STUDI SINTESIS DAN KARAKTERISTIK FILM TIPIS ZnO
DENGAN METODE SOL-GEL SPIN COATING
DISERTASI
Oleh
NURDIN SIREGAR NIM 098108007/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
STUDI SINTESIS DAN KARAKTERISTIK FILM TIPIS ZnO
DENGAN METODE SOL-GEL SPIN COATING
DISERTASI
Oleh
NURDIN SIREGAR NIM 098108007/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
STUDI SINTESIS DAN KARAKTERISTIK FILM TIPIS ZnO
DENGAN METODE SOL-GEL SPIN COATING
DISERTASI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor Dalam Program Studi Doktor Ilmu Fisika Pada Program Pascasarjana
Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara
Oleh
NURDIN SIREGAR NIM 098108007/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PERNYATAAN ORISINALITAS
STUDI SINTESIS DAN KARAKTERISTIK FILM TIPIS ZnO DENGAN METODE SOL-GEL SPIN COATING
DISERTASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya disertasi ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan sumbernya dengan benar
Medan, Oktober 2015
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan dibawah ini :
Nama : Nurdin Siregar
NIM : 098108007
Program Studi : Doktor Ilmu Fisika Jenis Karya Ilmiah : Disertasi
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, ,menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Ekslusif (non- Exclusive
Royalty Free Right) Atas Disertasi saya yang berjudul :
STUDI SINTESIS DAN KARAKTERISTIK FILM TIPIS ZnO DENGAN METODE SOL-GEL SPIN COATING
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Non-Ekslusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola, dalam bentuk data base, merawat dan mempublikasikan disertasi saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan sebagai pemilik hak cipta
Demikian pernyataan ini diperbuat dengan sebenarnya
Medan, Oktober 2015
Telah diuji pada
Tgl : 03 Nopember 2015
PANITIA PENGUJI DISERTASI
Ketua : Prof Dr. Eddy Marlianto, M.Sc Anggota : 1. Dr. Saharman Gea, M.Sc
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
DATA PRIBADI
Nama lengkap berikut gelar : Drs. Nurdin Siregar, M.Si Tempat dan Tanggal Lahir : Limbong, 08 Juni 1958
Alamat Rumah : Jl. Gelas Gg Mangkok No 1 Me dan. 20118 HP : 081396178536
e-mail : nurdinfis @gmail.com Instansi Tempat Bekerja : FMIPA Unimed
Alamat Kantor : Jl. Willem Iskandar Psr V Medan 20221 Telp/Faks : (061) 6625970/(061) 6613319-6614002
DATA PENDIDIKAN
SD : SD Negeri 78 Tamat : 1971 SMP : SMP Negeri 6 Tamat : 1974 SMA : SMA Negeri 4 Tamat : 1976 Strata-1 : FMIPA IKIP Medan Tamat : 1983 Strata-2 : UGM Yogyakarta Tamat : 1991
DATA PEKERJAAN
1982 – 1986 : Staf Pengajar di SMA Negeri 4 Medan
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur disampaikan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas
rahmatNya sehingga dapat diselesaikan penulisan Disertasi S3 dengan judul
“Studi Sintesis dan Karakteristik Film Tipis ZnO dengan Metode Sol-Gel Spin
Coating”
Ucapan terima kasih yang setulusnya dan penghargaan yang setingginya
disampaikan kepada :
1. Prof. Subhilhar, Ph.D selaku Pejabat Rektor Universitas Sumatera Utara atas
kesempatan dan fisilitas yang diberikan untuk mengikuti dan menyelesaikan
pendidikan Program Doktor Ilmu Fisika.
2. Prof. Dr. Syawal Gultom, M.Pd selaku Rektor Universitas Negeri Medan yang
telah memberikan kesempatan dan ijin belajar kepada saya untuk mengikuti
program pendidikan Doktor Ilmu Fisika pada Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara.
3. Dr. Sutarman, M.Sc selaku Dekan FMIPA Universitas Sumatera Utara yang
telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk mengikuti studi di
Program Doktor.
4. Dr. Nasruddin MN, M,Eng.Sc selaku Ketua program S3 Fisika. dan komisi
Dewan Penguji Ujian Promosi Doktor atas fasilitas dan motivasi dalam
menyelesaikan pendidikan Program Doktor Ilmu Fisika.
