JURNAL FISIKA DAN APLIKASINY^ VOLUME 4. NoMoR I JANUARI 2OO8
Efek Jenis Pelarut pada Sifat Optiko
Morfologi
Permukaan dan Koefisien Wavegaide
Loss dari Pandu
Gelombang Planar Polimer Terkonjugasi MEH-PPV
Ayi Bahtiar,* Yeni Kurniawati, Fitrilawati, Yayah Yuliah, dan I Made Joni
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Padjadjaran Bandung Kampus Jatinangor; Sumedang 45363
Intisari
Dalam tulisan ini dilaporkan studi efek jenis pelarut pada sifat optik, morfologi permukaan dan koefisien waveguide loss as- dari pandu gelombang planar polimer MEII-PPV. Pandu gelombang planar dibuat dengan teknik spin-coating dari larutan polimer dengan pelarut toluen, kloroform dan THF. Itasil studi menunjukkan bahwa sifat optik dan morfologi permukaan film MEH-PPV dipengaruhi oleh jenis pelarut yang digunakan Film dengan pelarut toluen dan kloroform mempunyai morfologi permukaan yang homogen, akibatnya nilai ae- lebih kecil dari I dB/cm. Sedangkan pelarut filF membentuk tekstur di permukaan film MEH-PPV karena agregasi rantai polimer, sehingga nilai ae- menjadi besar.
KArA KUNcr: pandu gelombang plmar, MEH-PPV, aggregat, koefisien waveguide loss
I. PENDAHULUAN
Pandu gelombang planar dari polimer merupakan bagian yang sangat penting dalam perkembangan teknologi fotonik seperti vnf;.tk integrated optics [l, 2], laser [3], LED [4], sel surya [5] dan divais optik nonlinier [6, 7). Pandu gelom-bang planar sangat cocok dikemgelom-bangkan un[tk integrated op-dcs (IO), karena mudah difabrikasi dan dapat diintegrasikan dengan komponen optik yang lain. Untuk aplikasi pandu gelombang planar, terdapat persyaratan film tipis yang san-gat berkaitan dengan kualitas optik. Kualitas film tipis yang dinyatakan dengan optical /oss [8] akan menentukan kinerja dari piranti yang dibual Film tipis untuk pandu gelombang planar harus transpaftm, mempunyai indeks bias dan kete-balan yang homogen, mempunyai permukaan yang halus serta memiliki koefisien wovegtide loss an- < I dB/cm. Men-dapatkan film tipis yang berkualitas baik merupakan kendala utama unhrk aplikasi, sehingga banyak upaya yang dilakukan berkaitan dengan hal tersebut [9-l l].
Salah satu metoda pembuatan film tipis polimer yang banyak dipakai adalah spin-coating [8]. Pada metoda tersebut terdapat beberapa parameter yang dapat dikonhol antara lain jenis pelarut, konsentrasi larutan, temperatur dan kecepatan serta waktu rotasi. Ketebalan, kerataan atau morfologi per-mukaan filrn yang dihasilkan ditentukan oleh pemilihan pa-rameter tersebut. Walaupun spin-coating sangat umum di-gunakarL namun prcses spin-coating masih belum dipahami secara terinci karena sangat kompleks. Dalam eksperimen, seringkali digunakan hubungan empiris antara parameter-parameter sp in-coatingvntuk memperoleh sifat-sifat film tipis yang dihasilkan. Namun, hal itu hanya terbatas pada
sis-* E - M A I L : bahtiar. ayi@gmail . com
@ Jurusan Fisika FMIPA ITS
tem polimer-pelarut tertentu, dimana informasi yang
berka-itan dengan polimer dan interaksi antara polimer dan pelarut
masih terbatas.
Polirner terkonjugasi poli(p-fenilenvinilen) (PPV) dan
hrrunannya mcrupakan polimer yang banyak dikaji karena
memiliki sifat semikonduktor, luminisensi dan optik
non-linier [3-5, 71. Khususny4
poli[2-metoksi-S-(Z'-etilheksiloksi)-1,4- fenilenvinilenl (MEH-PPV) sering
digunakan sebagai
model material untuk memperoleh
pema-haman dasar dari fotofisik polimer terkonjugasi [12, l3l.
Polimer MEH-PPV mudah larut dalam pelarut organik
biasa dan dapat dibuat dalam bentuk film dengan teknik
spin-coating.
