KARAKTERISTIK LISTRIK KERAMIK FILM TEBAL SnO 2 YANG DITAMBAH Ta 2 O 5 UNTUK SENSOR GAS ETANOL

(1)

Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi Nuklir PTNBR – BATAN Bandung, 22 Juni 2011

Tema : Peran Sains dan Teknologi Nuklir di Bidang Kesehatan, Lingkungan, Industri dan Pendidikan dalam Mendukung Pembangunan Nasional

320 KARAKTERISTIK LISTRIK KERAMIK FILM TEBAL SnO2

YANG DITAMBAH Ta2O5 UNTUK SENSOR GAS ETANOL

Rifayanti Masitoh

1

, Dani Gustaman Syarif

2

dan Parlindungan Sinaga

1

Departemen Fisika, FPMIPA, Universitas Pendidikan Indonesia, Jln.Dr Setiabudi 229, Bandung 40154, Indonesia

2_{PTNBR-BATAN, Jln. Tamansari 71, Bandung, 40132, Indonesia}

E-mail: danigus@batan.go.id, danigusta@yahoo.com.

ABSTRAK

KARAKTERISTIK LISTRIK KERAMIK FILM TEBAL SnO2 YANG DITAMBAH Ta2O5

UNTUK SENSOR GAS ETANOL. Pembuatan film tebal keramik SnO2 yang didoping Ta2O5 telah

dilakukan dengan menggunakan metode screen printing. SnO2 dibuat dari bahan SnCl4 dan Ta2O5

dibuat dari bahan TaCl5. Untuk menghasilkan film tebal, terlebih dahulu pasta disiapkan. Pasta

tersebut terbuat dari campuran serbuk SnO2-Ta2O5, serbuk frit (terbuat dari PbO, SiO2,B2O3) dan OV

(Organic Vehicle terbuat dari campuran terpienol dan etil selulose). Pasta dilapiskan di atas substrat Al2O3 dengan metode screen printing hingga terbentuk film tebal mentah. Film tebal mentah dibakar

pada temperatur 10000C. Hasil analisis Scanning Electron microscope (SEM) menunjukkan bahwa ukuran butir rata-rata adalah + 0.52μm. Karakterisasi listrik dilakukan di dalam medium udara dan udara yangmengandung gas etanol. Konsentrasi gas etanol divariasi menjadi tiga konsentrasi yaitu 407 ppm, 547 ppm, dan 639 ppm. Resistansi listrik keramik di dalam medium udara yang mengandung gas etanol lebih kecil dari resistansi listrik keramik ketika berada dalam medium udara. Makin besar konsentrasi gas etanol, makin sensitif keramik film tebal.

Kata kunci: film tebal, SnO2, Ta2O5, screen printing, sensor gas, etanol

ABSTRACT

ELECTRICAL CHARACTERISTICS OF SnO2 THICK FILM CERAMICS ADDED WITH

Ta2O5 FOR ETHANOL GAS SENSOR. Fabrication of Ta2O5 doped-SnO2 ceramic has been carried

out using screen printing method.The SnO2 ceramic was made of SnCl4 and the ceramic of Ta2O5 was

made of TaCl5. A paste was prepared to produce thick film ceramic. The paste was made of mixture of

powder of SnO2-Ta2O5, frit powder (made of PbO, SiO2,B2O3) and organic vehicle (made of terpineol

and athyl cellulose). The paste was screen printed on alumna substrate to form green thick film. The green thick film was fired at 10000C. SEM analyses showed that average grain size was about 0.52μm. Electrical characterization was done in medium of air and ethanol gas containing air. Gas concentration was varied in three values namely 407 ppm, 547 ppm, dan 639 ppm. Electrical resistance of the ceramics in ethanol gas containing air medium was smaller than that of the ceramic in air medium. The larger the ethanol gas concentration, the more sensitive the thick film ceramic.

Keywords: thick film, SnO2, Ta2O5, screen printing, sensor gas, etanol

1. PENDAHULUAN

Etanol kemungkinan banyak terdapat di lingkungan karena penggunaannya yang cukup meluas. Pada konsentrasi tertentu dapat

dikatagorikan sebagai pencemaran. Selain itu keberadaan dan konsentrasi gas etanol juga dapat menjadi indikator sebuah process pengolahan makanan. Oleh karena itu untuk mengontrol gas etanol di kedua aplikasi

(2)

321

tersebut diperlukan sensor gas etanol. Sensor gas etanol dapat dibuat dari berbagai bahan di antaranya keramik semikonduktor termasuk SnO2[1-4].

