Bab IV Hasil dan Pembahasan

Transkripsi

1 33 Bab IV Hasil dan Pembahasan Pada bab ini dilaporkan hasil sintesis dan karakterisasi dari senyawa yang disintesis. Senyawa disintesis menggunakan metoda deposisi dalam larutan pada temperatur rendah dengan variasi konsentrasi, waktu deposisi dan pemberian medan listrik eksternal. Senyawa hasil sintesis dikarakterisasi dengan menggunakan difraksi sinar-x (X-Rays Diffraction, XRD) untuk mengetahui struktur kristal dengan melihat indeks dari puncak-puncak yang muncul, kemudian dibandingkan dengan pola difraksi standar yang terdapat pada data Powder Diffraction File (PDF) yaitu JCPDS No Gambar IV.1 Pola difraksi ZnO berdasarkan JCPDS no Dari pola difraksi pada Gambar IV.1 terlihat puncak-puncak karakteristik ZnO pada 2ɵ di 31,769 ; 34,421 ; 36,252 ; 47,538 ; 56,602 ; 62,862 ; 66,378 ; 67,961 ; 69,098 yang merupakan puncak refleksi dengan hkl berturut-turut adalah (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112), dan (201). (26) Karakterisasi lain yang dilakukan adalah pemeriksaan morfologi, distribusi dan ukuran kristal yang dihasilkan dalam sampel menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). Pengukuran fotoluminesen dilakukan untuk mengetahui karakter optik dari senyawa yang disintesis dengan menggunakan spektrofluorometer tipe RF-5301PC.

2 34 IV.1 Hasil Sintesis dan Analisis Karakterisasi Pada penelitian ini digunakan zink nitrat heksahidrat (Zn(NO 3 ) 2.6H 2 O) dan metenamin (C 6 H 12 N 4 ) sebagai prekursor. Zn(NO 3 ) 2.6H 2 O sebagai sumber ion Zn 2+ dan metenamin sebagai buffer ph dengan melepaskan ion-ion OH - secara lambat melalui dekomposisi termal. Ketika metenamin ditambahkan ke larutan Zn(NO 3 ) 2, tidak ada endapan yang terjadi, namun ketika suhu meningkat endapan Zn(OH) 2 terbentuk. Inti ZnO terbentuk dari endapan yang terdeposisi pada substrat dan kemudian tumbuh menjadi kristal. (6) Digunakan gelas ITO (Indium Tin Oxide) sebagai substrat karena ITO mempunyai banyak kelebihan seperti sifat konduktivitas listrik yang tinggi, transparansi optik, transmisi cahaya UV-Infra merah dekat yang tinggi, tingkat homogenitas transmisi yang tinggi dan refleksi pada daerah infra merah. Selain itu, faktor penting dalam pemilihan ITO sebagai substrat karena ketidakcocokan kisi yang kecil (3%) antara jarak oksigen-oksigen (O-O) yang bertetangga pada bidang closed-packed ITO (111) dengan bidang ZnO (001), dan dangling bond O pada lapisan permukaan ITO sangat mendukung proses pengintian awal dan pertumbuhan film ZnO kualitas tinggi pada substrat ( 6, 27 ) ITO. Proses penumbuhan kristal ZnO di atas substrat ITO dilakukan menggunakan metoda deposisi dalam larutan prekursor di mana pada metoda ini terdapat dua tahap pembentukan kristal yaitu pembentukan inti dan pertumbuhan yang didasarkan pada pembentukan fase padat dari larutan. Pada proses pembentukan inti, kluster-kluster molekul yang terbentuk dengan cepat terdekomposisi dan partikel-partikel bergabung untuk tumbuh membentuk lapisan film tertentu pada substrat gelas ITO. (6) Proses sintesis dilakukan pada berbagai konsentrasi prekursor. Hal ini dilakukan untuk melihat perubahan morfologi dan ukuran dari kristal ZnO yang disintesis. Dari hasil karakterisasi menggunakan XRD, terlihat bahwa pada berbagai konsentrasi prekursor, pola XRD yang dihasilkan menunjukkan bahwa senyawa yang terdeposisi pada substrat gelas ITO merupakan ZnO dengan struktur wurtzit heksagonal. Munculnya puncak-puncak di 2ɵ 31,57º; 34,31º; 36,13º; 47,28º;