Dalam studi ini, dilakukan fabrikasi pandu gelombang
pla-nar dari polimcr terkonjugasi
MEH-PPV denga.,
teknik
spiz-coating dari larutan dengan tiga jenis pelarut yang berbed4
yaitu toluen, kloroform dan tehahidrofurane
(THF). Ketiga
jenis larutan ini rnerupakan
pelarut yang umum digunakan
sebagai
pelarut MEH-PPV dalam pembuatan
film tipis untuk
berbagai
aplikasi piranti-piranti
optoelektronik.
Tujuan studi
ini adalah untuk mengkaji pengaruh
jenis pelarut terhadap
ab-sorbansi,
morfologi permukaan
dan koefisien
waveguide
loss
dari pandu
gelombang
planarpolimerMEH-ppV.
Dalam studi
ini, ditunjukkan bahwa jenis pelarut menentukan
sifat-sifat
optik, nrorfologi permukaan
dan koefisien waveguide loss
pandu gelombang
planar
MEH-PPV yang dihasilkan.
II. DASAR TEORI
Pandu gelombang planar merupakan shuktur dasar dari in-tegrated optics (lO), yang berfungsi sebagai optoboard tempal dibangunnya komponen-komponen optik yang lain, seperti switches, optical modulato4 coupler. Pandu gelombang pla-nar terdiri dari film tipis (indeks bias n2) yang terletak di
u d a r a ,
n 1
film
tipis,
n,
J . F I S . D A N A P L . , V o L ' 4 ' N o ' 1 , J a N u a n t 2 0 0 8 AYI BAHTIAR,
dA,
-J
o J
t l-\-cH=cH
I
tlt/
, n
r
CF{.O
Gambar 2: Stnrktur kimia polimer MEI{-PPV
Polimer dilarutkan didalam pelarut kloroform (J I" Bakcr toluen (JT. Baker) dan TIIF (Merck GmbH) mastng-masrt dengan konsentrasi 0,3olo' Konsentrasi ini dipilih agar fil yang dibuat mempunyai ketebalan minimum dari pant ielombang planar MEFI-PPV (500 nm)' Larutan diaduk sat iai t"-puf'Uening dan homogen' kemudian,larutan dibu hm tip" atau pandu gelombang dengan tekar*' spin-coatii (home made). tli mana kecepatan putalan diatur oleh 1 gangan listrik. Film tiprs yang dihasilkan kemudian disimp Iiautu.n vakum oven selama 2 jam dengan temperatur 50' untuk mcnghi langJ<an sisa-sisa pelarut'
Absorbansi larutan dan fitm tipis MEH-PPV diukur deng spektroskopi UV-Vis double beam spectrcmeter \Shimadz di Departemen Kimia ITB. Morfologi permukaanfilrn diul' dengan Scanning Electron Microscope (SEM) di Depar *"tit knik Mesin lTR. Ukuran sampel film yang digunak adalah l,2xl,2 cm2 dengan perbesaran hingga 2500 kali'
Purgukuran koefisien waveguide loss as- dari pan gelomlang planar MEH-PPV dilakukan dengan teknik pris foplea di
-Laboratorium
Fisika Material UNPAD (&o *ia4. Set-up prisma kopler ditunjukkan peda Gambar 3' ( haya Laser dengan panjang gelombang 1064 nm difokusl dengan lensa L1 (f = 20 cm) ke dalam prisma (P) yang impltkan ke dalam pandu gelombang planar' Dengan r ngatur sudut cahaya datang, maka cahaya akan terkopel dilam pandu gelombang planar. Cahaya yang terhambur o p.rrnuk*n pandu gelombang difokuskan dengan lensa if : SO cm) dan dicitrakan ke diode arrary silikon yang mudian ditampilkan dalam komputer'
lntensitas cahaya yang terhambur I(x) kemudian diukur bagai fungsi dari jarak perambatan cahaya (x) dan koefit waveguide /oss dihitung dengan persamaan :
as-fttBfcml
: + bsQ@))
dengan x adalah :u*r. p"*niuatan cahaya dalam pa
gelombang
dan I(x) adalah
intensitas
cahaya
sepanjang
r
perambatan-x.
