PERBANDINGAN POLA DAN UKURAN BULIR SPEKEL LAPISAN TIPIS

(1)

179

PERBANDINGAN POLA DAN UKURAN BULIR SPEKEL

LAPISAN TIPIS TiO

2

DARI SUMBER LASER MERAH (632.8 nm)

DAN LASER HIJAU (480 nm) MENGGUNAKAN METODA LSI

(LASER SPECKLE IMAGING)

Meli Muchlian, Harmadi, Neneng Fitrya dan Mardian Peslinof

Departemen Fisika, FMIPA Universitas Andalas E-mail: [email protected]

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian menggunakan metoda LSI (Laser Speckle Imaging) untuk menghasilkan citra sampel lapisan tipis TiO2 pada variasi suhu pemanasan (100, 150 dan 200°C) dengan jumlah pelapisan (1, 2 dan 3). Pola dan ukuran bulir spekel sampel lapisan tipis TiO2 hasil perhitungan metoda autokorelasi, dianalisis dengan membandingkan sumber laser yang digunakan (merah λ = 632.8 nm dan hijau λ = 480 nm). Analisis pola dan ukuran bulir spekel kedua jenis sumber laser, secara umum menghasilkan ukuran bulir spekel yang semakin meningkat pada variasi suhu pemanasan dengan jumlah pelapisan yang sama. Hasil sebaran pola dan pengukuran bulir spekel sumber laser hijau, terlihat lebih kecil dibandingkan menggunakan sumber laser merah. Hal ini disebabkan karena lapisan tipis TiO2 lebih mengabsorpsi panjang gelombang hijau dari pada panjang gelombang merah.

Kata kunci: pola spekel, ukuran bulir spekel, LSI (Laser Speckle Imaging), lapisan tipis TiO2

PENDAHULUAN

Selama beberapa dekade terakhir, telah banyak bermunculan teknik eksperimen berbasis spekel. Kebanyakan dari teknik tersebut berkembang akibat kemajuan dalam teknologi sensor

optik. CCD (Charge Couple Device) dan CMOS (Complementary Metal Oxide

Semiconductor) adalah sensor moderen dengan jutaan detektor yang mampu memproses secara

paralel dari sejumlah sinyal intensitas spekel. Ketersediaan detektor telah menyebabkan

berbagai aplikasi baru dalam deteksi spekel jarak jauh seperti Spektroskopi TCR (Time

Resolved Correlation) (Cipelletti dkk, 2003), SVS (Spectroscopy Visibility Speckle) (Dixon

dan Durian, 2003), teknik pencitraan seperti NFS (Near Field Scattering) (Cerbino dan Vailati,

2009) dan LSI (Laser Speckle Imaging) (Zakharov dkk, 2009).

LSI merupakan salah satu sistem citra yang sederhana dibandingkan dengan sistem radiografi

sinar-x, confocal microscopy (Hibs dkk, 2001; Vo-Dinh, 2003 ),holografi dan interferometer.

LSI membutuhkan sensor cahaya berkecepatan tinggi seperti CCD yang terhubung dengan

komputer untuk merekam dan menampilkan citra pola spekeldalam satuan piksel. LSI terdiri

dari tiga komponen utama yaitu laser sebagai sumber cahaya, sampel dan detektor. LSI

menjadi pilihan karena memiliki keunggulan, diantaranya minim efek samping (non

destructive, non invasive, non ionisasi) (Apsari, 2009), pencitraan penuh, akuisisi data langsung, akurat, kuantitatif dan biaya rendah (Harmadi, 2011).

Titanium dioksida (TiO2) merupakan material fotokatalis yang sering diaplikasikan pada

teknologi lingkungan karena mempunyai fotoaktivitas tinggi, tidak beracun dan bersifat stabil

terhadap paparan sinar ultra violet. Lapisan tipis TiO2 di atas substrat memiliki ukuran dalam

skala mikro meter dan nano meter. Imobilisasi bahan TiO2 di atas substrat kaca akan

memberikan hasil berupa morfologi, ukuran, ketebalan dan lainnya tergantung perangkat yang digunakan sesuai tujuan pengamatan dan pengukuran. Hasil pengamatan dan pengukuran terhadap lapisan tipis TiO2 merupakan hal penting untuk mengetahui kondisi dan keefektifan

(2)

Prosiding Seminar Nasional Fisika Universitas Andalas (SNFUA) Padang, 07 Oktober 2013 ISBN 978-979-25-1954-9

180

mempengaruhi efektivitas penyerapan energi foton oleh lapisan tipis TiO2 (Kalyanasundaram,

1998; Aprillita dkk, 2008). TiO2 memiliki tiga fasa kristal yaitu anatase, rutil dan brukit. Fasa

anatase memiliki aktivitas fotokatalis terbaik. Kalsinasi pada suhu dibawah 400 °C akan

menghasilkan TiO2 amorfus. Pada suhu 400 °C terjadi transformasi fasa amorfus menjadi

anatase. Perbedaan suhu kalsinasi membuat perbedaan fasa kristal dan mempengaruhi bentuk morfologi lapisan yang terbentuk (Kalyanasundaram, 1998).