3 35 56,46º (Gambar IV.2) yang sesuai dengan pola difraktogram standar dari ZnO pada JCPDS No (Gambar IV.1) dengan konstanta kisi ɵ = 3,25 Å dan c = 5,21 Å. (26) (100) Intensitas (a.u) (002) (101) ZnO 100 mm, 0 V/cm, 8 Jam ZnO 10 mm, 0 V/cm, 8 Jam (100) ZnO 1 mm, 0 V/cm, 8 Jam θ ( 0 ) Gambar IV.2 Pola difraksi ZnO pada berbagai konsentrasi prekursor tanpa pengaruh medan listrik eksternal. Dari pola difraksi tersebut di atas, tidak terlihatnya puncak-puncak karakteristik dari pengotor menunjukkan bahwa senyawa yang disintesis murni fasa ZnO. Puncak-puncak difraksi yang tajam menunjukkan kristalinitas yang baik dari kristal yang telah disintesis. Adanya perbedaan intensitas relatif antara pola difraksi senyawa hasil sintesis dengan pola difraksi standar dari material ZnO ruah disebabkan oleh orientasi dan distribusi dari kristal-kristal ZnO pada permukaan substrat. (7) IV.1.1 Pengaruh Konsentrasi Prekursor Terhadap Ukuran dan Morfologi dari Kristal ZnO Berdasarkan pola difraksi pada Gambar IV.2 dapat dilihat adanya peningkatan intensitas puncak difraksi dengan meningkatnya konsentrasi prekursor yang digunakan. Pada konsentrasi prekursor 1 mm, terlihat intensitas puncak refleksi (100) yang rendah menunjukkan bahwa kristal ZnO yang dihasilkan masih

4 36 bersifat amorf atau mempunyai kerapatan kristal yang rendah. Pada konsentrasi prekursor 10 mm, terlihat puncak refleksi (100), (101) dengan intensitas yang cukup tinggi meskipun puncak refleksi (002) menunjukkan intensitas yang masih rendah. Tetapi pada konsentrasi prekursor 100 mm, intensitas puncak refleksi (002) mengalami peningkatan sedangkan puncak refleksi lainnya hampir tidak mengalami perubahan seperti pada konsentrasi prekursor 10 mm. Pernyataan adanya pengaruh konsentrasi prekursor terhadap pertumbuhan kristal ZnO juga didukung oleh hasil karakterisasi menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) yang telah dilakukan seperti terlihat pada Gambar IV.3. Gambar IV.3 memperlihatkan adanya perbedaan bentuk dan ukuran dari kristal ZnO yang dihasilkan. Pada konsentrasi prekursor 1 mm, nanorods ZnO yang dihasilkan belum menunjukkan kristalinitas yang baik dimana bentuk struktur belum heksagonal, ukuran kristal serta orientasi juga belum seragam. Hal ini juga didukung oleh data pola difraksi sinar-x yang telah dibahas sebelumnya (Gambar IV.2). Pada konsentrasi prekursor 10 mm, nanorods ZnO telah berbentuk heksagonal dan seragam dengan diameter sekitar nm, namun orientasi kristal belum seragam. Arah pertumbuhan kristal pada sumbu-a masih lebih dominan daripada sumbu-c yang juga telah ditunjukkan pada pola difraksi dimana puncak (100) lebih tinggi tinggi daripada puncak (002). Namun pada konsentrasi prekursor 100 mm, kristalinitas dari nanorods ZnO meningkat dengan bentuk kristal yang seragam dan struktur heksagonal jelas terlihat meskipun masih terdapat perbedaan ukuran diameter kristal. Nanorods yang dihasilkan rata-rata berukuran 600 nm dengan orientasi pada sumbu-c lebih dominan daripada sumbu-a dan sesuai dengan pola difraksi yang dihasilkan (Gambar IV.2). Secara umum, ukuran dari nanorods ZnO menjadi lebih besar dengan meningkatnya konsentrasi prekursor. Hal ini menandakan bahwa konsentrasi prekursor merupakan faktor penting yang mempengaruhi ukuran dan morfologi dari nanorods, disebabkan oleh difusi kritis dari monomer-monomer, keterbatasan pertumbuhan, kondisi pengendapan dan kekuatan ionik pada proses ageing serta (6, 28) tegangan antar muka.