Selain untuk sensor gas, keramik SnO2

(timah oksida) juga banyak digunakan dalam berbagai aplikasi, misalnya untuk elektrode transparan, katalis dan resistor. Bahan ini, merupakan keramik semikonduktor tipe-n dengan besar energi gap 3.6 eV. Material ini memiliki konduktivitas listrik yang rendah pada temperatur kamar, tetapi konduktivitasnya dapat ditingkatkan dengan pemberian doping atau pengotor. Doping atau pengotor yang diberikan dapat memperbaiki sifat-sifat keramik menjadi lebih baik untuk aplikasi sensor gas. Oleh karenanya, pada penelitian ini keramik film tebal SnO2 didoping dengan

Ta2O5. Secara teoritis ion Ta 5+

yang masuk kedalam subkisi Sn4+ dapat menghasilkan pertambahan jumlah elektron di dalam keramik SnO2. Kepekaan keramik film tebal SnO2 yang

didoping Ta2O5 terhadap gas etanol menjadi

pokok bahasan makalah ini.

2. BAHAN DAN TATAKERJA

Serbuk Sn klorida dan Ta klorida dicampur dengan asam sitrat dan dilarutkan dengan akuades. Larutan sol yang terbentuk dipanaskan pada suhu 80oC hingga membentuk gel. Gel dipanaskan dan dikalsinansipada suhu 700oC selama 2 Jam. Serbuk SnO2-Ta2O5 yang terbentuk dicampur

dengan 5 % berat frit. Serbuk campuran dicampur lagi dengan OV (Organic Vehicle) dengan konsentrasi OV sebesar 30 % berat hingga membentuk pasta. Pasta dilapiskan pada permukaan substrat alumina dengan screen printing. Film tebal mentah yang terbentuk dibakar pada suhu 1000oC selama 1 Jam di udara. Film tebal hasil pembakaran dianalisis dengan difraksi sinar-x (XRD) dan Scanning Electron Microscope(SEM). Setelah diberi elektrode perak, tahanan listrik keramik film tebal juga diukur di dalam media udara dan di dalam media udara yang mengandung gas etanol.

3. HASIL DAN DISKUSI 3.1. Pengujian XRD

Analisis XRD keramik film tebal SnO2

-Ta2O5 dilakukan di PTNBR-BATAN, dengan

menggunakan panjang gelombang sebesar 1,54056 Å. Hasil analisis diperlihatkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Pola XRD film tebal keramik 99%mol SnO2-1%mol Ta2O5 yang disinter pada

suhu 1000o_{C selama 1 jam di udara.}

Hasil analisis XRD memperlihatkan bahwa keramik film tebal SnO2-Ta2O5 yang dibuat

mempunyai struktur kristal tetragonal, dengan parameter kisi sebesar a=4,741 Angstrom dan c sebesar 3,257 Angstrom. Hasil parameter kisi ini sesuai dengan data parameter kisi pada JCPDS No 41-1445 SnO2. Pemberian doping

1% Ta2O5, tidak mempengaruhi struktur kristal

yang terbentuk karena kemungkinan Ta2O5

yang larut padat sangat sedikit. Pada dasarnya pemberian doping 1% Ta2O5 hanya untuk

memperbaiki sifat listrik yang dimiliki oleh bahan SnO2.

3.2. Pengujian SEM

Hasil pengujian SEM ditunjukkan pada Gambar 2. Pada gambar tersebut, film tebal keramik SnO2-Ta2O5 memiliki ukuran butir

yang relatif kecil dan memiliki pori yang cukup banyak. Pada material sensor gas, dibutuhkan ukuran butir yang kecil dan memiliki pori yang cukup banyak. Dengan ukuran butir yang kecil dan pori yang banyak, maka semakin banyak gas pereduksi yang bereaksi ke daerah batas butir pada sensor yang menyebabkan resistansi

menurun dan meningkatkan nilai

sensitifitasnya. Dalam pengolahan data SEM ini, diperoleh nilai rata-rata ukuran butirnya adalah 0.52 μm.

(3)

322

Gambar 2. Struktur mikro keramik 99%mol SnO2-1%mol Ta2O5 dipotret dengan SEM.

3.3. Karakteristik Listrik

Untuk mengetahui respon atau sensitivitas dari sampel keramik film tebal SnO2-Ta2O5

terhadap gas etanol, maka dilakukan

Gambar 2. Hasil Pengujian SEM

Karakterisasi listrik dengan melakukan pengukuran resistansi tahanan listrik di dalam suasana atmosfer udara dan suasana udara mengandung gas etanol dengan konsentrasi gas etanol yang berbeda. Data hasil pengukuran dapat dilihat bahwa resistansi listrik (R)

berubah terhadap temparatur secara

eksponensial ketika diberikan perubahan temparatur pada rentang 600C sampai 3000C. Data ini memperlihatkan bahwa keramik yang dibuat bersifat semikonduktor. Ketika termperatur naik, resistansi listrik sensor

menurun, karena elektron-elektron

mendapatkan energi berupa energi panas yang membuat elektron-elektron tersebut dapat berpindah dengan melewati bandgap dari pita valensi ke pita konduksi.

Gambar 3. Nilai resistansi listrik keramik film tebal SnO2-Ta2O5 yang dibakar pada temperatur

1000oC pada konsentrasi gas etanol yang berbeda sebagai fungsi temparatur.

