Distribusi Celah Pita Energi Titania Kotor

Transkripsi

1 Jurnal Nanosains & Nanoteknologi ISSN Edisi Khusus, Agustus 009 Distribusi Celah Pita Energi Titania Kotor Indah Nurmawarti, Mikrajuddin Abdullah (a), dan Khairurrijal Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, ITB Jalan Ganeca 10 Bandung 4013 (a) Diterima Editor : 19 Mei 009 Diputuskan Publikasi : 6 Mei 009 Abstrak Titanium dioksida(tio ) atau titania memiliki energi celah pita yang sangat lebar (3,- 3,8 ev), TiO murni hanya memiliki efisiensi fotokatalitik sebesar 5% dari energi matahari. Untuk mengefektifkan penggunaan dari energi matahari, maka memperlebar spectrum penyerapan matahari ke area cahaya tampak menjadi hal yang penting, dimana sekitar 45% energi matahari akan digunakan dalam proses fotokatalisis. Sejauh ini usaha untuk memperkecil band gap dan memperbesar spektrum serapan cahaya dari titania telah membuahkan hasil melalui proses doping oleh N, B, C, F. Spektrum absorbsi TiO yang lebar didapatkan tanpa dilakukan proses pendopingan. Dalam makalah ini akan dijelaskan tentang kemungkinan terdapatnya berbagai keadaan energi celah pita dari kontribusi bahan lain dan probabilitas energi tersebut serta pengaruhnya pada kemampuan serapan TiO. Dari perhitungan sederhana diperoleh nilai E g dengan probabilitas terbesar ada pada nilai 1,4067 ev dengan bobot 0,45 %, sedangkan nilai yang terkecil ada pada nilai 1,5485 ev dengan bobot 0,1147%. Kata Kunci: TiO, spektrum absorbsi, energi celah pita. 1. Pendahuluan Titanium dioksida atau titania atau TiO merupakan salah satu semikonduktor oksida yang telah dipelajari secara ekstensif sebagai fotokatalis sejak ditemukan efek sensitisasi cahaya oleh Honda dan Fujishima pada tahun Karena TiO memiliki potensial tinggi sebagai foto-oksidasi, stabilitas kimia yang tinggi, non toxic, dan biaya yang rendah, titanium dioksida banyak dibuat dalam variasi bentuk seperti serbuk nano, koloid, lapisan tipis, untuk aplikasi lingkungan dari mulai deodorization hingga purifkasi udara dan air. Tetapi, karena titania dioksida memiliki energi celah pita yang sangat lebar (3, ev-3,8 ev), TiO murni hanya memiliki efisiensi fotokatalitik sebesar 5% dari energi matahari pada rentang ultraviolet yang mampu mengaktivasi reaksi fotokatalitik. Untuk mengefektifkan penggunaan dari energi matahari, maka memperlebar spectrum penyerapan matahari ke area cahaya tampak menjadi hal yang penting, dimana sekitar 45% energi matahari akan digunakan dalam proses fotokatalisis. Sejauh ini usaha untuk memperkecil band gap dan memperbesar spektrum serapan cahaya dari titania telah membuahkan hasil melalui proses doping oleh N, B, C, F. Berdasarkan latar belakang yang telah dikemukakan di awal,banyak usaha dilakukan untuk memperoleh TiO dengan spektrum absorbsi lebih lebar. Tetapi apa yang terjadi jika bahan titania teknis yang dimiliki, setelah dikarakterisasi dengan spectrometer UV- Vis,ternyata memiliki rentang absorbsi yang sangat lebar dibandingkan dengan titania murni. Hal ini menjadi sebuah pertanyaan tentang apa yang sebenarnya terkandung dalam titania tersebut. Mungkinkah sudah terdapat pengotor dalam bahan tersebut? Jika ya,lalu untuk apa kita melakukan doping untuk mendapatkan spectrum absorpsi yang lebih luas jika tanpa dilakukan pengotoran pun spektrum absorpsi energi sudah lebar? Oleh karena itulah, dalam penelitian ini akan