PENGARUH PERBEDAAN WAKTU TUMBUH TERHADAP STRUKTUR KRISTAL LAPISAN TIPIS ZnO

Transkripsi

1 PENGARUH PERBEDAAN WAKTU TUMBUH TERHADAP STRUKTUR KRISTAL LAPISAN TIPIS ZnO Ayu Mutia 1*, Iwan Sugihartono 1*, Anggara Budi Susila 1, Maykel Manawan 2 1 Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Jakarta Jalan Pemuda No. 10 Rawamangun. Jakarta Timur Prodi Ilmu Material Departemen Fisika, FMIPA, Universitas Indonesia Kampus UI Depok, ayumutiahalid@yahoo.co.id INTISARI Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP). Serbuk Zn(CH 3 COO) 2.2H 2 O digunakan sebagai prekursor dengan air de-ionisasi sebagai pelarut. Variasi waktu tumbuh mulai dari 10, 20, dan 30 menit dilakukan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap struktur kristal lapisan tipis ZnO. Hasil analisis X-Ray Diffraction (XRD) menunjukkan bahwa lapisan tipis ZnO memiliki struktur polikristal hexagonal wurtzite dengan orientasi bidang (100), (002), dan (101). Besarnya ukuran butir untuk sampel dengan suhu tumbuh 10, 20, dan 30 menit memiliki nilai minimum sebesar 24,2 nm dan nilai maksimum sebesar 41,8 nm. Sedangkan nilai d-spacing dan FWHM untuk setiap sampel bervariasi seiring dengan perbedaan waktu tumbuh. Kata Kunci: ZnO, lapisan tipis, waktu tumbuh, struktur kristal, XRD, ultrasonic spray pyrolysis (USP) ABSTRACT Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP) technique. Zn(CH 3COO) 2.2H 2O powder as precursor and deionized water as a solvent. Variation in time growth from 10, 20, and 30 minutes have been performed in order to investigate the effect on crystalline structure of ZnO thin films. On the basis of X-Ray Diffraction (XRD) analysis, the grown ZnO thin films exhibit a polycrystalline hexagonal wurtzite with the (100), (002, and (101)) as a crystallographic orientation. The grain size of sampel with growth time 10, 20, and 30 minutes have minimum value 24,2 nm and maximum value 41,8 nm. Whereasdspacing and FWHM value foe each sample were vary in difference of growth time. Keywords: ZnO, thin films, growth time, crystallite structure, XRD, ultrasonic spray pyrolysis (USP). 1. PENDAHULUAN Lapisan tipis adalah suatu lapisan yang sangat tipis dengan orde nano dari bahan organik, anorganik, metal, maupun campuran metal-organik yang dapat memiliki sifatsifat konduktor, semikonduktor, superkonduktor, maupun isolator [1]. ZnO merupakan semikonduktor golongan II-VI berstruktur wurzite yang cocok dijadikan sebagai kandidat pembuatan lapisan tipis yang berpotensi dalam berbagai aplikasi seperti elektroda transparan, jendela sel surya, field emitters, short wavelength

