Karakterisasi Struktur Film Tipis BST
Gambar 15 Pola difraksi film tipis BST, BCST, dan BLST
Struktur kristal BST dikarakterisasi menggunakan X-ray diffraction (XRD). Gambar 15 menunjukkan pola difraksi material BST, BST dengan dopant tembaga (BCST), dan BST dengan dopant litium (BLST). Pola difraksi terlihat pada puncak dengan sudut sekitar 23º, 32º, 39.48, 46, dan 57º. Gambar 15 juga menunjukkan indeks miller dari masing masing puncak yaitu 23º (100), 32º (110), 39.48 (111), 45.9 (200), dan 57º (211). Hasil perhitungan bersesuaian dengan data ICDD (PDF # 13-1395). Pola difraksi memperlihatkan bahwa puncak tertinggi terdapat pada BST di bidang kristal (111). Hal tersebut terjadi karena pada bidang tersebut bidang kristal mayoritas sehingga hasil difraksi sinar-X mengalami superposisi dengan fase yang sama. Jumlah puncak BST yang lebih banyak dan intensitas yang lebih tinggi dibandingkan film lainnya karena probabilitas unsur-unsur penyusun membentuk BST pada orientasi bidang-bidang tertentu makin besar (Iriani 2009). Gambar tersebut memperlihatkan pola difraksi pada BST dopant tembaga (BCST) lebih halus (smooth). Hal ini disebabkan substrat yang dipakai pada BCST adalah silikon sedangkan film BST dan BLST menggunakan substrat kuarsa. Hal tersebut ditandai dengan munculnya puncak silikon pada sudut 68º (100).
Gambar 15 juga menunjukkan pola difraksi BST dengan dopant tembaga (BCST). Persentase dopant yang digunakan adalah 3%. Terdapat empat puncak BST yang muncul yaitu (100), (110), (111), dan (200) berdasarkan data base ICDD. Perbedaan hasil karakterisasi XRD antara BST dan BCST terlihat pada perbedaan intensitas puncak. Intensitas lapisan BST yang didoping tembaga (BCST) pada bidang (100), (110), (111), dan (200) cenderung menurun nilai intensitasnya dan puncak yang terbentuk lebih sedikit dibandingkan BST. Hal ini terjadi karena
20 30 40 50 60 70 Intensit as (a .u.) 2 (derajat) BST BCST BLST (211) (100) S i ( 1 0 0 ) (111) (200) (110)
23 masuknya ion Cu+ yang menggantikan ion Ba2+ mengakibatkan cacat pada kristal (Jaing et al. 2009). Sebagaimana yang telah diketahui, ion Cu+ sebagai hard dopant mempunyai jari-jari sama dengan ion Ba2+ yaitu 1.35 Å. Hanya saja ion Cu+ mempunyai muatan +1 sedangkan ion Ba2+ muatannya +2. Adanya pendadah (dopant) akan mengakibatkan cacat akibat adanya pengotor dalam kristal (Ha et al. 2006). Penambahan konsentrasi pendadah mengakibatkan cacat kristal semakin banyak dan akan menurunkan intensitas. Masuknya ion ion Cu+ mengakibatkan perubahan komposisi Ba/Sr didalam struktur kristal. Perubahan komposisi tersebut mempengaruhi fase feroelektrik, struktur kristal, dan parameter kisi.