Ukuran bulir merupakan salah satu parameter penting dari spekel. Ukuran bulir spekel tergantung pada panjang gelombang cahaya, panjang gelombang sumber cahaya dan jarak bidang pengamatan dengan sumber cahaya, sudut maksimal antara sumber dengan perangkat detektor. Ukuran menjadi masalah utama karena jika nilainya sangat kecil mengakibatkan spekel tidak terlihat pada detektor (Chipouline, 2011). Full width at half maximum (FWHM) hasil autokorelasi digunakan untuk mengukur bulir spekel. Noise yang bergantung pada satu nilai kurva autokorelasi akan dibuang. Lebar rata-rata yang diperoleh pada ketinggian

maksimal setara dengan widths of equivalent rectangles (WER) (Rabal dan Braga, 2009).

Analisis Autokorelasi ini sangat sensitif terhadap variasi ukuran spekel yang kecil (Kayahan, 2010).

Penelitian ini bertujuan untuk membandingkan pola spekel dan ukuran bulir spekel dengan metoda LSI dari dua sumber laser merah (630 nm) dan hijau (480 nm). Selanjutnya, dianalisis korelasi antara bulir spekel dan citra spekel autokorelasi lapisan tipis TiO2 berdasarkan dua

sumber laser yang digunakan. Nilai bulir spekel dari dua sumber laser tersebut dapat

digunakan sebagai parameter dalam menentukan sifat interaksi lapisan tipis TiO2 terhadap dua

sumber laser yang berbeda.

METODOLOGI

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Juli sampai September 2013 di Laboratorium

Optoelektronika Jurusan Fisika UNAND. Sampel uji lapisan tipis TiO2 diproduksi

menggunakan metoda dip coating pada variasi suhu pemanasan (100, 150 dan 200°C) dengan

jumlah pelapisan (1, 2 dan 3 kali), sehingga diperoleh 9 buah sampel yang berbeda. Alat

penelitian adalah perangkat LSI yang terdiri dari sumber laser merah (λ = 632,8 nm) dan hijau

(λ = 480 nm), sensor kamera CCD 30 fps, dan PC(Personal Computer).

Perangkat LSItertetak dalam kotak kedap cahaya, dari bahan akrilik berlapis cat hitam tidak mengkilat. Hal ini bertujuan agar cahaya yang ditangkap sensor kamera CCD murni dari hamburan sinar laser sampel uji. Pola spekel yang ditangkap detektor direkam menggunakan

software Ulead VideoStudio-7 yang tersambung PC(Personal Computer) dengan hasil ukuran citra 640 X 480 piksel. Skema rancang bangun sistem LSI dipaparkan pada Gambar 1.

Penelitian yang dilakukan adalah menentukan citra spekel bahan uji lapisan tipis TiO2 dengan

metoda LSI. Citra pola spekel diolah menggunakan metoda autokorelasi Matlab 7, yang digunakan untuk melihat citra spekel hasil autokorelasi dan menghitung ukuran bulir spekel yang dihasilkan. Grafik plot pusat fungsi hasil autokorelasi citra diambil dalam arah horizontal (sumbu x) dan arah vertikal (sumbu y). Hasil autokorelasi tersebut dihitung nilai FWHM fungsinya untuk mendapatkan ukuran bulir melalui nilai lebar piksel yang terukur. Nilai piksel tersebut dievaluasi dan dikonversi dalam satuan mikrometer (1 piksel = 3,6 µm). Selanjutnya hasil pola spekel autokorelasi dan ukuran bulir spekel dari dua sumber laser tersebut,

dibandingkan untuk mengetahui interaksi lapisan tipis TiO2 terhadap panjang gelombang yang

(3)

181 Gambar 1. Skema rancang bangun sistem LSI

Gambar 2. Tahapan perhitungan ukuran bulir spekel

HASIL DAN DISKUSI

Citra pola spekel lapisan tipis TiO2, dengan perlakuan variasi suhu pemanasan dan jumlah

pelapisan telah dihasilkan dari metoda LSI. Citra pola spekel dihasilkan dari hamburan balik dua sumber laser dengan panjang gelombang yang berbeda (merah 632,8 nm dan hijau 480 nm). Secara umum, citra spekel lapisan tipis TiO2 dari sumber laser hijau memiliki pola

sebaran bulir yang lebih kecil dari pada pola sebaran bulir menggunakan laser merah. Tampilan citra untuk sumber laser merah dan hijau dipaparkan pada Gambar 3.