5 37 Gambar IV.3 Foto SEM dari nanorods ZnO dengan perbedaan konsentrasi prekursor dengan waktu deposisi 8 jam tanpa adanya pengaruh medan listrik. (a) 1 mm; (b) 10 mm; (c) 100 mm.

6 38 IV.1.2 Pengaruh Konsentrasi Prekursor Terhadap Sifat Optik dari Kristal ZnO Untuk menentukan sifat optik dari kristal ZnO dapat dilakukan dengan pengukuran fotoluminisensi. Spektrum Fotoluminesen (PL) dari nanorods ZnO dilakukan pada suhu kamar dengan daerah panjang gelombang nm menggunakan panjang gelombang eksitasi 325 nm mm 0 V/cm 10 mm 0 V/cm 100 mm 0 V/cm Intensitas PL (a.u) Panjang Gelombang (nm) Gambar IV.4 Spektrum PL dari nanorods ZnO pada substrat gelas ITO dengan perbedaan konsentrasi prekursor dan waktu deposisi selama 8 jam, diukur pada suhu ruang. Gambar IV.4 menunjukkan spektrum PL dari nanorods ZnO pada berbagai konsentrasi prekursor yang diukur pada suhu ruang. Dari gambar tersebut terlihat bahwa spektrum terdiri dari puncak tajam emisi violet (UV) pada daerah 360 dan 381 nm, dan puncak lebar emisi biru-hijau pada daerah nm. Secara umum, emisi UV dari ZnO berhubungan dengan aktivitas eksiton dimana puncak emisi UV pada daerah 360 nm (3,45 ev) merupakan emisi dari eksiton bebas (29) dan puncak emisi UV pada daerah 381 nm (3,25 ev) merupakan emisi donorbound exciton. (30) Pita emisi UV dari nanorods ZnO dapat dijelaskan dengan

7 39 rekombinasi dan emisi dari eksiton bebas melalui proses tumbukan eksitoneksiton yang menghasilkan suatu foton. (2, 31) Puncak emisi hijau disebabkan oleh cacat titik seperti kekosongan oksigen atau pengotor. (6) Adapun emisi biru pada daerah 415 nm disebabkan oleh annihilasi eksiton atau rekombinasi donoracceptor pair (DAP). (29) Dari spektrum PL tersebut (Gambar IV.4) terlihat bahwa jika konsentrasi prekursor ditingkatkan, puncak PL pada daerah UV menjadi semakin tajam, sedangkan puncak PL pada daerah biru-hijau menurun. Hal ini menunjukkan kualitas yang baik dari nanorods ZnO yang dihasilkan. (32) Jadi peningkatan konsentrasi prekursor dapat meningkatkan kristalinitas dan sifat optik dari nanorods ZnO. IV.1.3 Pengaruh Medan Listrik Eksternal pada Pertumbuhan Kristal ZnO Untuk mempelajari pengaruh medan listrik eksternal pada pertumbuhan kristal ZnO dapat dilihat berdasarkan hasil pengukuran difraksi sinar-x dari kristal ZnO yang dihasilkan pada berbagai konsentrasi prekursor dengan dan tanpa menggunakan medan listrik eksternal. a. Kristal ZnO yang dihasilkan pada konsentrasi prekursor 1 mm Pola XRD dari kristal ZnO pada konsentrasi prekursor 1 mm yang terdeposisi pada gelas ITO dengan waktu deposisi 8 jam ditunjukkan pada Gambar IV.5. Dari Gambar IV.5 terlihat intensitas puncak difraksi yang rendah terutama pada pola difraksi ZnO yang dihasilkan tanpa menggunakan medan listrik eksternal. Pada penggunaan medan listrik eksternal, intensitas puncak difraksi mengalami peningkatan terutama pada penggunaan medan listrik dengan konfigurasi B (elektroda positif di atas substrat). Intensitas puncak refleksi (100) lebih tinggi daripada puncak refleksi (002) yang menunjukkan bahwa kristal ZnO mempunyai orientasi tumbuh yang masih acak (belum seragam).