Tabel 1 Kristalinitas dan parameter kisi film tipis BST
Jenis Film Kristalinitas a Parameter kisi (Å) b c Rasio c/a ( 10-2 )
BST 92.41% 3.934 3.934 3.932 99.94
BCST 90.96% 3.929 3.929 3.923 99.95
BLST 91.45% 3.994 3.994 3.992 99.86
Gambar 15 memperlihatkan pola XRD BST dopant litium (BLST) dengan persentase bahan dopant 3% dari massa BST. Pola tersebut menunjukkan telah terbentuk puncak BST pada bidang (100), (110), (111), dan (200). Hal ini bersesuaian dengan data dari ICDD data base. Pola difraksi dengan pendadah litium cenderung mengalami penurunan intensitas. Penurunan tersebut diakibatkan oleh masuknya ion Li+ yang mempunya jari-jari ionik 0.76 Å menggantikan ion Ti4+ yang memiliki jari-jari ionik 0.68 Å. Ion Li+ berperan sebagai ion hard dopant karena muatannya lebih kecil daripada muatan ion yang digantikan. Masuknya ion Li+ mengakibatkan cacat kristal pada sistem kristal BST sehingga hasil difraksi sinar-X yang terdeteksi mengalami penurunan intensitas. Adanya pendadah (dopant) akan mengakibatkan cacat kristal (Ha et al. 2006). Cacat tersebut adalah cacat akibat adanya pengotor (impurities), yaitu cacat akibat adanya sejumlah kecil ion-ion yang menempati posisi ion-ion dari kristal senyawa murni (Ha et al. 2006). Gambar tersebut juga memperlihatkan puncak-puncak pada bidang BLST cenderung lebih tinggi dibandingkan puncak-puncak bidang pada BCST. Hal ini terjadi akibat ion Li+ menggantikan ion Ti4+ sedangkan ion Cu menggantikan ion Ba2+. Ion Li+ tidak mengakibatkan perubahan komposisi Ba/Sr. Oleh karena itu, Ion Li+ hanya mengakibatkan cacat kristal bukan mengakibatkan perubahan fase.
Tabel 1 menunjukkan derajat kristalinitas dan parameter kisi dari BST, BST didadah tembaga (BCST), dan BST didadah litium (BLST). Tingkat kristalinitas dari hasil karakterisasi XRD memperlihatkan film BST memiliki tingkat kritaslinitas lebih tinggi dibandingkan yang lain yaitu, 92.41%. Hal ini disebabkan penambahan bahan pendadah pada BCST dan BLST menurunkan intensitas di bidang bersesuaian dan juga mengurangi jumlah puncak yang muncul. Hal yang sama juga terlihat pada kristalinitas BLST (91.45%) yang lebih tinggi dari BCST (90.96%) disebabkan jumlah puncak BLST lebih banyak dan intensitas difraksi lebih tinggi.
Tabel 1 juga memperlihatkan nilai parameter kisi film BST, BCST, dan BLST. Nilai parameter kisi menentukan sistem kristal yang terbentuk. Secara umum nilai parameter kisi a dan c hampir sama untuk semua jenis film. Nilai tersebut bersesuaian dengan ICDD (PDF # 13-1395). Menurut data ICDD, BST
24
memiliki sistem kristal dengan parameter kisi a = 3.947Å. Hal ini menandakan bahwa struktur kristal dalam penelitian ini memiliki fase transisi sehingga fase tetragonal mendekati fase kubus. Fase tersebut terjadi karena fraksi mol stronsium (Sr) yang dipakai pada film BaxSr1-xTiO3 adalah 0.35.
Struktur BST berbentuk bulk dengan persentase mol Sr ≤ 0.25 adalah perovskite tetragonal yang bersifat feroelektrik sedangkan struktur BST dengan persentase mol Sr ≥ 0.25 adalah perovskite kubus yang bersifat paraelektrik (Adem 2003). Namun, dalam bentuk film tipis persentase mol Sr ≥ 0.25 masih merupakan fase tetragonal. Anomali tersebut menunjukkan struktur pseudo-cubic (Yun dan Koh 2012). Hal tersebut dapat diketahui dari sifat feroelektrik BST yang muncul ketika dipol dalam feroelektrik berkorelasi lurus dengan sifat opto-electronic sebagai film tipis fotodioda (Dahrul et al. 2010). Komposisi Sr mengakibatkan perubahan parameter kisi struktur BST sehingga mempengaruhi fase BST. Komposisi Barium (Ba) yang dominan di dalam BST menjadikan BST berada pada fase feroelektrik pada suhu Curie. Nilai parameter kisi tergantung pada fraksi mol BST dalam hal ini x = 0.65. Nilai tersebut membuat persentase mol Sr berada pada fase transisi.