IV. TIASIL DAN DISKUSI
Spektra UV-Vis larutan MEH-PPV ketigajenis pelarut ; berbeda ditunjukkan dalam Gambar 4- Tampak bahwa ki jenis larutan memiliki spektrum absorpsi yang sama, di r Gambar' 1: Pandu gelombang planar yang tcrdiri dari udar4 filrn tipis
dan substrat
tara substrat (ri3) tlan udara (n1), seperti yang ditunjukkan Jalam Gambar 1. Agar cahaya dapat merambat di dalam pandu gelombang tersebut, maka selain persyaratan n2 ) ," , ,ijuga terdapat persyaratan ketebalan minimum'
Salah iatu parameter krusial yang menentukan apakah su-atu material dapat digrurakan untuk aplikasi pandu gelom-iung pf*u. atau tidak adalah koefisien waveguide loss (ag')' Ada"t'iga mekanisme utama yang mempengaruhi nilai os"" V"iil, if i absorpsi cahaya oleh vibrasi molekul-molekul
i**t
b-H, o-u dan C:o di dalam film, (2)' hamburan
Vuitg *utiU"*an oleh ketidaksempurnaan
film, variasi
ke-iipituo, impuritas, cacat di dalam pandu gelombang'
dan
iij. rt""tu*i" permukaan
oleh ketidakrataan
permukaan
film'
irrt"t*ir*"
pertama dan kedua sangat
bergantung
pada jenis
dan teknik pembuatan
material. Sedangkan
mekanisme
ketiga
U"tgu"t*g pada teknik pembuatan
pandu gelombang
planar'
r"iigi*-["*gian
akibat hamburan permukaan dinyatakan
seUagai
koefisien
waveguide
loss,
an- ll4]:
A 2 { c o s 3
P - \ |
1
I
Qs--; \#;'-)l*i;tl
t"
A : + @ ' 1 , + o 1 r ) ' t '
( 2 )
dengan
) adalah
panjang gelornbang,cahay2,
d adalah
ketc-Uati panOu
gelombinglnfn tipis;, g,' adalah
sudut datang
cahayi. Besaran o2s dan op adalah variasi ketidakrataan
p.#*"""
fihn tipis pada batas
film-substrat
dan film-udara'
i{onttuotu p dan q aclalah konstanta-konstanta
yang berla5
tan dengan
perbedaan
indeks
bias udara,
indeks
bias film tipis
Aan inaits'Oias substrat
[15]. Dari Pers'l dan Pers'2'
tam-pak bahwa untuk meminimalisasi
koef,sien wavegaide
loss'
Lera-taan dan mot{ologi permukaan film harus dibuat
ho-*og"" sehingga
nilai orz menjadi minimum' Hal ini dapat
dilakukan dengan
m"ogoptimaiisasi
parameter-parameter
fa-brikasi filrn tip-is [16]- bisamping itu, hasil studi terbaru
me-."":"tf.". bairwa
nilai ao- dipengaruhi
oleh orientasi
rantai
raniai polimer atau aggegat dalam
filrn tipis [17]'
Iil. METODOLOG1PENELITIAN
Material polimer terkonjugasi yang digunakan adalah
MEH-PPV yang dibeli dai Sigma Aldrich dengan
berat
rnoiekul V,,-: +O.OOO-
70'000 g/mol' Struktur kimia
J . F I s . D A N A P L . , V o L . V O L . 4 , N o . I , J A N U A R I 2 O O { t
Gambar 3: Susunan eksperimcn untuk pengukuran u,aveguide loss coeficient dari pandu gelombang planar.
AYr BAHIIAR, d/.f.
5 0 0
r. [nm]
Gambar 5: Spektra tl!'-Vis lilnr tipis MIrlI-PPV densan p€larut klo-roform. toluen. dan f IiF
Cambar 6; Foto SlrM pcrmukaan film lipis MEtl-irpv yangdi spin-coating dari larutan konsentrasi 0,3 7n dcngan pelarut (a). klorolorm, (b). toluen, dan (c). TIIF
gregat adalah bertunrpuknya clektron-elektron yang tcrde-lokalisasi di keadaan dasar (ground states) dan keadaan terek-sitasi (excited stutes), sehingga eicktron- terdelokalisasi tidak hanya meliputi kronrofor (rantai polimer) tunggal, melainkan meliputi seluruh segmen rantai polimer yang membentuk ag-gregat. Akibatnya panjang polinrer tcrkonjugasi menjadi lebih bcsar, sehingga ),,,.., bcrgeser ke panjang gelornbang yang lebih besar.
