2.3. Laser Nd-YAG
2.3.2. Prinsip Kerja Laser Nd:YAG
Laser Nd:YAG adalah sistem laser dengan 4 tingkat, yang berarti bahwa 4 tingkat energi terlibat dalam tindakan laser. Sumber energi cahaya seperti flashtubes atau diode laser digunakan untuk memasok energi kemedium aktif. Dalam laser Nd:YAG, elektron keadaan energi rendah dari ion Neodimium sangat tertarik pada keadaan energi yang lebih tinggi untuk mencapai inversi populasi. Perhatikan media aktif Nd:YAG yang terdiri dari 4 tingkat energi E1, E2, E3, dan E4 dengan jumlah N elektron. Jumlah elektron dalam keadaan energi E1, E2, E3, dan E4 adalah N1, N2, N3, dan N4. Ketika lampu kilat atau diode laser menyuplai energi cahaya kemedia aktif (Kristal Nd:YAG), elektron dengan energi rendah (E1) elektron ion Neodimium memperoleh energi yang cukup dan bergerak ke keadaan pompa atau keadaan energi yang lebih tinggi (E4). Pada tingkat energi E1 (Ground State), E2 (keadaan tereksitasi), E3 (keadaan metastabil), E4 (keadaan pompa).Prinsip ini ditunjukkan pada Gambar. 2.7. Di bawah radiasi medan cahaya (pemompaan optik), transisi dari keadaan dasar 1 ke tingkat atas 4 terjadi. Proses sebaliknya dari keadaan 4 ke keadaan 1 dicegah dengan transisi yang sangat cepat dari keadaan 4 ke keadaan 3 tanpa radiasi. Dia melakukan transisi laser dari keadaan 3 ke keadaan 2 yang tidak terpopulasi secara termal. Dari sini atom Nd rileks kembali ke ground state 1.
Penyinaran oleh cahaya,yang mengarah ke populasi keadaan yang dinyatakan kosong, disebut pemompaan optik.Pengosongan tingkat terjadi baik dengan emisi foton atau tanpa radiasi.Transisi tanpa radiasi terjadi karena interaksi mekanis seperti colli-sions atau getaran dan juga ditunjuk sebagai relaksasi.Jumlah transisi tanpa radiasi per detik disebut tingkat relaksasi.Transisi di mana foton dipancarkan terjadi secara spontan atau diinduksi. Transisi spontan juga terjadi tanpa memompa proceses. Namun, emisi yang diinduksi hanya terjadi jika proses pemompaan berlangsung. Tingkat Keadaan juga dinyatakan di sini, satu tingkat untuk emisi spontan dan satu lagi untuk emisi yang diinduksi. Setiap keadaan yang dapat berinteraksi dengan satu atau lebih ke bagian keadaan lain diberi label dengan jenis nilai ini. Semua level yang ditentukan dihuni sampai batas tertentu karena pemompaan. Sejauh mana masing-masing keadaan yang dihuni diberikan oleh nomor atom Ni dan Nd yang berada dalam keadaan eksitasi yang relevan, yaitu :
Keadaan 1 : N1
Keadaan 2 : N2
Keadaan 3 : N3
Keadaan 4 : N4
Dalam asumsi realistis yang dibuat dalam contoh ini bahwa atom-atom N hanya melewati langkah-langkah eksitasi berlabel, jumlah kepadatan populasi memberikan atom-atom Nd yang tersedia.Osilasi laser yang diinginkan, bagaimanapun, hanya dapat dicapai jika populasi yang memadai pada versi yang dapat dibentuk antara keadaan 3 dan 2.Kondisi di mana emisi laser terjadi, bersama dengan bagaimana laser berperan, dapat diprediksi oleh model dari disebut model persamaan tingkat. Awalnya, sangat diperlukan dalam sistem operasi laser yang akan digunakan.