Gambar 4. Sensitifitas keramik film tebal SnO2

-Ta2O5 pada suhu konsentrasi gas etanol yang

berbeda.

Adanya gas etanol juga mempengaruhi resistansi keramik film tebal. Resitansi keramik film tebal ketika berada di dalam medium udara lebih tinggi dari pada resistansi keramik film tebal ketika berada di dalam medium udara yang mengandung gas etanol. Mekanisme penurunan resistansi listriknya adalah sebagai berikut. Keramik film tebal yang berada di medium udara akan mengadsorbsi oksigen di permukaannya dan memberikan elektronnya sehingga oksigen menjadi ion oksigen. Peristiwa ini akan diikuti dengan pembentukan halangan (barrier) dengan tinggi penghalang tertentu seperti Gambar 5. Ketika kemudian keramik dimasukkan kedalam medium berisi gas etanol, oksigen yang teradsorbsi bereaksi dengan gas etanol sesuai Persamaan (1) seraya melepaskan kembali elektron ke pita konduksi

dan menyebabkan turunnya potensial

penghalang sesuai Gambar 6 sekaligus menurunkan resistansi keramikfilm tebal. C2H5OH(g) + O-  CH3CHO + H2O + e- (1)

(4)

323

Gambar 5. Model potensial penghalang ketika reaksi oksidasi [5].

Gambar 6. Model potensial penghalang ketika reaksi reduksi [5].

Perhatikan kembali Gambar 4, grafik

menunjukkan pengaruh penambahan

konsentrasi gas etanol pada sensitivitas sensor. Semakin banyak konsentrasi gas etanol yang diberikan, maka sensitivitas sensor semakin meningkat. Sensitivitas keramik film tebal SnO2-Ta2O5 terhadap temperatur, pada

konsentrasi gas etanol 639 ppm, memiliki sensitifitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan konsentrasi gas etanol 407 ppm dan 547 ppm.

Sensitifitas dapat didefinisikan sebagai rasio antara selisih resistansi di dalam medium mengandung gas etanol dan resistansi di udara. Hubungan tersebut secra matematis dapat ditulis sesuai persamaan (2) berikut [6,7]: Sensitivitas (S) = [(Ru-Rg)/Ru] x 100% (2)

Dengan, Ru adalah resistansi sensor gas di dalam medium udara dan Rg adalah resistansi sensor gas ketika berada di medium udara mengandung gas etanol. Sensitivitas juga menggambarkan tingkat terkecil konsentrasi yang dapat terdeteksi oleh sensor gas.

4. KESIMPULAN

1. Keramik film tebal SnO2-Ta2O5 yang

dibuat berstruktur kristal tetragonal dan mempunyai porositas yang cukup banyak dengan ukuran butir yang relatif kecil yaitu + 0.52 µm.

2. Sensitivitas keramik film tebal SnO2-Ta2O5

meningkat seiring dengan pertambahan konsentrasi gas yang diberikan sehingga berpotensi untuk diaplikasikan sebagai sensor gas etanol.

5. DAFTAR PUSTAKA

1. AL-ZAIDI, Q.G., Palladium – doped ZnO thin film hydrogen gas sensor, App. Phys. Res., 3(1) (2011) 89-99.

2. REZLESCU, E., IFTIMIE, N., POPA,

P.D. and REZLESCU N., Porous nickel

ferrite for semiconducting gas sensor, Journal of Physics, Conference Series 15 (2005) 51–54.

3. SAHRAEI, A., Low temperature ethanol gas sensor based on SnO2/MWNTs

nanocomposite, World Academy of Science, Engineering and Technology 49 (2009), 185-188.

4. YAMAZOE, N., SHIMANOE, K.,

Receptor function and response of semiconductor gas sensor (Review Article), Journal of Sensors ( 2009) 1-21. 5. ANONYMOUS, Series 2000 gas sensors,

www.tsdpl.com/TGS-2000.htm (5 Mei 2011).

6. REZLESCU, N., REZLESCU, E.,

TUDARACHE, F., POPA, P.D., Gas

sensing properties of porous Cu-, Cd- and Zn- ferrites, Romanian Reports in Physics 61(2) (2009), 223–234.

7. REUNGCHAIWAT, A.,

WONGCHA-NAPIBOON, T., LIAWRUANGRATH, S., PHANICHPHANT, S., Home-made

detection device for a mixture of ethanol and acetone, Sensors 7 (2007) 202-213.

(5)

324

6. DISKUSI Safandi:

Bagaimana menentukan perhitungannya ?

Rifayanti Masitoh:

Pada awalnya dengan perhitungan sendiri, kemudian dibandingkan dengan perhitungan menggunakan HCPDS, ternyata hasilnya tidak terlalu berbeda secara signifikan.

Djoko Hadi P.:

Mengapa pemilihan suhunya 1000ºC?

Rifayanti Masitoh:

Pada suhu tersebut sensitifitasnya paling baik.