Nilai .\,,,,.,, yang besar dalam filnr MEH-PPV yang dibuat dari larutan'fHF, menunjukkan bahwa ag$egat lebih banyak terbentuk dibandingkan dalam film yang dibuat dengan pelarut toluen dan klorofirrm. 'Ierbentuknya aggregat dalarn film dari pelarut'l'HF akan lebih tampak dalam foro SEM per-mukaan film. Hasil foto SEM perper-mukaan film tipis MEH-PPV yang dibuat dengan pelarut toluen, kloroform dan'fHF diperlihatkan pada Garnbar 6. 'larnpak bahwa jenis pelarut mempengaruhi morlirlogi perrnukaan lihn.
Filrn tipis yang <|i-spin-codting dari larutan MEH-PPV
de-1 0 6 a! [ f r , "
o "
-1 . 0
0 8
I 0 6 a
I 0.,
L.' 0 2 0 . 0
3 0 0 5 0 0
r [nm]
Gamtrar4: Spektra tJV-Vis lamtan polimer ME[{-PPV dalam pelarut kloroform. toluen. dan TI{F
spektrum terdiri dari superposisi dari absorpsi yang tidak ho-mogen dari panjang konjugasi yang berbeda. Hal ini be-rarti rantai polimer membentuk konfbrmasi yang sama untuk ketiga juris polimer. Dari pengamatan larutan yang homogen dan transparan, secara kuantitatif dapat dikatakan bahwa rantai polirner membentuk konformasi yang terbuka. Diper-lirkan pengukuran dengan tekaik Dynamic Light Scattering (DLS) untuk mengetahuijenis konformasi rantai polimer se-cara kualitatif dengan menghitung jarijari hidrodinamik dari rantai polimer dalam larutan.
Gambar 5 menunjukkan spekha UV-Vis film tipis MEH-PPV yang di spin-coating dari ketiga jenis larutan yang berbeda Tampak jelas bahwa ketiga jenis pelarut meng-hasilkan respon optik yang berbeda. Pelarut kloroform dan toluen menghasilkan panjang gelombang maksimum ()r,,*) yang sama yaitu pada 5l I nm, sedangkan A,,," film dari pelarut THF bergeser pada panjang gelombang yang lebih panjang (532 nm). Pergeseran nilai .\,,,," kearah panjang gelombang yang lebih besar dari laru-tan ke film, menunjukkan bahwa orientasi rantai polimer di dalam film berbeda dengan didalam larutan. Rantai-rantai polimer di dalam film akan bertumpuk akibat dari proses spin-coating, sehingga membentuk aggregat.
(a) Fl|fi tr IEi+-F Iv tlbn ltstltnr C ' E & a i l
l t - t E E l r n ca- E,E lllttt
J. FIs, DAN API-., VOL. 4, NO. I, JANUARI 2OO8 AYI BAHTIAR, dft.
t !
x [cml
(a)
400
1 . 0
x [cml
(b)
0 . 4
x fsri
(c)
Gambar 7: Hasil pengukuran waveguide /oss pandu gelombang planar MEH-PPV yang dibuat dengan pelarut kloroform, toluen dan THF pada panjang gelombang 1064 nm.
('
(n rc
'ii tuu 0)
a
(s
(r-l ((t E (r)
c
.9 rm
c
'|.3
((t v, E
a . ^ ^ - r u u
(u
c
ngan pelarut kloroform dan toluen memiliki morfologi
per-mukaan yang homogen, sedangkan
untuk pelarut TIIF
me-nunjukkan tekstur yang berbentuk pulau-pulau, akibat
ter-bentuknya
agregat. Hasil SEM ini memperkuat
hasil
spek-tra UV-Vis filrn tipis, dimana agregat terbentuk dalam film
yang dibuat dari larutan MEH-PPV dengan
pelarut TIIF (max
yang lebih besar').
Perbedaan
morfologi permukaan
film tipis
MEH-PPV yang dibuat dengan pelarut yang berbeda akan
membawa
pengaruh
yang cukup signifikan terhadap
koefisien
waveguide /oss. Gambar 7 menunjukkan hasil pengukuran
waveguide
/oss dari pandu gelombang
planar MEH-PPV yang
dibuat dengan
pelarut yang berbeda.