2 light emitting diode, dan teknologi informasi [3]. Senyawa ini memiliki celah pita energi yang cukup besar (3,37 mev), resistivitas rendah, fleksibel (mudah dipadukan dengan senyawa lain), serta memiliki energi eksiton yang besar yakni (60 mev) dibandingkan dengan semikonduktor lain seperti ZnSe (20 mev), dan GaN (21 mev) [4]. Berbagai metode sintesis telah banyak dikembangkan untuk memperoleh lapisan tipis ZnO diantaranya adalah sputtering [2], spray pyrolysis [5], metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) [6], hidrotermal [7], spin coating [8], sol-gel [10], dan chemical solution deposition (CSD) [11]. Teknik yang digunakan dalam penelitian ini adalah Spray Pyrolysis. Kelebihan teknik Spray Pyrolysis antara lain disintesis tanpa suhu yang tinggi, dapat mengontrol ukuran dan suhu, peralatan sintesa yang sederhana, kebutuhan material yang cukup murah serta dapat menghasilkan lapisan tipis dengan kualitas yang baik [5]. Berdasarkan penelitian sebelumnya, waktu tumbuh merupakan salah satu parameter penting dalam pembentukan sifat-sifat fisis lapisan tipis ZnO. Perbedaan waktu tumbuh akan mempengaruhi arah bidang kristal serta ukuran kristalit lapisan tipis yang terbentuk sehingga akan menghasilkan tingkat kristalinitas yang berbeda pula. Pada paper ini akan dilaporkan hasil sintesis lapisan tipis ZnO 0,02 mol yang ditumbuhkan di atas substrat silikon (111) menggunakan metode Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP). Penumbuhan dilakukan dengan variasi waktu yang berbeda yaitu selama 10, 20, dan 30 menit. Selanjutnya analisis XRD dilakukan untuk melihat pengaruh waktu tumbuh terhadap struktur kristal lapisan tipis ZnO. 2. TEORI DASAR 2.1 Struktur Kristal ZnO Seng Oksida adalah senyawa inorganik yang mempunyai struktur umum ZnO. Senyawa ini umumnya tidak larut dalam air dan alkohol, namun larut dan terurai pada kebanyakan jenis asam. ZnO memiliki 3 jenis struktur kristal, yakni hexagonal wurtzite [9],cubic zincblende, dan cubic rocksalt (kadang-kadang). Gambar 1. Struktur kristal ZnO hexagonal wurtzite [9]

3 Pada tekanan dan temperatur lingkungan, struktur kristal ZnO adalah hexagonal wurtzite seperti yang ditunjukan pada gambar 1. Struktur wurtzite adalah struktur kristal yang paling stabil pada kondisi lingkungan sehingga menjadi yang paling umum. Struktur kristal wurtzite pada senyawa ZnO memiliki parameter kisi a = Å dan c = Å [9] serta kerapatan (density) sebesar g cm -3 [14]. 2.2 Penentuan Ukuran Kristal Metode yang sering digunakan untuk menentukan ukuran kristal nano adalah dengan menggunakan metode Scherrer dimana: D adalah ukuran (diameter) kristallites, nm adalah panjang gelombang sinar-x yang digunakan, nm B B adalah lebar puncak difraksi sampel pada setengah maksimum (FWHM), rad. 3. METODE PENELITIAN Lapisan tipis ZnO dibuat menggunakan teknik Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP) bubuk Zn(CH 3 COO) 2.2H 2 O 0,02 mol menggunakan air de-ionisasi sebagai pelarutnya. Selanjutnya preparasi substrat dimulai dengan memotong wafer silikon berukuran 1x1 cm yang kemudian dicuci dengan isopropanol dan air de-ionisasi menggunakan ultrasonic bath masing-masing selama 15 menit. Pemanasan substrat Si dilakukan diatas hotplate dengan suhu 45 siap kemudian dimasukkan ke dalam reaktor ultrasonic nebulizer yang akan diteruskan melalui ultrasonic fogger yang berfungsi untuk mengubah larutan prekusor menjadi uap kabut. Proses deposisi lapisan tipis dimulai ketika nozzle mengalirkan kabut menuju substrat Si yang telah dipanaskan selama 10 menit. Melakukan hal serupa dengan waktu tumbuh yang berbeda yakni 20 dan 30 menit. Analisa struktur kristal lapisan tipis ZnO yang terbentuk akan diuji menggunakan X-ray diffraction

4 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan JCPDS Standard ( ), lapisan tipis ZnO memiliki struktur polikristal hexagonal wurtzite dengan orientasi bidang (100), (002), dan (101). Sampel I adanya intensitas kristalit lapisan tipis dengan arah (100). Puncak kedua yakni puncak dengan intensitas terbesar berada pada sudut 2 terbentuknya lapisan tipis ZnO adalah (102), (110), (103), (200), (112), (201), dan (004) kristal yang terbentuk cenderung memiliki intensitas yang lebih kecil dengan intensitas yang terte pengujian XRD lapisan tipis ZnO dengan variasi waktu tumbuh. (a) (b)

