5 Difraksi Sinar-X Serbuk II.6 Scanning Electron Microscope (SEM)... 24

10 x II.7 Fotoluminesen II.7.1 Luminesen II.7.2 Pengukuran fotoluminesen Bab III Metodologi Penelitian III.1 Tahap penelitian III.2 Tempat penelitian III.3 Alat dan Bahan III.4 Prosedur Penelitian III.4.1 Prosedur Sintesis III.4.2 Prosedur Karakterisasi III Difraksi Sinar-X Serbuk III Scanning Electron Microscope (SEM) III Fotoluminesen Bab IV Hasil dan Pembahasan IV.1 Hasil Sintesis dan Analisis Karakterisasi IV.1.1 Pengaruh konsentrasi prekursor terhadap ukuran dan morfologi dari kristal ZnO IV.1.2 Pengaruh konsentrasi prekursor terhadap sifat optik dari kristal ZnO IV.1.3 Pengaruh medan listrik eksternal pada pertumbuhan kristal ZnO IV.1.4 Pengaruh medan listrik eksternal terhadap sifat optik dari kristal ZnO Bab V Kesimpulan DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

11 xi DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Contoh gambar SEM dan cara pengukuran butiran Lampiran B Data distribusi diameter nanorods ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mm... 56

12 xii DAFTAR GAMBAR Gambar II.1 Tata nama material struktur nano 0-D... 7 Gambar II.2 Gambar II.3 Diagram energi (kurva dispersi) untuk semikonduktor langsung dan tidak langsung... 8 Diagram skematik dari Wannier-Mott aksiton dan Frenkel eksiton Gambar II.4 Gambaran struktur-struktur kristal ZnO Gambar II.5 Gambaran skematik dari struktur wurtzit ZnO Gambar II.6 Daerah eksiton bebas dari spektrum PL ZnO pada 15 K Gambar II.7 Gambar II.8 Gambar II.9 Gambar II.10 Gambar II.11 Spektrum PL dari ZnO pada daerah TES dari garis-garis eksiton ikatan.. 15 Perubahan morfologi kristal tunggal ZnO yang terbentuk dalam suatu larutan Zn(NO 3 ) 2 (0,05 mol L -1 ) dan heksametiltetramin (0,05 mol L -1 ) yang dipanaskan pada suhu 100 C: (a) permulaan turbiditas; (b) setelah 3 menit; (c) setelah 7 menit; (d) setelah 30 menit Orientasi molekul polar tanpa dan dengan pemakaian medan listrik Elektron berkecepatan tinggi yang mengenai elektron pada orbital 1s (kulit K) menyebabkan elektron tereksitasi sehingga terjadi kekosongan ( ) pada orbital 1s, elektron pada orbital 2p mengisi kekosongan tersebut yang menyebabkan terjadinya pancaran sinar-x Spektrum panjang gelombang sinar-x yang dipancarkan oleh logam Cu yang terdiri dari radiasi putih, radiasi Cu K β dan beberapa jenis radiasi Cu K α..

13 xiii Gambar II.12 dan beberapa jenis radiasi Cu K α.. 22 Difraksi sinar-x pada kisi kristal. λ adalah panjang gelombang sinar-x, d adalah jarak antar kisi kristal, θ adalah sudut datang sinar.. 23 Gambar II.13 Skema spektrofotometer fotoluminesen 26 Gambar III.1 Ilustrasi skematik untuk sistem reaksi yang terdiri dari bejana gelas, sumber tegangan, substrat, elektroda dan larutan prekursor Gambar IV.1 Pola difraksi ZnO berdasarkan JCPDS no Gambar IV.2 Gambar IV.3 Gambar IV.4 Gambar IV.5 Gambar IV.6 Gambar IV.7 Gambar IV.8 Pola difraksi ZnO pada berbagai konsentrasi prekursor tanpa pengaruh medan listrik eksternal Foto SEM dari nanorods ZnO dengan perbedaan konsentrasi prekursor dengan waktu deposisi 8 jam tanpa adanya pengaruh medan listrik Spektrum PL dari nanorods ZnO pada substrat gelas ITO dengan perbedaan konsentrasi prekursor dan waktu deposisi selama 8 jam, diukur pada suhu ruang Pola difraksi ZnO pada konsentrasi prekursor 1 mm dengan dan tanpa medan listrik eksternal Pola difraksi ZnO pada konsentrasi prekursor 10 mm dengan dan tanpa medan listrik eksternal Pola difraksi ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mm dengan dan tanpa medan listrik eksternal Foto SEM dari nanorods ZnO tanpa adanya pengaruh medan listrik eksternal dan dengan adanya medan listrik eksternal pada konsentrasi prekursor 100 mm... 43

14 xiv Gambar IV.9 Distribusi diameter dari nanorods ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mm Gambar IV.10 Skema struktur kristal ZnO Gambar IV.11 Skema polarisasi molekul ZnO terhadap arah medan listrik 48 Gambar IV.12 Spektrum PL dari nanorods ZnO pada substrat gelas ITO pada konsentrasi prekursor 100 mm, waktu deposisi 8 jam, dengan dan tanpa medan listrik eksternal yang diukur pada suhu ruang... 49

15 xv DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG Singkatan Nama Pemakaian pertama kali pada halaman MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition ITO Indium Tin Oxide 2 SEM Scanning Electron Microscope 3 TCO Transparent Conductive Oxide 11 BE Bound Exciton 13 DBE Donor Bound Exciton 13 ABE Acceptor Bound Exciton 13 PL Photoluminescence 14 MBE Moleculer Beam Epitaxy 17 PLD Pulse Laser Deposition 17 HVPE Halida Vapor Phase Epitaxy 17 EL Electroluminescence 25 CL Cathodoluminescence 25 DC Direct Current 29 XRD X-Rays Diffraction 34 PDF DAP Powder Diffraction File Donor Acceptor Pair LAMBANG a Panjang satu sel satuan 12 Å Angstrom, satuan panjang gelombang 23 d Jarak antar kisi kristal 12 E Medan Listrik 20 P6 3 mc Grup ruang untuk struktur kristal wurtzit 12 E g Celah pita energi 8

16 xvi Hf Energi gelombang elektromagnetik 8 EV Electron Volt, satuan untuk energi foton 15 n Zn Jumlah atom Zn 16 n O Jumlah atom O 16 µ Zn Potensial kimia Zn 16 µ O Potensial kimia O 16 V Zn Kekosongan atom Zn 16 V O Kekosongan atom O 16 θ Sudut datang sinar pada kisi kristal 20 λ Panjang gelombang sinar datang pada kisi kristal 23