Tampak bahwa ketiga jenis pelarut yaitu kloroform, toluen
dan THF menghasilkan rilai an,, yang berbeda. Perbedaan
nilai ini berkaitan erat dengan morfologi permukaan filrn
yang berbeda. Film tipis yang dibuat dengan
pelamt toluen
dan kloroform menunjukkan
nrlal as- < I dB/cm, akibat dari
morfologi permukaan
yang homogen, sehingga
hamburan
cahaya dapat diminimalisasi. Sebaliknya,
nilai au- pandu
gelornbang planar MEH-PPV yang dibuat dari pelarut THF
sebesar
23 dB/cm diakibatkan oleh terbentuknya
aggegat di
perrnukaan
film, sehingga
cahaya
di dalam pandu gelombang
banyak yang terhambur. Pemilihan jenis pelarut menentukan
sifat optik dan morfologi permukaan filrn tipis serta nilai
koefisien waveguide
/oss pandu gelombang
planar MEH-PPV.
v. sntPlt-.{\
Jenis pelarut mempengaruhi
sifat opti\ morfologi
per-mukaan fiLn tipis dan koefisien v'ovquide /oss dari pandu
gelombang
planar MEH-PPV. Pelamt kloroform dan toluen
menghasilkan morfologi permukaan yang homogen dan
ds- < I dB/cnL sshingga cocok untuk aplikaqi pandu
gelombang
planar. Sebaliloya, pelarut TIIF mengakibatkan
pembentukan
aggrcgat di dalam fikn, sehingga cahaya akan
banyak terharnbur
sepanjang
arah perambatannya.
Akibabnyq
film ini tidak cocok unnrk aplikasi pandu gelombang
planar.
Ucapan Terlma Kacih
Peneliti mengucapkan
terima kasih kepada Direktorat
Jen-deral Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional
yang telah membiaya penelitian Hibah Benaing XIV ini
sesuai dengan Surat Perintah Pelaksanaan
Pekerjaan
Nomor:
03 I /SP2FVPP/DP2M/III120O7
tanggal 29 MLarct
2007
.
(b) F[!ftrEtt4rrasirrlt:rdttsr l ' t r ! 1 | i l
\= lue+nm 1,= 0.6 anttm
J. Frs. DAN ApL., VoL. !'oL. 4, No. l, JANUART 2009
[] T.A. Skotheim, R.L. Elsenbaumer, andJ.R. Reynoldt,Handbook of Conducting Polymers (Nanr York Marccl Dekker, 1998). [2] S.J. Lalama, J.E. Sohn, and K.D. Singer, Integrated Optical
Cir-cuit Engineering II SPIE 578, 168, (1985).
[3] M. D. McGehee and A.J. Heeger, Adv. Marer. 12, 1655 (2000). [4] R. H. Friend, R. W. Gymer, A. B. Hobnes, J. H. Burroughes,
R. N. Marks, C. Taliani, D. D. C. Bradley, D. A Dos Santos, J. L. Bredas, M. Loegdlund, and W. R. Salane,ck, Nature 397, l2l
(reee).
[5] C.J. Brabec, N.S. Sariciftci, andJ.C. Hummelen, Adv. Mater. 12,
r6s5
(200r).
[6] G.L Stegeman and WE. Tomrellas, phil. Trans. R. Soc, Lond. A 3s4,745 (t996).
[7] M. A. Badeq G. Marowsky, A. Bahtiar, K. Koynov, C. Bubeck, H. Tillmann, and H.-H. Hrhold, S. pereira" J. Opt. Soc. Am. B t9,2250 Q002).
[8] WR. Holland, n Polymers for Lighnoave and Intqrated Optics, edited by L.A. Homak (New york: Marcel Dekker, 1992\
[9] M. Allegrini, A. Arena, M. Labardi, G. Martino, R. Girlanda, C. Pace, S. Patane, G. Saitt4 and S. Savasta, Appl. Surf. Sci. 142,
603
(leee).
[0] L. L. Spanglea J.M. Torkelson, and J.S. Royal, polym. Eng. Sci. 30, 644 (1990)
Ull R. A. PethriclL and K. E. Rankin, J, Mater. Sci-Mater. El. 10. l4l (1999).
[2] J. C. Scotl J. FL Kaufman, P. J. Brock, R. Dipierro, J. Salen. and J. A. Gottia, J. Appl. Phys. 19,2745 (1996)
U3l B. Schwartz, Annu. Rev. Phys. Chem. 54, l4l (2003) ll4l P. K. Tien, Appl. Opr. 10, 2395 (t97t)
[5] P. Yeh, Optical Waves in Lryered Media (John Wiley & Sons Inc., 1988)
[6] F. Fitrilawati, M.O. Tjia, l. Ziegler, and C. Bubeck, proc. SptE 3896,697 (1999)
[7] K. Koynov, A. Bahtiar, T. Ahn, H.-H. Hrhold and C. Bubeck. Macromol. 39, 8692 (2006)