2.4. PLD (Pulse Laser Deposition)
Pulse Laser Deposition merupakan teknik yang serbaguna proses material, antara lain dalam penumbuhan thin film pada suatu material. Keistimewaan dari teknik PLD ini adalah proses evaporasi tinggi yang menghasilkan pancaran plasma yang kuat dan adanya transfer komposisi target menjadi deposisi film, adanya control atomic –level dengan mengatur energi laser dan laju pulsa (pulsa rate) dan secara in-situ untuk lapisan struktur banyak (heterostructure) dengan menggunakan target ganda. Metode PLD juga merupakan metode penumbuhan yang relative sederhana, lebih murah namun memberikan kualitas film yang baik, sehingga sifat-sifat optik, listrik akan bagus dan juga stoikiometri dari film tetap terjaga. (Adnyana, I Gusti A.P.2007)
Deposisi laser pulsa adalah proses deposisi sistem uap dan dilakukan dalam sistem vakum. Laser pulsa difokuskan ke target material yang akan melapisi. Untuk populasi energi laser cukup tinggi, masing-masing pulsa laser menguapkan atau mengablasi partikel-partikel kecil menciptaka plasma. Bahan ablasi dikeluarkan dari target yang mengarah kedepan target dan ablasi memberikan fluks bahan untuk pertumbuhan film atau pelapisan tipis.
Penyerapan laser oleh target dikeluarkan menciptakan plasma. Untuk pengendapan bahan organik makromolekul, kondisi dapat dipilih melalui penyerapan
lebih dalam volume yang lebih besar dari bahan molekul yang terablasi akan utuh. Salah satu karakteristik yang paling penting dan memungkinkan di PLD adalah kemampuan untuk mewujudkan perpindahan stoikiometri dari bahan ablated dari target. Plasma didefiniskan sebagai gas yang diionisasikan dengan medan frekuensi radio (RF), gelombang mikro didalam bejana (reaktor) yang bertekanan rendah (10-3-10 torr atau 1 Pascal – 102 Pascal). Dari beberapa jurnal, hal yang perlu diperhatikan untuk menghasilkan film tipis dengan kualitas yang baik yaitu menggunakan sumber laser Nd:YAG, frekuensi laser diatas 10 Hz, ruang vakum, dan holder tempat target diputar supaya bentuk plasma yang dihasilkan rata, sudut antara target dan laser sekitar 450 serta laser beamnya difokuskan, dan sebagian besar substrat dipasang dengan permukaan parallel pada jarak target ke substrat sekitar 2-10 cm. (Suliyanti,M. 2010)
Sinar laser berenergi tinggi dari mesin pembangkit laser diarahkan pada target didalam ruang vakum. Laser berinteraksi dengan substrat target menghasilkan plasma berbentuk lonjongan. (Sukirman,E. 2002) Adapun kelemahan metode PLD ini yaitu keberadaan partikel yang menempel di permulaan filim tidak bisa diseluruh pada plat.Dibawah ini merupakan gambar sistem PLD didalam chamber.
Gambar 2.8 Sistem PLD
Dalam suatu teknik pembuatan lapisan tipis yang dapat diterapkan pada berbagai bahan-bahan penting, sehingga memudahkan kita di dalam mengontrol komposisi dari film yang kita buat. Gambar 2.8 menjelaskan skematika mekanisme yang kemungkinan muncul di saat interaksi antar atom sewaktu proses PLD dilakukan.
Gambar 2.9 Proses atomik berefek ke 3 dimensi pertumbuhan pada lapisan tipis dengan teknik PLD
Iradiasi atau penyinaran akan diserap dan kemudian menginduksi bahan target secara aktif dengan kecepatan pemanasan yang sangat cepat dan dalam volume yang siginifikan. Ini akan menyebabkan fase transisi, dan mengintroduksi gelombang stress beramplitudo tinggi pada target zat padat. Bahan target juga akan mulai meleleh dan ekspansi ke fase gas. Gambar 2.9 menunjukkan bentuk tipikal dari permukaan target yang diiradiasi dengan PLD. (Adnyana,I Gusti A.P.2007). Adapun hasil penelitian yang menunjukkan bagaimana muka plasma oleh laser XeCl bergerak terhadap waktu dan ditunjukkan oleh grafik pada gambar dibawah :
Gambar 2.10 Pergerakan dari muka plasma terhadap waktu dengan target kaca silika dan laser nd-yag
Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme pembangkitan plasma dalam interaksi antara laser pulsa energi tinggi dengan target padat memenuhi fenomena gelombang kejut.
Dalam beberapa pecobaan yang lain dengan laser Nd:YAG memiliki trend yang sama.