dipelajari studi awal mengenai fenomena yang terjadi terhadap bahan TiO yang memiliki spektrum absorbsi yang lebar dengan mencari probabilitas berbagai nilai energy celah pita yang terdapat dalam material TiO.. Beberapa Hasil dan Diskusi Spektrum Absorpsi TiO Bahan TiO anatase diperoleh dari Bratachem. Dari hasil spektroskopi UV-Vis didapatkan spectrum absorbsi dan transmisi dari TiO diberikan pada Gbr. 1. Jika dibandingkan dengan spectrum absorbsi TiO yang murni, Gbr., rentang absorbsi pada TiO di gambar 1 terlihat lebih lebar. Spectrum absorbsi TiO yang biasa hanya berada pada area nm, kali ini area absorbsi menjadi lebih lebar. Pada hampir sepanjang rentang nm, TiO mampu menyerap energi foton yang diberikan. Pada material semikonduktor ekstrinsik, level energy Fermi pada suatu material akan berubah dengan adanya proses pengotoran (doping), dan tentunya energy celah pita (Eg) akan berubah. Dari hasil kurva absorbsi pada TiO, peneliti mengambil asumsi bahwa terdapat sesuatu dalam bahan TiO ini yang menjadikan TiO tersebut tidak murni, tanpa dilakukannya proses doping, sehingga terciptanya sejumlah energy celah pita dari 38

2 J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust kontribusi pengotor dan menyebabkan spektrum absorbsi semakin lebar. maka E g didapatkan dari nilai perpotongan kurva dengan garis mendatar. Dari hasil kurva yang dibuat, didapatkan energi celah pita TiO sebesar 1,40667 ev (3, 3,8 ev pada bulk TiO ). Karena telah disebutkan bahwa material TiO ini terdiri dari berbagai energy celah pita, maka nilai E g TiO sebesar 1,40667 ev dianggap sebagai nilai E g terkecil, dan untuk nilai tertingginya adalah 3, ev. Gambar 1. Spektrum absorbsi TiO (Bratachem) Gambar 3. Penentuan energi celah pita TiO Penentuan Fungsi Probabilitas E g Dalam Material TiO Untuk satu jenis material, kurva karakteristik transmitansi memenuhi hubungan pada persamaan () Gambar. Spektrum absorpsi TiO [1] Dalam kasus tersebut, diasumsikan bahwa range absorpsi yang lebar merupakan hasil penjumlahan dari sejumlah material yang masing-masing memiliki energy celah pita, E g. Tiap material dengan E g tertentu akan mampu menyerap energi foton yang bersesuaian dengan Eg nya. Karena terdapat bermacam E g dalam TiO, maka berbagai rentang panjang gelombang mungkin diserap oleh TiO tersebut dan menyebabkan spectrum absorbsi TiO menjadi lebar. Menentukan Celah Pita Energi Untuk mencari nilai E g digunakan hubungan koefisien absorbsi terhadap energy [], dengan α adalah keofisien absorbsi (cm -1 ), hf adalah energi (ev), dan E g (ev) adalah energi gap pada material. Dengan membuat kurva antara (αhf) (1/r) terhadap (hf), (1) Dengan I adalah intensitas cahaya pada ketebalan tertentu, I o adalah intensitas awal cahaya ketika akan memasuki lapisan, α adalah koefisien absorpsi yang bergantung terhadap panjang gelombang, dan x adalah ketebalan lapisan. Hubungan antara transmitansi dan absorbansi diberikan oleh T + A = 1. Jika asumsi yang telah diungkapkan diatas diterapkan, bahwa kurva absorbansi pada material TiO ini merupakan penjumlahan dari berbagai kontribusi E g, maka kita dapatkan dengan A(λ j ) merupakan absorbansi dari fungsi panjang gelombang foton yang diberikan, hf j adalah energi foton yang diberikan, E g (λ i ) adalah energi celah pita yang merupakan fungsi dari panjang gelombang yang terdapat dalam material (E g minimum hingga E g maksimum), A merupakan nilai konstanta absorpsi pada TiO murni. f(λ) merupakan suatu fungsi bobot (probabalitas) yang (3) (4) (5)

