Sintesis Lapisan ZnO dengan metode Sol-gel Spincoating Dan Karakterisasi Sifat Optiknya

Transkripsi

1 Sintesis Lapisan ZnO dengan metode Sol-gel Spincoating Dan Karakterisasi Siat Optiknya Sukainil Ahzan, Sri Yani Purwaningsih, Darminto Fisika MIPA Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya Abstrak Telah berhasil disintesis lapisan ZnO dengan metode sol-gel spin coating. Serbuk zinc acetate dehydrate, etanol dan monoetanolamine masing-masing digunakan sebagai material dasar, pelarut dan penstabil. Deposisi lapisan ZnO dilakukan di atas substrat kaca. Proses pemanasan lapisan berturut-turut pada suhu 1C (kalsinasi), 3C (preheating) dan 5C (post-heating). Karakterisasi sol-gel menggunakan TGA-DTA, sedangkan karakterisasi hasil lapisan ZnO meliputi XRD, SEM, dan spektrootometer UV-Vis untuk mengamati siat optiknya. Berdasarkan hasil analisis TGA-DTA pada bahan sol-gel menunjukkan pengurangan massa dari suhu kamar dan terlihat mulai stabil pada suhu 8C. Analisis XRD lapisan ZnO menunjukkan pada suhu 3C sudah terbentuk ase ZnO polikristalin dan intensitasnya meningkat pada suhu 5C. Berdasarkan hasil karakterisasi siat optik dengan spektrootometer UV-Vis tampak bahwa lapisan ZnO yang dipanaskan pada suhu 5C memiliki transparansi tertinggi sebesar 65,5% pada daerah panjang gelombang 4 nm sampai 8 nm dengan energy gap sebesar 3,14 ev. Hasil pengamatan struktur mikro dengan SEM menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu pemanasan, lapisan ZnO yang terbentuk memiliki kerapatan antar butir semakin tinggi dan rata-rata ukuran butir 3 nm. Kata kunci: sol-gel, spin coating, post-heating, lapisan ZnO, siat optik. 1. Pendahuluan Dalam teknik material khususnya lapisan tipis, ZnO adalah salah satu bahan yang menarik untuk digunakan dalam bidang sensor, sel surya, serta nanodivice, karena siat emisinya yang dekat dengan sinar UV, memiliki konduktivitas dan transparansi tinggi, otokatalis (Guanglong, 7). ZnO adalah material semikonduktor tipen golongan II-IV dengan lebar band gap 3, ev pada suhu kamar (Yaoming, 1). Lapisan tipis ZnO dapat dibuat dengan berbagai macam teknik, seperti molecular beam epitaxy (Changzheng W, 9), RF magnetron sputtering (Sungyeon Kim, 6), pulsed laser deposition (Zhu, 1), spray pyrolysis (Prasada, 1), chemical vapor deposition (Preetam Singh, 7), physical vapor deposition (George, 1), dan sol-gel spin coating (Davood, 4). Pembuatan lapisan tipis dengan metode sol-gel spin coating memiliki beberapa keuntungan, antara lain biayanya murah, tidak menggunakan ruang dengan kevakuman tinggi, komposisinya homogen, ketebalan lapisan bisa dikontrol dan struktur mikronya cukup baik, sehingga metode ini banyak digunakan sebagai alternati lain dalam pembuatan lapisan tipis (Ceng, 4). Sol-gel spin coting adalah metode untuk membuat lapisan dari bahan polimer photoresist yang dideposisikan pada permukaan silikon dan material lain yang berbentuk waer. Setelah larutan (sol-gel) diteteskan di atas waer, kecepatan putar diatur oleh gaya sentriugal untuk menghasilkan lapisan tipis yang homogen. Metode sol-gel spin coating ini menggabungkan meteode isika dan kimia biasa, dimana metode ini sangat mudah dan eekti untuk membuat lapisan tipis dengan hanya mengatur parameter waktu dan kecepatan putar serta viskositas larutan. Namun metode ini tidak dapat di aplikasikan untuk membuat lapisan metal, karena bahan dasar metal susah untuk dibuat dalam ase cair.. Metode Eksperimen a. Pembuatan sol-gel Bahan dasar zinc acetate dehydrate (ZnAc) dilarutkan ke dalam etanol dengan kelarutan diatur,5 M. Proses pecampuran dilakuan di atas hot plate pada rentang suhu 7C sampai 8C. Kemudian larutan di atas ditambahkan monoethanolamina (MEA) sebagai penstabil dengan perbandingan molar antara MEA dan ZnAc adalah 1:1. Pada tahap ini terbentuk gel cair yang terdiri dari senyawa asam yang berasal dari partikel ZnAc yang terlarut, beserta air. ZnAc yang telah larut memiliki butir yang sangat kecil sehingga larutan tersebut terlihat bening. Setelah larutan didinginkan sampai suhu kamar akan terbentuk gel yang agak kental. b. Teknik pelapisan Lapisan ZnO dibuat dengan alat spin coating yang dideposisikan di atas substrat kaca. Substrat kaca yang akan digunakan terlebih dahulu 1