8 40 [100] [002] ZnO 1 mm, 4000 V/cm B, 8 Jam Intensitas (a.u) ZnO 1 mm, 4000 V/cm A, 8 Jam ZnO 1 mm, 0 V/cm, 8 Jam θ ( 0 ) Gambar IV.5 Pola difraksi ZnO pada konsentrasi prekursor 1 mm dengan dan tanpa medan listrik eksternal. Dapat dinyatakan bahwa pada penggunaan konsentrasi prekursor 1 mm, penggunaan medan listrik eksternal belum menunjukkan pengaruh berarti terhadap orientasi pertumbuhan kristal, melainkan hanya dapat meningkatkan kerapatan kristal pada permukaan substrat berdasarkan intensitas puncak difraksi yang dihasilkan. b. Kristal ZnO yang dihasilkan pada konsentrasi prekursor 10 mm Pola XRD dari kristal ZnO pada konsentrasi prekursor 10 mm yang terdeposisi pada gelas ITO ditunjukkan pada Gambar IV.6. Dari Gambar IV.6 terlihat pola difraksi dengan intensitas puncak yang lebih tajam dari pada puncak difraksi dari kristal ZnO yang dihasilkan pada konsentrasi prekursor 1 mm kecuali pada penggunaan medan listrik dengan konfigurasi B (elektroda positif di atas substrat) yang menunjukkan penurunan signifikan dari intensitas puncak difraksi. Pada penggunaan medan listrik dengan konfigurasi A (elektroda positif di bawah substrat), intensitas puncak refleksi (002) mengalami peningkatan dibandingkan tanpa penggunaan medan listrik sedangkan puncak refleksi lainnya tidak menunjukkan peningkatan yang signifikan.

9 41 ZnO 10 mm, 4000 V/cm B, 8 Jam Intensitas (a.u) (100) ZnO 10 mm, 4000 V/cm A, 8 Jam (002) (101) ZnO 10 mm 0 kv/cm, 8 Jam θ ( 0 ) Gambar IV.6 Pola difraksi ZnO pada konsentrasi prekursor 10 mm dengan dan tanpa medan listrik eksternal. Berdasarkan fenomena yang terlihat pada pola difraksi tersebut di atas menunjukkan bahwa penggunaan medan listrik eksternal pada proses deposisi kristal ZnO dengan konsentrasi prekursor 10 mm belum memberikan pengaruh terhadap orientasi kristal di atas permukaan substrat, tetapi perbedaan konfigurasi medan listrik (posisi elektroda positif terhadap substrat) memberikan pengaruh terhadap sifat dan kristalinitas dari ZnO. c. Kristal ZnO yang dihasilkan pada konsentrasi prekursor 100 mm Pola XRD dari kristal ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mm yang terdeposisi pada gelas ITO ditunjukkan pada Gambar IV.7. Dari Gambar IV.7 terlihat peningkatan intensitas puncak difraksi pada penggunaan medan listrik konfigurasi A dibandingkan tanpa menggunaan medan listrik. Pada medan listrik dengan konfigurasi A, puncak refleksi (002) menjadi lebih tinggi dari pada puncak refleksi lainnya, sedangkan pada proses deposisi tanpa menggunakan medan listrik, puncak refleksi (100) lebih dominan.

10 42 ZnO 100 mm, 2500 V/cm B, 8 Jam Intensitas (a.u) (100) ZnO 100 mm, 2500 V/cm A, 8 Jam (002) (101) ZnO 100 mm, 0 V/cm, 8 Jam θ ( 0 ) Gambar IV.7 Pola difraksi ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mm dengan dan tanpa medan listrik eksternal. Perubahan yang sangat signifikan terjadi pada penggunaan medan listrik konfigurasi B, dimana hanya terlihat puncak refleksi (002) pada pola difraksinya. Penggunaan medan listrik eksternal konfigurasi B pada konsentrasi prekursor 100 mm dapat meningkatkan intensitas puncak refleksi (002) dan menekan puncak refleksi lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa kristal ZnO cenderung untuk tumbuh tegak lurus pada permukaan substrat gelas ITO (orientasi sumbu-c). Jadi penggunaan medan listrik eksternal pada proses deposisi kristal ZnO dengan konsentrasi prekursor 100 mm dapat mengarahkan orientasi pertumbuhan kristal sumbu-c yang mencapai maksimum pada penggunaan medan listrik konfigurasi B. Adanya pengaruh penggunaan medan listrik eksternal terhadap pertumbuhan kristal ZnO juga dapat dilihat dari hasil karakterisasi menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) terhadap kristal ZnO yang dihasilkan pada konsentrasi prekursor 100 mm dengan dan tanpa penggunaan medan listrik eksternal selama proses deposisi seperti yang terlihat pada Gambar IV.8.