Hal ini mengarahkan bahwa mekanisme pembangkitan plasma itu mengikuti fenomena gelombang kejut. Adapun model pembangkitan plasma gelombang kejut tersebut dapat di ilustrasikan sebagai berikut:
Gambar 2.11 Model pembangkitan laser-plasma dengan gelombang kejut
Saat target menyerap energi laser dalam waktu yang sangat singkat (orde ns) material-material (partikel) dari permukaan target terablasi dengan kecepatan yang tinggi kemudian berkompressi dengan gas sekitar. Hal ini yng menghasilkan gelombang kejut.
Hasil kompressi pada awalnya menghasilkan temperatur tinggi kemudian mengalami pendinginan dan kelajuan perambatan gelombang kejut menurun.
2.5. Fotokatalis
Secara umum, semikonduktor adalah fotokatalis yang paling kuat yang dikenal sebagai hasil dari energi celah pita yang tepat dan konfigurasi elektronik yang terdefinisi dengan baik dengan baik. Semikonduktor dengan elektronik yang khas, penyerapan cahaya dan sifat transfer muatan dan struktur berpori telah memberikan kegiatan yang diinginkan untuk degredasi foto katalik dari banyak polutan organik. Ada beberapa jenis semikonduktor seperti TiO2, WO3, FeO3, CdS, Cu2O, dan g-C3N4 yang telah digunakan sebagai fotokatalis respon-sinar UV dan sinar tampak-respons dalam berbagai aplikasi fotokatalik seperti mitigasi pencemaran lingkungan dan prduksi hydrogen dari pemisahan air, karena sifat-sifatnya yang menarik.
2.6. Fotodegradasi
Fotodegradasi merupakan proses peruraian suatu senyawa, biasanya senyawa organik, dengan bantuan energi foton. Proses fotodegradasi memerlukan suatu fotokatalis yang umumnya merupakan bahan semikonduktor. Prinsip fotodegradasi adalah adanya loncatan elektron dari pita valensi ke pita konduksi pada logam
semikonduktor apabila dikenai oleh suatu energi foton. Adanya loncatan elektron ini menimbulkan adanya hole ( lubang elektron ) yang dapat berinteraksi dengan pelarut air membentuk radikal OH. Radikal ini bersifat aktif dan dapat berlanjut untuk menguraikan senyawa organik target.
Fotodegradasi berbeda dari oksidasi termal karena fotodegradasi selalu dimulai dari penyerapan sinar UV. Kebanyakan polimer murni secara teoritis mampu menyerap sinar UV secara langsung. Senyawa dalam jumlah kecil di dalam sebuah polimer sebagi produk degradsi atau residual katalis sisa polimerisasi dapat mempercepat proses penyerapan sinar UV. Karenanya stabilitas termal dan pengolahan yang efektif merupakan prasyarat untuk stabilisasi poier terhadap cahaya yang efektif dalam jangka waktu yang panjang.
2.7 ZnO
Seng (Zn) merupakan jenis logam yang cukup tahan terhadap serangan udara dan air pada temperatur ruang, namun pada suhu tinggi logam ini dapat bereaksi dengan oksigen di udara menghasilkan oksida dalam bentuk ZnO. Dari sekian banyak senyawaan seng(II) seperti ZnX2 (X = halida), Zn(OH)2, ZnSO4, ZnCO3, termasuk ZnO dan lain sebagainya, maka ZnO secara komersial merupakan yang terpenting. Bahan ini pada 298 K berupa tepung putih dengan struktur kristal yang disebut dengan wurtzite.
Simetrinya heksagonal dikarenakan ada 12 ion oksigen (O2) yang berada ditiap sudut atas dan bawah membentuk suatu prisma heksagonal. Setiap ion Zn2+ maupun O 2-merupakan pusat tetrahedral dari keempat ion tetangganya.
Zinc oxide (ZnO) adalah semikonduktor yang banyak dikembangkan dan diminati sebagai nanomaterial luminisens karena memiliki sifat unik, yaitu memiliki celah pita energi yang lebar dari kelompok semikonduktor II-VI. Material ZnO memliki celah pita energi 3,4 eV. ZnO merupakan zat padat berupa serbuk heksagon/amorf yang putih jika dingin, kuning jika panas, pahit dan tidak bau. ZnO memiliki efisiensi fotokatalis lebih tinggi dari TiO2 karena proses penyerapan sinar UV yang kuat dari spektrum matahari. Selain itu, ZnO adalah bahan fotokatalis yang efisien untuk proses detoksifikasi limbah air karena menghasilkan H2O2 lebih efisien daripada fotokatalis lain.