5 Gambar 2. Grafik XRD Lapisan Tipis ZnO dengan waktu tumbuh (a) 10 menit, (b) 20 menit, (c) 30 menit. Nilai ukuran butir, FWHM, dan d-spacing untuk setiap sampel pada penelitian ini dapat dilihat melalui Tabel 1. (c) Tabel 1 Nilai Ukuran Butir, FWHM, dan d-spacing Lapisan Tipis ZnO Berdasarkan pada Tabel 1, nilai FWHM akan semakin kecil seiring dengan meningkatnya ukuran kristalit yang terbentuk. Tabel d-spacing pada sampel lapisan tipis ZnO dengan waktu tumbuh 10 menit memiliki sedikit perbedaan jika dibandingkan dengan d-spacing sampel dengan waktu tumbuh 20 menit. Perbedaan ini disebabkan karena adanya strain. Seperti yang dapat dilihat semakin kecil ukuran kristalit menghasilkan nilai strain yang besar dan d-spacing yang semakin besar pula. Hal ini menandakan tingkat kristalinitas yang kurang. Sedangkan ukuran krisrallit untuk setiap sampel dengan waktu tumbuh masing-masing 10, 20, dan 30 menit bervariasi seiring dengan perbedaan waktu tumbuh.

6 Hal itu dapat diartikan bahwa ukuran kristallit tidak linear dengan penambahan waktu tumbuh. 5. KESIMPULAN Lapisan tipis ZnO telah berhasil dibentuk di atas substrat Si (111) dengan teknik Ultrasonic Spray Pyrolysis -X pada setiap sampel dengan perbedaan waktu tumbuh memiliki preferred orientation yang berbeda-beda. Lapisan tipis tersebut memiliki struktur polikristal hexagonal wurtzite dengan orientasi bidang (100), (002), dan (101). Besarnya ukuran kristalit maksimum D = 41.8 nm didapat dari sampel dengan waktu tumbuh 20 menit 6. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih saya haturkan kepada karyawan Laboratorium Fisika Material Universitas Negeri Jakarta dan Universitas Indonesia, serta saya mengucapkan terima kasih kepada rekan penelitian ZnO yang telah memberikan dukungan kepada penulis selama melakukan penelitian. 7. DAFTAR PUSTAKA [1] Aji, W.P., R.Priyotomo, I.Sugihartono, E.Handoko, B.Soegijono, dan M. Hikam Pengaruh Suhu Tumbuh Terhadap Struktur Kristal Lapisan Tipis ZnO 0.02 mol. Seminar Nasional Fisika. Hal: Universitas Negeri Jakarta. [2] Wirjoadi, Yunanto, B.Siswanto, S.Sulamdari, Sudjatmoko Karakterisasi Sifat Optik Lapisan Tipis ZnO:A Pada Substrat Gelas Untuk Jendela Sel Surya. P3TM- BATAN: Yogyakarta. [3] Khan, R.Z. et al Optical and Structural Properties of ZnO Thin Films Fabricated by Sol-Gel Method. Material Sciences and Application: Doi: /msa [4] Singh Preetam et al Growth and Characterization of ZnO Nanocrystalline Thin Films and Nanopowder via Low-Cost Ultrasonic spray pyrolysis. Journal of Crystal Growth 306: [5] Nehru, L.C, M. Umadevil, C. Sanjeeviraja Studies on Structural, Optical and Electrical Properties of ZnO Thin Films Prepared by the Spray Pyrolisis Method. International Journal of Materials Engineering 2(1):