2 dibersihkan dengan detergen dan alkohol sambil digetarkan dengan ultrasonic cleaner masingmasing selama 3 detik, untuk menghilangkan kandungan minyak dan kotoran yang melekat pada substrat. Selanjutnya proses pembuatan lapisan dengan spin coating dilakukan selama 3 detik. Setelah gel diteteskan di atas substrat, selanjutnya substrat diputar dengan putaran rendah (1 rpm) selama 1 detik yang bertujuan untuk menyebarkan gel ke seluruh permukaan substrat. Kemudian substrat diputar dengan kecepatan rpm selama detik, dengan tujuan untuk membentuk lapisan yang datar dengan ketebalan homogen. c. Proses pemanasan Proses pemanasan dilakukan dengan menggunakan urnace. Pemanasan pertama dilakukan selama 1 jam pada suhu 1C, bertujuan untuk menghilangkan kandungan air serta sisa pelarut dalam lapisan secara bertahap. Pemanasan kedua dilakukan pada suhu 3C selama 5 jam. Tahap ini dikatakan juga sebagai tahap pre-heating yang berungsi untuk menghilangkan pelarut etanol, air, dan gugus asam, serta memasilitasi perubahan ZnOH menjadi ZnO seiring dengan pemanasan. Tahap selanjutnya adalah post-heating atau pemanasan akhir pada suhu 5C selama 1 jam. Postheating ini berungsi untuk membentuk partikel ZnO dengan orientasi kristal yang seragam, ukuran butir lebih besar dan pori-pori sangat kecil. 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Analisis termal Perilaku termal dari ZnO gel diuji dengan Dierensial Thermal Analysis (DTA) dan Thermogravimetri Analysis (TGA). Analisis ini bertujuan untuk mengamati perubahan energi dan perubahan massa akibat adanya perubahan suhu. Berdasarkan hasil analisis DTA-TGA dapat digunakan sebagai acuan dalam menentukan pemberian suhu, dimana transormasi ase suatu bahan terjadi. Hasil pengamatan DTA-TGA ditunjukkan pada Gambar 1. Berdasar kurva TGA terlihat penurunan massa terjadi pada suhu di sekitar 6C 1C dan 14C 8C. Penurunan massa pertama disebabkan oleh penguapan air dan pelarut, sedangkan penurunan massa yang kedua disebabkan dekomposisi dari sisa-sisa organik dan penstabil MEA. Berdasar pada kurva DTA, puncak eksotermal yang cukup lebar muncul disekitar sudut 4C, yang terjadi akibat pembentukan kristal ZnO. Hal ini didukung dengan tidak ada lagi pengurangan massa yang teramati pada suhu di atas 8C. Weight losss(tga/mg) o Suhu ( C) Gambar 1. DTA-TGA sol-gel ZnO. Berdasarkan hasil analisis kurva DTA-TGA (Gambar 1) diperkirakan terbentuknya kristal ZnO pada pemanasan di atas suhu 8C, sehingga proses pre-heating lapisan ZnO dapat dilakukan pada suhu 3C. 3.. Orientasi dan struktur kristal Struktur dan orientasi bidang kristal dari lapisan ZnO diuji dengan diraksi sinar-x (XRD). Pola XRD lapisan ZnO ditunjukkan pada Gambar. Pada pemanan suhu 1C belum terbentuk ase ZnO. Pada suhu ini terbentuk dua puncak, yaitu pada sudut 33,15 dan 59,3. Berdasarkan hasil search mach didapatkan inormasi bahwa puncak dengan sudut 33,15 adalah ase zinc propianate (C 6 H 1 O 4 Zn), sedangkan sudut 59,3 adalah ase zinc salicylate dihydrete {(C 6 H 1 O 6 Zn).H }. Fase kristal ZnO baru terbentuk pada suhu pemanasan 3C. Berdasarkan Gambar terlihat bahwa semakin tinggi suhu pemanasan, puncak ZnO polikristalin semakin tinggi, terutama pada suhu 5C terbentuk bidang-bidang kristal yaitu, bidang (1), () (1), (1) dan (11). Hal ini disebabkan karena semakin tinggi suhu pemanasan, energi yang diperoleh atom-atom ZnO untuk membentuk bidang kristal semakin tinggi pula, sehingga ia memiliki kemampuan lebih untuk menyusun diri dalam bidang-bidang tertentu. In ten sitas 5 C 3 C 1 C (1 () (11) Gambar. Pola diraksi sinar-x lapisan ZnO pada suhu 1C, 3C dan 5C. (1) ) TGA DTA (11) Heat low (DTA/mW)