11 43 Gambar IV.8 Foto SEM dari nanorods ZnO tanpa adanya pengaruh medan listrik eksternal dan dengan adanya medan listrik eksternal pada konsentrasi prekursor 100 mm. (a) tanpa medan listrik; (b) dengan medan listrik A (elektroda positif dibawah substrat); (c) dengan medan listrik B (elektroda positif diatas substrat).

12 44 Gambar IV.8 memperlihatkan adanya perbedaan distribusi ukuran dan orientasi kristal dari nanorods ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mm. Gambar IV.8 (a) menunjukkan morfologi nanorods ZnO tanpa menggunakan medan listrik selama proses deposisi dimana terlihat morfologi kristal yang belum halus pada permukaannya serta ukuran dan orientasi kristal masih belum seragam. Pada penggunaan medan listrik eksternal konfigurasi A, nanorods ZnO yang dihasilkan menunjukkan adanya peningkatan kristalinitas dengan terlihatnya struktur heksagonal dan permukaan yang halus pada permukaan kristal serta peningkatan keseragaman ukuran kristal meskipun orientasinya masih belum seragam dan kerapatan kristal masih rendah. Perubahan yang signifikan terhadap distribusi ukuran dan orientasi kristal terjadi pada pengunaan medan listrik eksternal dengan konfigurasi B. Terlihat dengan jelas orientasi kristal tumbuh tegak lurus pada permukaan substrat (orientasi sumbu-c) dan distribusi ukuran yang hampir seragam dengan kerapatan kristal yang cukup tinggi. Adanya perbedaan distribusi ukuran kristal akibat penggunaan medan listrik eksternal serta perbedaan arah konfigurasi medan listrik pada kristal ZnO yang dihasilkan pada konsentrasi prekursor 100 mm juga diperlihatkan oleh grafik distribusi diameter nanorods ZnO berdasarkan mikrograf SEM dengan luas area 12,5 X 10, 5 µm 2 seperti terlihat pada Gambar IV.9. Gambar IV.9 memperlihatkan adanya perbedaan distribusi ukuran (diameter) dari nanorods ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mm dengan dan tanpa pemberian medan listrik. Terjadinya peningkatan ukuran diameter dari nanorods pada pemberian medan listrik konfigurasi A dibandingkan dengan konfigurasi B dan tanpa pemberian medan listrik, dimana diameter nanorods ZnO berukuran ~ nm pada konsentrasi prekursor 100 mm tanpa menggunakan medan listrik, diameter rods dengan ukuran ~1-1,2 µm pada pemberian medan listrik konfigurasi A dan diameter nanorods dengan ukuran ~ nm pada pemberian medan listrik dengan konfigurasi B. Selain itu juga terlihat adanya penyempitan distribusi diameter dari nanorods ZnO setelah diberi medan listrik.

13 45 a Jumlah b c Diameter (nm) Gambar IV.9 Distribusi diameter dari nanorods ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mm, (a) dengan medan listrik konfigurasi B, (b) dengan medan listrik konfigurasi A, (c) tanpa medan listrik. Berdasarkan pola difraksi pada Gambar IV.5, IV.6, dan IV.7 serta gambaran hasil SEM (Gambar IV.8) dan estimasi distribusi diameter yang telah dipaparkan, dapat disimpulkan bahwa nanorods dari ZnO akan menunjukkan struktur, distribusi ukuran dan orientasi kristal yang maksimum terjadi pada konsentrasi prekursor 100 mm dengan pemberian medan listrik konfigurasi B pada proses deposisi. Fenomena terjadinya peningkatan intensitas puncak difraksi dan ukuran kristal dengan meningkatnya konsentrasi prekursor sesuai dengan penelitian-penelitian yang telah dilakukan sebelumnya. Banyak publikasi yang memaparkan pengaruh konsentrasi prekursor pada pertumbuhan kristal ZnO di antaranya oleh Yang et al. (2008), dimana pada penelitian ini dihasilkan ukuran nanorods dari ZnO yang semakin besar dengan peningkatan konsentrasi prekursor. (6) Ho & Wong (2007) juga telah melakukan penelitian terhadap pengaruh konsentrasi prekursor pada morfologi dan pertumbuhan nanowires dari ZnO, dimana dari pola XRD