7 [6] Adriyanto, F Identifikasi Parameter-Parameter yang Berpengaruh dalam Penumbuhan Lapisan Tipis ZnO dengan Metode MOCVD. ISSN [7] G. Amin et al Influence of ph, Precursor, Growth Time, and Temperature on the Morphology ZnO Nanostructures Grown by the Hydrotermal Method. Journal of Nanomaterials Volume ID [8] Syamsuluri, S, P.L.Gareso, E. Juarlin. Pengaruh Konsentrasi Seng Asetat Dehidrat (Zn(CH3COO)2.2H2O). Universitas Hasanuddin. [9] Rodnyi, P.A., and I.V.Khodyuk Optical and Luminescene Properties of Zinc Oxide. Orginal text publisher in optic and spectroscopy Vol.111. PP [10] Khan, Z.R, M.S. Khan, M. Zulfequar, M.S Khan Optical and Structural Properties of ZnO Thin Films Fabricated by Sol-Gel Method. Jurnal Material Sciences and Aplication (2): [11] Surono, A.T, dan H.Sutanto.2014.Sifat Optik Zinc Oxide (ZnO) yang Dideposisi di atas Substrat Kaca Menggunakan Metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan Aplikasinya untuk Degradasi Zat Warna Methylene Blue. Youngster Physics Journal 2(1): Hal 7-14 [12] Sari, L.P., E.Handoko, dan I.Sugihartono Studi Pengaruh Jumlah Mol Zinc Acetat Dyhidrate Terhadap Struktur Kristal Lapisan Tipis ZnO. Spektra Jurnal Fisika dan Aplikasinya. [13] Fan, Z. And J.G.Liu Zinc Oxide Nanostructures: Synthesis and Properties. University of California: USA [14] Lide, D.R., ed CRC Handbook of Chemistry and Physics. 73 ed. CRC Press: New York. HASIL DISKUSI - Penanya : Wahyu (Universitas Indonesia) Pertanyaan : 1. Bagaimana perbedaan hasil penelitian Anda dibandingkan dengan penelitian lapisan tipis ZnO sebelumnya? 2. Aplikasi apa saja yang dapat diterapkan pada penelitian ini? Jawaban : 1. Perbedaan hasil penelitian saya kali ini dengan penelitian sebelumnya terletak pada preffered crystallographic orientation dan ukuran kristallit yang

8 terbentuk. Preffered orientation yang terbentuk pada penelitian saya ini memiliki perbedaan untuk beberapa sampel dengan suhu tumbuh yang berbeda yaitu (002) dan (101). Penelitian lain dengan suhu tumbuh yang berbeda memiliki preffered orientation yang sama untuk semua sampel yakni (002). Sedangkan ukuran kristallit yang terbentuk pada percobaan sebelumnya lebih besar dibandingkan dengan ukuran kristallit pada hasil penelitian saya. 2. Lapisan tipis ZnO memiliki banyak potensi aplikasi seperti sebagai bahan pelapis dalam pembuatan sel surya, bahan baku pembuatan lampu LED, biosensor, serta cocok digunakan dalam berbagai perangkat optelektronika lainnya. - Penanya : Nadia (P2 Metrologi LIPI) Pertanyaan : 1. Mengapa terjadi perbedaan pada spektrum XRD untuk setiap sampel (puncak yang pendek dengan puncak yang tinggi)? 2. Bagaimana cara mengetahui ukuran kristalit suatu lapisan tipis? Jawaban : 1. Banyak faktor yang mempengaruhi spektrum grafik XRD yang salah satunya adalah waktu penumbuhan lapisan tipis. Perbedaan waktu tumbuh akan menghasilkan ketebalan lapisan tipis yang berbeda pula. Semakin tebal lapisan tipis maka ukuran kristalit akan semakin besar yang mengindikasikan adanya proses kristalisasi yang baik. Tingkat kristalinitas yang tinggi akan menghasilkan puncak intensitas difraksi yang tinggi dan tajam, sebaliknya tingkat kristalinitas yang rendah akan menghasilkan puncak difraksi yang pendek. 2. Ukuran kristallit dapat dihitung menggunakan persamaan Debye-Scherrer. - Penanya : Ricko Kardoso (BMKG) Pertanyaan Jawaban : Apakah metode yang digunakan berlaku untuk umum? : Metode Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP) merupakan metode yang umum digunakan dalam penumbuhan lapisan tipis karena beberapa jurnal juga menggunakan metode tersebut.