Analisis citra pola spekel metoda autokorelasi Matlab 7, pada kedua jenis sumber laser

digunakan untuk mengetahui interaksi lapisan tipis TiO2 terhadap sumber laser yang

digunakan. Interaksi tersebut digambarkan dalam bentuk perubahan pola dan ukuran bulir

spekel sampel yang dihasilkan. Nilai ukuran bulir spekel sampel lapisan tipis TiO2

dikelompokkan berdasarkan variasi suhu pemanasan (100, 150, 200 °C) dengan jumlah pelapisan 1, 2 dan 3 kali, sehingga menghasilkan sampel berbeda sebanyak 9 buah.

(4)

182

Gambar 3 Perbandingan pola spekel lapisan tipis TiO2 terhadap variasi suhu pemanasan (kiri-kanan)

Lapisan tipis TiO2 yang dipanaskan pada suhu berbeda (semakin naik) akan mengalami

perubahan kerapatan seperti terlihat pada Gambar 4 (kiri-kanan). Kerapatan permukaan lapisan dapat dilihat dari semakin banyaknya jumlah bintik spekel dengan gambaran citra yang semakin gelap yang mengindikasikan semakin menurunnya kekasaran permukaan.

(5)

183 Gambar 4 Pola spekel sumber laser merah lapisan tipis TiO2 hasil autokorelasi

terhadap variasi suhu pemanasan (kiri-kanan)

Gambar 5 Pola spekel sumber laser hijau lapisan tipis TiO2 hasil autokorelasi terhadap variasi suhu pemanasan (kiri-kanan)

(6)

184

Sampel lapisan tipis TiO2 yang dipanaskan pada suhu di bawah 400 °C akan memiliki fasa

amorfus. Perubahan suhu pemanasan yang masih dibawah 400 °C (transformasi amorfus menjadi anatase) telah memberikan perubahan pada sampel yang dihasilkan. Setiap perubahan suhu memperlihatkan peningkatan kerapatan dengan bentuk morfologi permukaan yang semakin datar, atau berkurangnya kekasaran permukaan. Pengamatan morfologi lapisan dari dua sumber laser merah dan hijau, dipaparkan pada Gambar 4 dan 5. Gambar 4 dan 5 merupakan pola spekel hasil autokorelasi sampel yang bisa mengindikasikan morfologi permukaan lapisan yang terbentuk berdasarkan hamburan balik sinar laser mengenai sampel yang ditangkap kamera CCD.

M(1) (2)

Gambar 6 Hasil running program autokorelasi Matlab 7 sumber laser merah (1) sampel A1 (1× pencelupan suhu 100 °C) dan (2) sampel C3 (3× pencelupan suhu 200

°C) Ket: (a) Fungsi autokorelasi citra (b) Plot pusat fungsi autokorelasi arah vertikal (c) Plot pusat fungsi autokorelasi arah horisontal

Hasil autokorelasi sampel A1 (1× pelapisan suhu 100 °C) dan C3 (3× pelapisan suhu 200 °C), dipaparkan pada Gambar 6 (sumber laser merah) dan Gambar 7 (sumber laser hijau). Berdasarkan perhitungan nilai ukuran bulir spekel hasil autokorelasi, diperoleh bahwa ukuran bulir spekel menjadi semakin besar akibat kenaikan suhu pemanasan dan berlaku pada kedua sumber laser yang digunakan. Hal tersebut terjadi karena kenaikan suhu pemanasan akan mengurangi jumlah pori pada lapisan, dan membuat permukaan semakin rapat. Garik hubungan kenaikan suhu pada jumlah pelapisan yang sama, dipaparkan pada Gambar 8 untuk laser merah dan Gambar 9 untuk laser hijau. Namun, ukuran bulir spekel dari sumber laser hijau lebih kecil dibandingkan menggunakan laser merah. Hal ini disebabkan karena lapisan

tipis TiO2 lebih mengabsorpsi panjang gelombang hijau dari pada panjang gelombang merah.

Semakin kecil panjang gelombang yang digunakan, akan semakin kecil bulir spekel yang dihasilkan, karena semakin banyak gelombang yang diabsorpsi dari pada yang di hamburkan lapisan tipis TiO2. Lapisan Tipis TiO2 ini akan bersifat stabil pada panjang gelombang ultraviolet, dan ini sesuai dengan hasil UV-Vis untuk semua sampel yang mengalami puncak absorbansi pada panjang gelombang tersebut.