3 Morologi permukaan suatu material dapat diamati dengan Scanning Electron Microscopy (SEM). Hasil oto SEM ditunjukkan pada Gambar 3. dikibatkan oleh hamburan optik yang disebabkan oleh pemadatan dan penumbuhan butir antar partikel yang terbentuk. Hal ini menjadi acuan bahwa untuk mendapatkan kualitas lapisan yang baik diperlukan pemanasan pada suhu yang lebih tinggi (sekitar 5C) 7 (c) 6 5 (c) Tran (%) (nm) Gambar 4. Data transmitansi lapisan ZnO yang dipanaskan: 1C, 3C, dan (c) 5C. Gambar 3. Foto SEM permukaan lapisan ZnO pada suhu: 1C, 3C, dan (c) 5C. Berdasarkan Gambar 3a terlihat lapisan yang dipanaskan pada suhu 1C memiliki permukaan yang sangat kasar dengan porositas yang besar, karena masih mengandung air dan pelarut. Setelah dipanaskan 3C (Gambar 3b), kristal-kristal mulai mengatur diri membentuk ase ZnO sesuai dengan hasil DTA-TGA (Gambar 1). Pada suhu ini, butiran partikelpartikel ZnO mulai tumbuh, tetapi jarak antar partikel masih tinggi. Pada lapisan ZnO yang dipanaskan 5C (Gambar 3c), atom-atom pada butir-butir yang lebih kecil mendapat driving orce yang cukup untuk berdiusi membentuk butir baru yang lebih besar. Akibat diusi antar butir ini akan terbentuk necking yang mengakibatkan mengecilnya perbatasan antar butir dan porositas sehingga permukaan lapisan terlihat menjadi lebih halus. Pada suhu 5C rata-rata ukuran butir yang terbentuk sekitar 5 nm Siat optik lapisan ZnO Siat optik (transmitansi dan absorbansi) dari lapisan ZnO diamati dengan menggunakan spektrootometer UV-Vis. Transmitansi lapisan ZnO ditunjukkan pada Gambar 4. Lapisan yang dipanaskan pada suhu 1C, transmitansinya sangat rendah (3,75%) pada rentang panjang gelombang 4 nm 8 nm. Nilai transmitansi paling tinggi terjadi pada lapisan yang dipanaskan pada suhu 5C (65,5%). Hal ini berkaitan dengan kualitas ilm yang terbentuk, baik dari segi struktur kristal, ukuran butir dan jenis substrat yang digunakan. Selain itu menurut Annisa (1), peningkatan transmitansi pada suhu yang lebih tinggi Berdasar kurva transmitansi (Gambar 4) dapat digunakan untuk menghitung indeks bias lapisan (n ) dengan persamaan (Matsuda, 1988): n (1 ns ) (1 ns ) 4nsTc (3.1) Tc dengan n s adalah indeks bias substrat dan Tc adalah transmitansi minimum pada posisi lembah (valley). Pengukuran ketebalan dengan metode optik ditentukan berdasarkan hubungan indeks bias lapisan yang dihitung dengan persamaan (Matsuda, 1988): 1 (3.) t 1 1 n 1 dengan 1 dan masing-masing adalah panjang gelombang yang menghasilkan transmitansi maksimum. Nilai indeks bias dan ketebalan lapisan ZnO disajikan pada Tabel 1. Tabel 1. Nilai indeks bias dan ketebalan lapisan ZnO. Suhu (C) Indeks bias n n Ketebalan t t (m) 3 3,84,5 1,93,18 5,48, 11,75,1 Berdasarkan Tabel 1 terlihat nilai indeks bias dan ketebalan lapisan menurun dengan bertambahnya suhu pemanasan. Hal ini disebabkan karena penambahan suhu pemanasan pada lapisan ZnO mempengaruhi ukuran butir kristal. Ukuran butir kristal menjadi lebih besar dan lebih rapat, sehingga ketebalannya makin menipis. Pengukuran celah pita energi (energy gap)suatu bahan semikonduktor perlu diketahui, 3