Tabel 2 Ukuran kristal film tipis BST, BLST, dan BCST
Jenis film Puncak (2 ) FWHM Ukuran kristal (nm)
BST 32° 0.29 31.67
BLST 32° 0.32 28.70
BCST 32° 0.16 57.39
Tabel 1 juga menunjukkan film BCST memiliki rasio c/a lebih besar dibandingkan film lainnya. Hal ini terjadi karena jari-jari ion Cu+ menggantikan posisi Ba/Sr. Penggantian tersebut mempengaruhi komposisi Ba/Sr dan ukuran struktur kristal. Sebagaimana yang telah diketahui ion Cu+ memiliki jari-jari ion 1.35 Å lebih besar dari jari-jari ion yang digantikannya yaitu Ba atau Sr. Jari-jari ion Ba2+ 1.135 Å dan jari-jari ion Sr2+ 1.13 Å. komposisi Ba/Sr mengakibatkan perubahan fase struktur kristal BST. Nilai rasio parameter kisi BCST yang lebih kecil (nilai parameter kisi c dan a semakin berbeda) dari film lain mengindikasikan fase kristal adalah fase tetragonal. Selain itu, tabel parameter kisi BST juga memperlihatkan nilai parameter kisi BLST yaitu, c = 3.992 Å dan a = 3.994 Å nilainya berbeda dengan lain. Hal ini disebabkan pada film BLST, ion Li+ menggantikan kedudukan ion Ti4+ yang berkedudukan di pusat sistem kristal. Ion Li+ dengan jari jari ionik 0.76 Å memiliki ukuran lebih besar dibandingkan ion Ti4+ yang memiliki jari jari 0.68 Å.
Tabel 2 memperlihatkan ukuran kristal dari film tipis BST, BCST, dan BLST. Ukuran kristal diperoleh dengan membandingkan puncak dengan FWHM terbesar dari ketiga film tersebut. Puncak tersebut memiliki bidang orientasi (110). Ukuran kristal diukur dengan menggunakan persamaan Schererr. Hasil perhitungan FWHM disertakan dalam Tabel 2. Tabel 2 menunjukkan bahwa pemberian pendadah (dopant) Li dan Cu mengubah ukuran partikel. Ion Li+ dan Cu+ memiliki jari-jari ion yang lebih besar dari atom yang digantikannya sehingga secara teoritis ukuran kristal semain besar.
25 Pemberian dopant tembaga sebesar 3% mengakibatkan ukuran kristal semakin besar pada puncak 39° (57.39 nm) jika dibandingkan dengan BST (31.67 nm). Penambahan jumlah dopant tembaga mengakibatkan ukuran kristal semakin besar (Ha et al. 2006). Pemberian dopant litium sebesar 3% seharusnya mengakibatkan ukuran kristal semakin besar pada puncak 32° dibandingkan dengan BST. Hal yang terjadi pada puncak 39° adalah ukuran kristal lebih kecil yaitu 28.70 nm. Hal ini disebabkan pada struktur kristal dengan bidang orientasi (110), jumlah dopant litium sangat sedikit menggantikan ion Ti4+.