14 46 ditemukan terjadinya peningkatan intensitas puncak dengan meningkatnya konsentrasi prekursor. (3) Hal ini disebabkan karena ketika konsentrasi prekursor ditingkatkan, maka nukleasi ZnO menjadi lebih cepat dari pada pembentukan inti ZnO pada tahap awal, kemudian inti-inti ini akan mengumpul bersama-sama membentuk kristalit ZnO. (7) Kristalit ZnO akan mempunyai kerapatan yang lebih tinggi pada konsentrasi prekursor lebih tinggi yang dapat dilihat melalui intensitas pola difraksinya. Proses pembentukan kristal ZnO dalam metoda berair dapat dipelajari melalui mekanisme pertumbuhan kristal ZnO. Dalam larutan berair, kation logam M x+ tersolvasi oleh air menghasilkan ion-ion aquo, yaitu [M(OH 2 ) n ] x+. Ikatan M-OH 2 akan mengalami deprotonasi dari air yang terkoordinasi membentuk spesies hidroksil [M(OH) n ]. Untuk menghasilkan spesies poli inti yang kemudian berkembang menjadi oksida logam, reaksi yang melibatkan dehidrasi harus terjadi. Pada suhu reaksi 90 C, kompleks Zn-amina terdekomposisi dan melepaskan ion Zn 2+. Kation kemudian membentuk Zn(OH) 2 dan ZnO di bawah proses hidrotermal seperti yang ditunjukkan pada Persamaan reaksi IV.1. Zn OH - Zn(OH) 2 ZnO + H 2 O (IV.1) Dengan memperhatikan struktur kristal ZnO (tipe wurtzit) yang mempunyai karakteristik polar parsial dimana suatu dipol listrik terbentuk antara ujung-ujung bidang (001) yang berlawanan muatan. Bidang polar mempunyai energi permukaan yang besar sedangkan bidang non polar mempunyai energi permukaan yang kecil sehingga secara termodinamika lebih stabil, akibatnya proses pertumbuhan kristal pada bidang non polar lebih cepat dari pada arah bidang lainnya. Pada metoda pertumbuhan dalam larutan berair, digunakan metenamin sebagai ligan kelat non polar yang akan melekat pada bidang non-polar dari struktur ZnO, sehingga akan menghambat pertumbuhan kristal pada bidang ini dan menghasilkan pertumbuhan pada bidang (0001) yang akan meningkatkan pertumbuhan 1-dimensi. Aglomerasi inti (kristalit ZnO) terbentuk pada larutan melalui reaksi homogen. Pengendapan awal untuk membentuk inti padat sebagai prekursor cair secara termodinamika tidak stabil pada kondisi supersaturasi.

15 47 Pertumbuhan titik-titik struktur nano ZnO menjadi suatu rangkaian kompleks atau reaksi kimia paralel dari kluster kristalit melalui aglomerasi kluster dalam larutan. (3) Pola difraksi ZnO untuk konsentrasi 1 mm dan 10 mm dengan dan tanpa pengaruh medan listrik memperlihatkan pucak refleksi (100) yang lebih dominan dari puncak refleksi lainnya. Hal ini disebabkan karena konsentrasi prekursor yang rendah menyebabkan energi permukaan antarmuka menjadi tinggi, spesies reaktif akan terserap pada antarmuka sehingga mengurangi energi permukaan dan menghasilkan posisi aktif yang menyebabkan orientasi multi sudut dari kristal. (3) Penggunaan medan listrik eksternal pada proses sintesis ZnO memberikan pengaruh terhadap kenaikan intensitas puncak difraksi, namun tidak memberikan pengaruh signifikan terhadap orientasi kristal terutama pada konsentrasi prekursor 1 mm dan 10 mm. Hanya pada konsentrasi 100 mm, medan listrik eksternal dapat menyebabkan puncak refleksi (002) menjadi paling kuat dibandingkan dengan puncak refleksi lainnya. Perbedaan konfigurasi medan listrik (posisi elektroda positif terhadap substrat) selama proses deposisi juga memberikan pengaruh yang berarti terhadap pertumbuhan kristal ZnO khususnya pada konsentrasi prekursor 100 mm, dimana pada konfigurasi A (elektroda positif di bawah substrat) orientasi kristal telah mengarah pada sumbu-c meskipun masih ada orientasi acak pada pertumbuhannya. Namun pada konfigurasi B, puncak refleksi (002) menjadi sangat kuat dan menekan puncak refleksi lainnya yang menunjukkan bahwa kristal ZnO tumbuh tegak lurus terhadap permukaan substrat gelas ITO atau orientasi sumbu-c. Hal ini membuktikan bahwa medan listrik eksternal dapat mempengaruhi pertumbuhan kristal ZnO dimana posisi elektroda positif terletak di atas substrat (konfigurasi B) dapat mengontrol arah orientasi kristal ZnO ke salah satu sumbu dalam hal ini pada sumbu-c. Fenomena ini terjadi karena struktur kristal ZnO yang asimetrik sepanjang sumbu-c yang terdiri dari lapisan-lapisan polar atom Zn dan O sehingga arah pertumbuhan kristal tergantung pada interaksi antara lapisan atom yang berada di