4 karena siat celah pita energi berimplikasi pada perbedaan siat kebergantungan koeisien absorbsi terhadap rekuensi oton, khususnya oton dengan energi sedikit lebih besar daripada lebar celah pita energi. Untuk material dengan celah pita langsung, hubungan koeisien absorbsi terhadap rekuensi oton memenuhi Persamaan (Mikrajudin, 1): hv A hv E (3.3) g dengan hv adalah energi oton dan adalah besaran yang diperoleh dari hasil pengukuran transmitansi. ( h) x 1 4 (ev/m) h(ev) Gambar 5. Kurva [ hv] sebagai ungsi energi lapisan ZnO yang dipanaskan pada suhu: a) 3C dan b) 5C Dari ungsi dapat diplot nilai tersebut di daerah sekitar celah energi semikonduktor dalam sebuah graik yang sumbu vertikalnya adalah hv atau hc / dan sumbu datarnya adalah hv atau hc/. Graik yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 5. Perpotongan graik dengan sumbu datar menunjukkan lebar celah pita energi bahan. Kemiringan garis lurus itting pada Gambar 3.5 adalah A. Tabel. Perhitungan besar pita energi lapisan ZnO. Suhu Enery gap (ev) (C) 3 3,18 5 3,14 Berdasarkan Tabel, terlihat nilai energy gap lapisan ZnO menurun dengan bertambahnya suhu pemanasan. Hal ini diakibatkan kualitas lapisan ZnO pada suhu 5C lebih baik dari lapisan pada suhu 3C (Gambar ). Energy gap menunjukkan pergerakan elektron pada bahan dalam melintasi pita valensi menuju pita konduksi. Energy gap juga berkaitan dengan kualitas kristal suatu bahan. Semakin baik tingkat kekristalan suatu bahan, maka nilai energy gapnya menurun. 4. Kesimpulan Lapisan ZnO telah berhasil dibuat dengan metode sol-gel spin coating di atas substrat kaca. Peningkatan perlakuan panas yang lebih tinggi dapat menghasilkan struktur kristal dan morologi yang lebih baik. Perlakuan panas pada lapisan ZnO pada suhu 5C menghasilkan transmitansi 65,5%, indeks bias,48,; ketebalan lapisan 11,75,1 m; dan energy gap sebesar 3,14 ev. 4. Pustaka Annisa Aprilia, (1), Preparasi lapisan tipis ZnO Transapran menggunakan metode Solgel beserts ksrskterisasinya, Prosiding seminar nasional Fisika ISBN: Changzheng, W., (9), Eect o the oxygen pressure on the microstructure and optical properties o ZnO ilms prepared by laser molecular beam epitaxy, Elsevier Physica B 44: p Cheng, X.L., (4), ZnO nano particulate thin ilm: preparation, characterization and gassensing property. Elsevier Sensor and Actuators B 1: p Davood, (9), The eect o heat treatment on the physical properties o sol-gel derived ZnO thin ilms. Elsevier Applied Surace Science 55 (9) Guanglong, Z. (7), Orientation enhancement o polycrystalline ZnO thin ilms through thermal Elsevier Materials Letters 61: p George, A., (1), "Microstructure and ield emission characteristics o ZnO nanoneedles grown by physical vapor deposition, Elsevier Materials Chemistry and Physics 13: p Matsuda (1988), Amorphous Silicon From Glow Discharge Plasma, edited by Prangtopo, Muliwati, Procedings International Workhop on Physics o Materials, Jakarta, Mikrajuddin, A., (1), Karakterisasi Nanomaterial, CV. Rezeki Putera., Bandung. Prasada, T., (1), Physical properties o ZnO thin ilms deposited at various substrate suhues using spray pyrolysis, Elsevier Physica B 45: p Preetam Singh, (8), ZnO nanocrystalline powder synthesized by ultrasonic mistchemical vapour deposition, Elsevier Optical Materials 3: p Sungyeon Kim, (6), Fabrication o Zn/ZnO nanocables through thermal oxidation o Zn nanowires grown by RF magnetron 4

5 sputtering, Elsevier Journal o Crystal Growth 9: p Suwonbon, S., (8), The Properties O Nanostuctured Zno Thin Films via Sol-Gel Coating, Songklanakarin J. Sci. Technol.3: p Yaoming Li, (1), The eect o heat treatment on the physical properties o sol gel derived by sol-gel method, Elsevier Applied Surace Science 56: p Zhu, B.L., (9), Low suhue annealing eects on the structure and optical properties o ZnO ilms grown by pulsed laser deposition, Elsevier Vacuum 84: p