Karakterisasi Struktur Film Tipis CuO
Gambar 16 Pola difraksi CuO annealing 350 ºC, 450 ºC, dan 550 ºC Struktur kristal CuO dikarakterisasi menggunakan X-ray diffraction (XRD). Gambar 16 menunjukkan pola difraksi film tipis CuO dengan perlakuan suhu annealing 350 ºC, 450 ºC, dan 550 ºC. Film tipis yang diuji struktur kristalnya adalah film tipis dengan ketebalan tiga lapisan. Pola difraksi terlihat pada puncak dengan sudut sekitar 33º, 36º, 39º, 49º, 53º, 58º, 61º, dan 68º. Gambar 16 juga menunjukkan indeks miller dari dua puncak tertinggi yaitu 36º (-111) dan 36º (200). Puncak-puncak yang dihasilkan bersesuaian dengan data ICDD JCPDS (PDF # 05- 0661). Hal tersebut terjadi karena pada bidang tersebut merupakan bidang kristal dominan sehingga hasil difraksi sinar-X mengalami superposisi dengan fase yang sama. Superposisi dengan fase yang sama menghasilkan probabilitas membentuk CuO pada orientasi bidang-bidang tersebut semakin besar. Pada ketiga jenis film dengan perbedaan suhu annealing tersebut, masih terlihat fase amorf pada rentang 20º sampai 30º. Fase amorf tersebut muncul karena ada sebagian kecil struktur kristal yang terbentuk mempunyai pola perulangan (susunan) yang acak dan tidak seragam (Ray 2001). Hal tersebut dapat terjadi karena pelapisan kedua dan ketiga tidak rata dan belum optimalnya suhu annealing dan lama annealing yang diberikan. 2 (derajat) 20 30 40 50 60 70 In te n si ta s (a .u .) 350 oC 450 oC 550 oC (1 1 0 ) (1 1 1 ) (2 0 0 ) (2 0 2 ) (0 2 0 ) (1 1 3 ) (2 2 0 ) Cu 2 O ( 2 0 2 )
26
Gambar 16 memperlihatkan puncak intensitas difraksi meningkat seiring dengan peningkatan suhu annealing. Peningkatan suhu annealing mengakibatkan sebagian besar puncak-puncak yang terbentuk semakin tinggi (Srivastava et al. 2013). Secara teknis, suhu annealing adalah suhu tahanan yang bertujuan untuk pembentukan struktur kristal dalam suatu bahan. Selama proses tersebut bahan mengalami deformasi ke struktur yang lebih setimbang dalam suhu tinggi. Proses annealing diawali dengan penyusunan kembali letak kristal maupun partikel. Proses selanjutnya adalah rekristalisasi tergantikannya kisi oleh kisi baru dalam matriks deformasi. Orientasi kristal yang baru berbeda dengan orientasi kristal yang digantikan. Laju rekristalisasi bergantung pada jumlah deformasi sebelumnya, suhu annealing, dan kemurnian bahan. Proses akhir adalah pertumbuhan partikel yang ditandai dengan ukuran partikel mendekati ukuran kristal.
Tabel 3 Kristalinitas dan parameter kisi film tipis CuO Suhu annealing Kristalinitas Parameter kisi (Å) Referensi* a B c 350 ºC 88.11% 4.664 3.412 5.108 a = 4.684 450 ºC 89.93% 4.657 3.409 5.104 b = 3.425 550 ºC 90.32% 4.661 3.410 5.107 c = 5.129 *ICDD JCPDS 05-0661
Tabel 4 Ukuran kristal film tipis CuO annealing 350 ºC, 450 ºC, dan 550 ºC Suhu annealing Puncak (2 ) FWHM Ukuran kristal (nm)
350 ºC 32.55 0.34 27.63
450 ºC 35.54 0.38 24.39
550 ºC 35.55 0.41 22.61
Pada Gambar 16 terlihat pola difraksi yang mengandung Cu2O. Pola ini menunjukkan bahwa film tipis tembaga oksida yang telah mengalami proses annealing terdapat dua fase. Pada proses suhu annealing tersebut, tembaga oksida mungkin tidak mengalami proses oksidasi sempurna. Puncak dengan orientasi bidang (202) bersesuaian dengan puncak Cu2O (Johan et al. 2011). Hal ini berdasarkan referensi dari ICDD JCPDS (PDF # 05-0667). Konversi Cu2O menjadi CuO merupakan hasil difusi oksigen ke dalam film. Reaksi tersebut dapat diungkapkan sebagai berikut:
2Cu2O + O2 → 4Cuτ (24) Pada kesetimbangan termodinamika, energi Gibbs yang diperlukan dalam reaksi diatas adalah -3.73 kkal/mol (Johan et al. 2011). Walaupun terdapat fase Cu2O, komposisi dalam bahan CuO sangat kecil. Hal ini ditandai dengan puncak intensitas yang kecil.