3 J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust menentukan sebaran dari panjang gelombang yang berkaitan dengan energi celah pita pada TiO tersebut. Sebelum menentukan probabilitas energy celah pita, E g yang terdapat dalam TiO, akan dicari terlebih dahulu besarnya nilai A yang merupakan sebuah konstanta koefisien absorpsi pada TiO murni (dari literatur). Nilai A dicari melalui Gbr. 4 data hasil eksperimen karakterisasi UV-Vis yang telah diperoleh, nilai hf j (f j = hc/λ j ) diperoleh dari eksperimen, nilai E g diperoleh dari hasil touch plot pada Gbr. 3 dan didapatkan nilai energi celah pita minimum (E g,min = 0,40437 ev, E g,maks = 3, ev ). α(λ ij ) didapat menggunakan persamaan () dengan nilai A = 1,8 106 cm -1. Selanjutnya persamaan (4) dapat ditulis dalam bentuk matriks sebagai berikut A = GF (6) Dengan A beranggotakan A(λ j G ), memiliki elemen α λ (1 ( ij ) x e ) λ dan F memiliki elemen f ( λ i ). Yang ingin kita cari adalah f ( λ i ) yang dapat diperoleh melalui persamaan 1 F = G A (7) Gambar 4. Energi celah pita (E g ) TiO [3] 0.4 Probabalitas Eg f(eg) % Eg (ev) Gambar 6. Kurva f(e g ) vs E g Gambar 5. Energi celah pita langsung (direct band gap) TiO literatur. Kurva pada Gbr. 4 diplot ulang menggunakan software Engauge Digitizer 4.0 untuk mendapatkan nilai pada titik kurva tersebut. Dari hasil digitalisasi didapatkan kurva pada Gbr. 5. Dengan menggunakan persamaan (1) untuk Gbr. 5, didapatkan (αhf) = 1.647e+01 (hf) e+01 (αhf) = (1.647e+01) [(hf) 3.485] Nilai A yang didapat sebesar cm -1. Kembali pada pencarian fungsi probabilitas dengan menggunakan persamaan (4), A(λj) didapat dari Dengan menggunakan MATLAB 7 untuk menyelesaikan persamaan (7), maka diperoleh nilai F, yang kemudian nilai F tersebut di plot terhadap Eg. Dari hasil perhitungan dan didapat kurva pada Gbr. 6. Untuk mendukung asumsi yang telah diberikan diawal mengenai adanya suatu pengotor dalam material TiO (tanpa proses pengotoran), maka dilakukan juga karakterisasi EDX dan XRD untuk mencari tahu tentang adanya unsur lain selain TiO. Analisis Spektrum Absorbsi TiO terhadap Probabilitas Energi Celah Pita TiO Pada Gbr. 6 diperoleh grafik probabilitas adanya energi celah pita yang ada pada TiO. Probabilitas f(e g ) untuk bermacam-macam E g yang diawal diasumsikan ada pada material TiO memenuhi persamaan (4). Untuk setiap E g memiliki satu nilai probabilitas yang berarti panjang gelombang yang diserap akan sesuai dengan E g yang ada dengan intensitas yang berbeda-beda tergantung besarnya probablitas E g dengan probabilitas terbesar ada

4 J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust pada nilai 1,4067 ev dengan bobot 0,45 %, sedangkan nilai yang terkecil ada pada nilai 1,5485 ev dengan bobot 0,1147%, dan pada puncak tengah kurva berada pada E g =,5814 ev dengan bobot 0,347 %. Dari spectrum absorbsi pada gambar 1, dapat dilihat bahwa intensitas maksimum energi foton yang diserap ada pada panjang gelombang 538 nm atau ada pada daerah E g =,304 ev, sedangkan untuk nilai terendah Eg yang menyerap energi foton ada pada panjang gelombang 18 nm atau pada daerah 5,6 ev. Jika dibandingkan, nilai probabilitas ini mengindikasikan bahwa semakin besar nilai probabilitas nya maka semakin besar juga kemungkinan