(7)

185

(1) (2)

Gambar 7 Hasil running program autokorelasi Matlab 7 sumber laser hijau (1) sampel A1 (1× pencelupan suhu 100 °C) dan (2) sampel C3 (3× pencelupan suhu 200 °C)

Gambar 8. Perubahan ukuran bulir spekel lapisan tipis TiO2 terhadap variasi suhu pemanasan dengan sumber laser merah

Gambar 9. Perubahan ukuran bulir spekel lapisan tipis TiO2 terhadap variasi suhu pemanasan dengan sumber laser hijau

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa ukuran bulir spekel lapisan tipis

TiO2 secara umum semakin meningkat akibat kenaikan suhu pemanasan pada jumlah pelapisan

yang sama. Hasil sebaran pola dan pengukuran bulir spekel dari sumber laser hijau lebih kecil

dibandingkan menggunakan laser merah. Hal ini disebabkan karena lapisan tipis TiO2 lebih

(8)

186

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis pengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Harmadi yang telah memfasilitasi dan memberikan bimbingan dalam penelitian ini. Selanjutnya untuk teman-teman tim peneliti bidang optoelektronika Neneng Fitrya, M.Si dan Mardian Peslinof, M.Si yang selalu menumbuhkan kerja sama, ide dan tenaga sehingga penelitian ini bisa terlaksana sampai menghasilkan karya tulis ilmiah ini.

DAFTAR PUSTAKA

Aprillita, N.H, dkk., 2008, Self-Cleaning Kaca Berbasis Lapis Tipis TiO2 dengan Perlakuan

Asam dan Asam Palminat Sebagai Model Polutan, Indo. J. Chem., 8 (2), 200-206 Apsari, R., 2009, Sistem Fuzzy Berbasis Laser Speckle Imaging untuk Deteksi Kualitas

Enamel Gigi Akibat Paparan Laser ND:YAG, Disertasi, PPs Universitas Airlangga, Surabaya

Cerbino, R dan A. Vailati., 2009, Near-Field Scattering Techniques: Novel Instrumentation and Results from Time and Spatially Resolved Investigations of Soft Matter Systems,

Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 14, 416-425

Chipouline, A., 2011, Spatial Noise and Speckle, Abbe School of Photonics, Friedrich-Schiller Universitat

Cipelletti, dkk., 2003, Time-resolved correlation: a new tool for studying temporally

heterogeneous dynamics, J. Phys. Cond. Mat. Vol 15, 257-262

Dixon, P.K. dan D.J. Durian., 2003, Speckle visibility spectroscopy and variable granular fluidization, Phys. Rev. Lett. Vol 90, 184302

Harmadi, 2011, Aplikasi Pola Spekel Akusto-Optik untuk Pendeteksian Vibrasi Akustik pada Dental Plaque Biofilm, Disertasi, PPs Universitas Airlangga, Surabaya

Hibs, dkk., 2001, Detection of Occlusal Caries by Flourescence: Basic and Clinical

Investigation. Med. Laser Application 16: 205-213

Kalyanasundaram, K dan Gratzel, M., 1998, Applications of Functionalized Transition Metal Complexes in Photonic and Optoelectronic Devices, Coord. Chem. Rev, 77, 347-414 Kayahan, E dkk., 2010, Autocorrelation analysis of spectral dependency of surface roughness

speckle patterns, ULAKBIM UASL, Universitas Kocaeli

Rabal, H.J dan Braga Jr, 2009, Dinamic Laser Speckle and Application, CRC press., United Stated of America

Vo-Dinh, T., 2003, Biomedical Photonics Handbook, CRC Press, New York

Zakharov, P., A.C. Volker, M.T. Wyss, F. Haiss, N. Calcinaghi, C. Zunzunegui, A. Buck, F. Scheffold dan B. Weber, 2009, Dynamic laser speckle imaging of cerebral blood flow,

Optics Express 16, 13904-13917

Pertanyaan 1.

Nama Penanya : Ani Fatimah

Instansi : Jurusan Fisika FMIPA Univeritas Andalas

Pertanyaan : 1. Kenapa sumber yang digunakan berjarak 25 cm?

2. Apabila ada pengaruh jarak dan sudut yang divariasikan, apakah ada hasil lain yang didapatkan?

Jawaban : 1. Alat yang digunakan di sett pada ruangan hitam atau gelap dengan dinding yang tidak dapat menyerap cahaya, mengalami getaran, atau mengalami gangguan yang