Hasil perhitungan parameter kisi menghasilkan nilai parameter kisi yang bersesuaian dengan data ICDD JCPDS (PDF # 05-0661). Tabel 3 menunjukkan derajat kristalinitas dan parameter kisi film tipis CuO dengan perlakuan suhu annealing 350 ºC, 450 ºC, dan 550 ºC. Hasil karakterisasi XRD memperlihatkan kenaikan tingkat kristalinitas film tipis CuO akibat kenaikan suhu annealing.
27 Suhu annealing mengakibatkan stuktur kristal semakin teratur dan terpola dan fase amorf semakin kecil. Parameter kisi untuk ketiga perlakuan cenderung sama dengan menggunakan sudut = 99.47º. Tabel 4 memperlihatkan ukuran krsital CuO pada suhu annealing 350º C, 450º C, dan 550º C. Seperti yang telah dibahas sebelumnya, peningkatan suhu annealing mengakibatkan nilai FWHM semakin besar (Kidowaki et al. 2012). Parameter FWHM menjelaskan kualitas fase kristal yang terbentuk dalam sudut atau orientasi tertentu (Srivastava et al. 2013). Peningkatan nilai FWHM memperkecil ukuran kristal. Oleh karea itu, nilai FWHM, kristalinitas, dan parameter kisi mengindikasikan pembuatan film tipis CuO telah sesuai dan peningkatan suhu annealing meningkatkan kualitas kristalinitas. Selain itu, Semakin kecil ukuran kristal maka energi gap yang dimiliki semakin kecil pula.
Karakterisasi Optik Karakterisasi Optik Film Tipis CuO
Gambar 17 Ketebalan film terhadap variasi suhu annealing
Gambar 17 memperlihatkan ketebalan film tipis CuO pada 1 lapisan, 2 lapisan, dan 3 lapisan dengan variasi suhu annealing. Penambahan jumlah lapisan
bertujuan untuk meningkatkan serapan cahaya dan variasi suhu annealing bertujuan untuk mengoptimasi ketebalan film CuO. Gambar tersebut menunjukkan terjadinya peningkatan ketebalan film. Peningkatan ketebalan film sebagai hasil dari penambahan jumlah lapisan (Chauhan et al. 2006). Perhitungan menggunakan metode gravimetric. Selain itu, gambar diatas memperlihatkan penurunan ketebalan film seiring dengan bertambahnya suhu annealing. Pada film tipis CuO dengan satu lapisan, ketebalan film menurun dari 0.γθ m (γη0˚C) menjadi 0.14 m (ηη0˚C). Pada film tipis Cuτ dengan dua lapisan, ketebalan film menurun dari 0.θβ m (350 ˚C) menjadi 0.42 m (ηη0 ˚C). Pada film tipis CuO dengan tiga lapisan, ketebalan film film menurun dari 1.1θ m (γη0˚C) menjadi 0.65 m (ηη0˚C).
28
Gambar 18 Absorbansi CuO annealing (a) 350 °C, (b) 450 °C, dan (c) 550 °C
29 Penurunan ketebalan tersebut terjadi karena semakin teraturnya ukuran struktur kristal dan jarak antar atom yang semakin kecil. Semakin tinggi suhu suhu annealing maka tingkat keteraturan kristal semakin tinggi (Jundale 2011). Penurunan ketebalan film tidak mempengaruhi optimasi ketebalan film dengan penambahan jumlah lapisan. Hal ini terlihat pada film CuO tiga lapisan di suhu annealing 550 ˚C, ketebalan film lebih besar dari film Cuτ dua lapisan di suhu annealing 350 ˚C (0.θη m > 0.4β m). Hal yang sama terjadi film CuO dua lapisan di suhu annealing 550 ˚C, ketebalan film lebih besar dari film Cuτ satu lapisan di suhu annealing 350 ˚C (0.4β m >0.γθ m).