16 48 permukaan ZnO dengan arah medan listrik yang dipakai seperti terlihat pada Gambar IV. 10. (10) Gambar IV.10 memperlihatkan bahwa arah polarisasi lapisan polar dari kristal ZnO mengikuti arah medan listrik. Jika elektroda positif diletakkan di atas substrat selama proses deposisi, medan listrik akan bergerak dari positif menuju ke negatif (ke arah bawah), begitu juga dengan polarisasi molekul. Lapisan atom O yang bermuatan negatif akan berada dipermukaan molekul ZnO, seperti pada Gambar IV.11. Permukaan polar Zn Permukaan polar O Gambar IV.10 Skema struktur kristal ZnO Elektroda positif Permukaan polar O P r E r Permukaan polar Zn Gambar IV.11. Skema polarisasi molekul ZnO terhadap arah medan listrik

17 49 Kristalinitas dari ZnO akan maksimum jika lapisan atom O terdapat di bagian permukaan molekul karena medan listrik akan menunjang stabilisasi orientasi ( 000 1) dengan permukaan polar O ketika vektor polarisasi pada arah medan listrik. (10) IV.1.4 Pengaruh Medan Listrik Eksternal Terhadap Sifat Optik dari Kristal ZnO Spektrum Fotoluminesen (PL) dari nanorods ZnO pada konsentrasi 100 mm dengan dan tanpa pemberian medan listrik eksternal ditunjukkan pada Gambar IV mm 0 V/cm 100 mm 2500 V/cm A 100 mm 2500 V/cm B Intensitas PL (a.u) Panjang Gelombang (nm) 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. Dari Gambar IV.12 terlihat puncak tajam emisi UV pada daerah 359 dan 383 nm, puncak lebar emisi UV pada daerah 390 nm serta puncak lebar emisi biru-hijau pada daerah nm. Puncak emisi UV pada daerah ~ 359 nm yang merupakan emisi dari eksiton bebas semakin tajam dengan pemberian medan

18 50 listrik eksternal pada proses deposisi, dimana pada medan listrik dengan konfigurasi B memberikan puncak emisi UV yang optimum. Begitu juga dengan puncak emisi UV pada daerah ~ 383 nm yang merupakan emisi donor-bound exciton (DBE) (30) semakin tajam dengan pemberian medan listrik konfigurasi B. Puncak lebar emisi UV pada 390 nm (3,18 ev) yang merupakan puncak emisi dari eksiton bebas-eksiton bebas (dua eksiton) (29) dihasilkan pada pemberian medan listrik konfigurasi A selama proses deposisi kristal ZnO dengan konsentrasi prekursor 100 mm. Adapun puncak emisi biru-hijau mengalami peningkatan intensitas dengan pemberian medan listrik eksternal. Puncak emisi biru disebabkan oleh annihilasi eksiton atau rekombinasi donor-acceptor pair (DAP) (29) sedangkan puncak emisi hijau disebabkan oleh kekosongan oksigen pada ZnO. (3, 31, 32) Adanya peningkatan intensitas dan ketajaman puncak emisi daerah UV pada penggunaan medan listrik eksternal khususnya medan listrik dengan konfigurasi B (elektroda positif di atas substrat), menunjukkan bahwa kualitas kristal ZnO yang dihasilkan semakin baik. Kualitas kristal yang baik akan meningkatkan sifat optik dari kristal tersebut.