E g pada material TiO yang berkontribusi pada proses absorbsi cahaya pada panjang gelombang yang bersesuaian dengan. (Gambar 7 dan 8) E g Karakterisasi EDX Berdasarkan hasil karaketrisasi EDX (Gbr. 8), didapatkan bahwa ternyata unsur yang terkandung dalam material TiO tidak hanya atom Ti dan O saja, tetapi juga terdapat atom C sebesar 7% (tanpa proses doping Tabel 1). Studi yang dilakukan oleh Xu dkk mengenai doping karbon pada titania dioksida, ternyata bisa mengeser energi celah pita sebesar 0,03 ev [4]. Dalam studinya tersebut tidak dijelaskan mengenai banyaknya konsentrasi doping karbon yang diberikan pada TiO dan seberapa besar pengaruhnya terhadap pergesaran energi celah pita E g. 0.8 Absorbansi (a.u) Gambar 9. Karakterisasi EDX sampel TiO Absorbansi TiO E (ev) Gambar 7. Absorbansi terhadap enregi foton pada TiO Tabel 1. Unsur yang terkandung dalam TiO dari hasil karakterisasi EDX Unsur kev Mass% At% Error C 0,77 7,13 15,55 0,1 O 0,55 30,84 50,51 1,98 Ti 4,508 6,4 33,94 0,53 f(eg) % Probabalitas Eg Eg (ev) Gambar 8. Probabilitas E g terhadap E g yang terdapat pada TiO Walaupun sebenarnya E g bergantung dari konsentrasi atom pengotor yang diberikan, dalam kasus ini nilai bobot yang diperoleh bukan merepresentasikan banyaknya konsentrasi pengotor sehingga didapatkan E g tertentu. Tetapi nilai bobot ini hanya berkontribusi pada kemungkinan adanya nilai E g yang telah didapatkan dan diasumsikan ada pada material TiO. Karakterisasi XRD Dari hasil karakterisasi XRD ternyata sampel TiO ini tidaklah murni mengandung TiO saja. Hasil identifikasi yang terkandung dalam sampel adalah TiO anatase sebesar 90,8%, Griceite 4,7 % dan, Epidote 4,5%. Dalam studi lain yang dilakukan Shiang dkk [], dimana doping nitrogen diberikan pada TiO. Hasil eksperimen mereka menyebutkan bahwa konsentrasi pengotor mempengaruhi pergesaran E g walaupun tidak ada nilai konsentrasi efektif yang mampu memberikan E g optimum. Dalam kasus pendopingan material TiO dengan atom lain, diberikan penjelasan bahwa atom doping memiliki kulit terluar yang sama dengan O yaitu pada energi p. Hal ini dimaksudkan agar salah satu atom O pada TiO digantikan oleh atom doping. Sehingga energi pita konduksi TiO yang diberikan oleh keadaan p O akan berubah. 3. Kesimpulan Dari karakteristik-karakteristik yang telah dilakukan dapat dikatakan bahwa TiO yang dimiliki ini bukanlah TiO murni dan mengandung beberapa jenis material lain (C, LiF, Ca FeAl Si 3 O 1 (OH)). Akibat adanya bahan-bahan menyebabkan energy celah pita dari TiO murni (3. ev) menjadi berubah. Spektrum absorbsi TiO yang lebar mengindikasikan terdapatnya energi

5 J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust celah pita dari berbagai bahan lain selain TiO yang berada dari rentang 1,40667 ev sampai 3, ev, dan probabilitas energy celah pita yang terkandung dalam TiO telah didapatkan. Semakin tinggi probabilitas (bobot) dari energy celah pita maka kemungkinan penyerapan serta intensitasnya pada panjang gelombang yang bersangkutan menjadi besar. Besarnya probabiliatas atau bobot yang telah didapat tidak berkontribusi pada konsentrasi pengotor yang terdapat dalam TiO. Referensi [1] R. Asahi, T. Morikawa, T.Ohwaki, K. Aoki, and Y.Taga, Science 93, 69 (001). [] J.K Shiang et al, Appl. Phys. A 81,1411 (005). [3] K. Byung-Hoon et al, Ceram. Int. 3, 3 (006). [4] T.-H. Xu et al, J. Zheijang Univ. Sci. B.