Karakterisasi sifat optik film tipis CuO bertujuan mengamati serapan maksimum dan lebar spektrum serapan dari CuO. Hal ini berlandaskan bahwa gelombang elektromgnetik dari radiasi matahari memiliki intensitas paling besar pada daerah cahaya tampak (black box radiation). Perlakuan dari pengujian optik ini adalah variasi suhu annealing. Suhu annealing adalah suhu ketika kristal atau butiran CuO mengalami penyusunan dan pensejajaran (allignment) sehingga mengalami keteraturan berjangkauan panjang. Perlakuan suhu annealing dilakukan dengan menjaga suhu tetap konstan.
Gambar 18 menggambarkan kurva absorbansi film tipis CuO dengan variasi suhu annealing dan ketebalan film. Gambar 18 (a) menunjukkan absorbansi film tipis CuO pada suhu annealing 350 °C dengan variasi ketebalan. Puncak absorbansi CuO untuk satu lapisan berada pada panjang gelombang 423 nm dengan intensitas 0.308. Intensitas pada puncak maksimum kemudian meningkat menjadi 0.536 di panjang gelombang yang sama yaitu sekitar 423 nm pada film dengan dua lapisan. Film tipis CuO tiga lapisan memiliki absorbansi dengan puncak serapan 0.85 pada panjang gelombang 440 nm. Hal yang serupa terjadi pada film tipis CuO dengan suhu annealing 450 °C. Puncak serapan untuk film dengan satu lapisan terjadi pada panjang gelombang 439 nm dengan intensitas 0.413. Film dengan dua lapisan memiliki puncak serapan pada 430 nm dengan intensitas 0.649. Film tipis CuO dengan tiga lapisan memiliki puncak serapan pada 449 nm dengan intensitas 0.930. Film tipis CuO suhu annealing 550 °C untuk ketebalan satu lapisan memiliki puncak serapan pada pangjang gelombang 417 nm dengan intensitas 0.319. Film tipis dengan dua lapisan memiliki puncak serapan pada panjang gelombang 418 nm dengan intensitas 0.530. Film tipis dengan dua lapisan memiliki puncak serapan pada panjang gelombang 440 nm dengan intensitas 0.923.
Secara umum, absorbansi film tipis CuO terletak pada cahaya tampak seperti beberapa penelitian sebelumnya. Penambahan lapisan menyebabkan tingkat intensitas semakin tinggi dan puncak serapan semakin spesifik. Hal ini dapat dilihat pada film tipis CuO suhu annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C. Puncak serapan semakin spesifik karena jumlah kristal atau butiran semakin banyak yang menyerap foton. Absorbansi tinggi untuk ketiga variasi suhu annealing adalah 400 nm sampai 500 nm. Daerah dengan intensitas absorbansi kecil terletak pada rentang 500 nm sampai 750 nm. Penyerapan foton untuk setiap gelombang tertentu berbeda-beda tergantung jenis bahan. Semakin banyak butiran atau kristal CuO yang menyerap foton, semakin besar pula besarnya perbedaan intensitas untuk setiap panjang gelombang.
30
Selain itu, perbedaan suhu annealing film tipis CuO pada ketebalan yang sama menyebabkan terjadinya pergeseran panjang gelombang. Semakin besar suhu annealing maka puncak serapan bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih besar. Semakin besar panjang gelombang maka energi radiasinya (energi foton) semakin kecil. Peningkatan suhu annealing, mengakibatkan energi foton yang diserap oleh puncak serapan semakin kecil.
Penentuan energi gap film tipis CuO menggunakan karakteristik optik absorbansi, yaitu dengan melakukan plot (αh )n dengan h . Energi gap yang dihasilkan mengggunakan nilai transisi tidak langsung yaitu n = 2 (Lim et al. 2014 dan Dahrul et al. 2016). Hal ini dapat dijelaskan bahwa transisi elektron antara lembah pita konduksi dan puncak pita valensi tidak langsung terjadi melainkan menyerap atau memancarakan energi fonon. Energi gap memisahkan level energi konduksi dengan energi valensi bahan semikonduktor. Perhitungan energi gap menggunakan film tipis CuO dengan ketebalan tiga lapisan. Pemilihan tiga lapisan untuk perhitungan karena memiliki puncak serapan yang spesifik dan absorbansi tertinggi. Puncak serapan spesifik dapat menggambarkan transisi elekton yang berpindah. Selain itu, pemilihan film dengan ketebalan tiga lapisan karena tidak adanya pengaruh ketebalan terhadap perubahan energi gap (Timuda 2010 dan Lim et al. 2014). Ketebalan film hanya mempengaruhi tingkat absorbansi film tipis CuO. Rangkuman beberapa penelitian tersebut dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5 Beberapa penelitian energi gap CuO
Metode Energi gap Referensi
Sol-gel, spin coating, annealing 1000 °C 3.54 eV Kayani et al. (2013) Sol-gel, spin coating, annealing 100 °C 3.70 eV Kidowaki et al. (2012) Sol-gel, spin coating, annealing 500 °C 1.98 eV Penelitian ini Sol-gel, spin coating, annealing 500 °C 1.20 eV Lim et al. (2014) Sol-gel, dip coating, annealing 650 °C 1.79 eV Chauhan et al. (2006) Sol-gel, dipping, annealing 400 °C 1.73 eV Johan et al. (2011)
Magneton sputtering 2.05 eV Ogwu et al. (2007)
Magneton sputtering 1.62 eV Mugwang et al. (2013)
Ultrasonic spray pyrolysis 1.60 eV Li et al. (2008)
Thermal oxidation 1.45 eV Bushra et al. (2014)
Tabel 5 memperlihatkan metode sol-gel dan suhu annealing yang dipakai dalam penelitian ini memberikan nilai energi di bawah 2 eV. Penggunaan metode pelapisan fisis menghasilkan energi gap lebih kecil namun tidak memiliki kekurangan dalam kontrol stokiometri dibandingkan pelapisan secara kimia. Gambar 19 juga menunjukkan nilai energi gap sebagai perpotongan (intercept) plot (αh )2 dengan h . Ketiga gambar tersebut memperlihatkan energi gap film tipis CuO dengan suhu annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C secara berturut-turut 2.05 eV, 2.01 eV, dan 1.98 eV. Peningkatan suhu annealing mengakibatkan penurunan energi gap (Chauhan et al. 2006). Nilai energi gap sesuai dengan referensi pada perlakuan serupa (Ray 2000; Hong et al. 2015; Jayakrishnan et al. 2016).
31
Gambar 19 Energi gap CuO suhu annealing (a) 350 °C, (b) 450 °C, dan (c) 550 °C 0.0 0.6 1.2 1.8 2.4 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 (αh) 2(1 0 8 cm -2eV 2)
Energi foton (eV) (a) 2.05 eV 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 (αh) 2(1 0 8 cm -2eV 2)
Energi foton (eV) (b) 2.01 eV 0.0 7.0 14.0 21.0 28.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 (αh) 2(1 0 8 cm -2eV 2)
Energi foton (eV) (c)
32
Film tipis CuO dengan suhu annealing 550 °C memiliki energi gap yang cukup baik untuk diterapkan pada sel surya. Penurunan energi gap menunjukkan peningkatan kualitas akibat keteraturan yang berjangkau\
panjang. Semakin tinggi suhu annealing mengurangi fase amorf film tipis CuO. Pergeseran nilai energi gap disebabkan efek ukuran kuantum (quantum size effect) dan keberadaan fase amorf dalam film (Jundale 2011). Fase amorf dalam film dapat dikurangi dengan meningkatnya suhu annealing sampai ke titik suhu optimalnya. Meningkatnya suhu annealing memberikan lebih banyak energi kepada atom untuk membentuk kristalnya. Beberapa penelitian telah dilakukan mengenai sifat optik dengan tujuan memperkecil energi gap.
Absorbansi film tipis pada panjang gelombang tertentu bergantung pada ketebalan film. Semakin tebal film yang dibuat maka semakin besar nilai absorbansi yang dihasilkan. Pada pembuatan film tipis CuO, memungkinkan terjadinya permukaan yang tidak rata sempurna sehingga menghasilkan ketebalan yang tidak tepat sama walaupun perbedaan tersebut sangat kecil. Oleh karena itu perlu parameter lain untuk melihat dan mengamati tingkat serapan suatu bahan yaitu koefisien absorpsi. Koefisien absorpsi merupakan fungsi dari absorbansi dan ketebalan sehingga faktor ketebalan dapat diperhitungkan. Perhitungan koefisien absorpsi dilakukan pada kondisi yang sama yaitu di puncak absorbansi untuk mendapatkan nilai maksimum. Nilai koefisien absorbansi maksimum menunjukkan panjang gelombang dengan transmitansi minimum atau nilai absorbansi maksimum.
Gambar 20 Koefisien absorpsi CuO annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C Gambar 20 memperlihatkan koefisien absorpsi film tipis CuO dengan perlakukan suhu annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C. Film tipis yang diukur adalah film dengan ketebalan tiga lapisan agar memperlihatkan nilai koefisien maksimum. Gambar tersebut memperlihatkan film tipis CuO dengan suhu annealing 550 °C memiliki absorpsivitas tertinggi. Hal tersebut selaras dengan nilai absorbansi tertinggi yaitu film tipis CuO dengan suhu annealing 550 °C. Sebagaimana yang telah diketahui, film tipis dengan suhu annealing 350 °C memiliki permukaan yang lebih tebal sehingga seharusnya menghasilkan
33 absorbansi yang lebih tinggi. Namun, dengan memperhatikan faktor ketebalan dengan meggunakan koefisien absorpsi memperlihatkan film tipis suhu annealing 550 °C mempunyai kemampuan serapan yang lebih tinggi dari yang lain. Hal ini sangat penting dalam kaitannya penyerapan energi foton untuk keperluan sel surya. Nilai absorbansi suatu bahan bergantung juga pada karakteristik suatu bahan dalam menyerap atau meneruskan intensitas gelombang cahaya. Ketika gelombang cahaya yang masuk mengenai permukaan suatu bahan, intensitas gelombang cahaya tersebut akan diredam atau mengalami atenuasi pada jarak yang pendek. Amplitudo gelombang akan berkurang secara eksponensial. Penurunan amplitudo gelombang ditandai dengan penurunan intensitas cahaya. Parameter untuk mengetahui efek peredaman tersebut adalah koefisien peredaman.
Gambar 21 Koefisien peredaman CuO annealing 350 °C, 450 °C, dan 550 °C Berdasarkan Gambar 21 koefisien peredaman tertinggi terjadi pada film dengan suhu annealing 550 °C. Hal ini selaras dengan koefisien absorpsinya. Nilai koefisien memberikan informasi mengenai tingkat transmitansi gelombang cahaya. Tingkat transmitansi yang dimaksud adalah persentase intensitas yang diteruskan. Semakin kecil koefisien peredaman, maka semakin kecil intensitas peredaman dan intensitas yang diteruskan semakin besar. Nilai koefisien peredaman bersesuaian