5. Dr. Anwar Dharma sembiring, M.S selaku sekretaris Program Studi S3 dan
komisi Dewan Penguji Ujian Promosi Doktor atas fasilitas dan motivasi
dalam menyelesaikan pendidikan Program Doktor Ilmu Fisika.
6. Prof. Eddy Marlianto, M.Sc, Ph.D selaku Promotor, dengan kesabarannya
memberikan bimbingan, arahan, motivasi dan dorongan semangat untuk
ii
7. Dr. Saharman Gea, M.Sc selaku Co-Promotor I yang selalu meluangkan
waktu untuk memberikan bimbingan, arahan, motivasi, saran dan
ketelitiannya dalam menuangkan suatu tulisan ilmiah yang sistematis dan
logis atas terselesaikannya disertasi ini.
8. Prof. Drs.Motlan, M.Sc, Ph.D selaku Co-Promotor II yang telah banyak
meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan dan arahannya serta
semangat atas terselesaikannya disertasi ini.
9. Kepada semua Dosen Fisika Unimed atas dukungan dan motivasinya.
10. Kepada istriku tercinta Dra. Ratna Dewi Naibaho dan anakku tersayang
Ramos Kristianto Siregar, Willy Resnick Siregar, Bobby Owen Siregar dan
Nydia Pratiwi Siregar, atas doa dan dukungannya hingga terselesaikannya
disertasi ini.
11. Semua pihak yang telah membantu yang tidak dapat disebutkan satu -persatu
sampai terselesainya disertasi ini, semoga Tuhan membalas budi baik
melebihi ketulusan dan keiklasan yang telah diberikan
Menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan disertasi ini, untuk itu
diharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca untuk kesempurnaan
disertasi ini. Kiranya disertasi ini dapat memberi manfaat dan menambah
wawasan dan pengetahuan.
Medan, Oktober 2015
Hormat saya,
iii
STUDI SINTESIS DAN KARAKTERISTIK FILM TIPIS ZnO DENGAN METODE SOL-GEL SPIN COATING
ABSTRAK
Film tipis ZnO telah berhasil disintesis dengan metode sol-gel spin coating dan proses pencampuran dengan teknik refluks. Bahan yang digunakan Zinc acetat dehydrate {Zn(CH3COO)2 2H2O} sebagai material dasar, isopropanol sebagai
pelarut dan diethanolamine (DEA) sebagai penstabil. Zinc acetat dehydrate Zn(CH3COOH)2 2H2O dilarutkan oleh pelarut isopropanol dengan variasi
konsentrasi 0,6 M, 0,7 M dan 0,8 M lalu distabilkan dengan diethanolamine (DEA). Perbandingan molar antara DEA dan ZnAc adalah 1:1. Pembuatan film tipis ZnO dilakukan diatas substrat kaca dengan teknik spin coating dengan variasi kecepatan putaran 3000 rpm, 4000 rpm dan 5000 rpm, diputar selama 30 detik. Kalsinasi dilakukan dengan variasi suhu pre-heating 250oC, 300oC dan 350oC kemudian di post-heating dengan variasi suhu 500oC, 550oC dan 600oC. Hasil karakterisasi film tipis ZnO dengan XRD menunjukkan semua struktur kristal berbentuk wurtzite hexagonal dengan ukuran kristal paling besar untuk konsentrasi 0,8 M, kecepatan putaran 5000 rpm, suhu pre-heating 350oC dan suhu
post-heating 600oC masing-masing adalah 34,1 nm, 34,1 nm, 35,3 nm dan 40,2 nm. Hasil karakterisasi SEM dan AFM menunjukkan morfologi film tipis ZnO berbentuk butiran-butiran bulat dan hampir seragam dengan kekasaran permukaan yang paling kecil 32,104 nm. Hasil karakterisasi film tipis ZnO dengan UV-Vis menunjukkan nilai transmitansi tertinggi untuk konsentrasi 0,7 M; kecepatan putaran 4000 rpm, suhu pre-heating 250oC dan post-heating 600oC masing-masing adalah 50,1 %, 59,0 %, 48,1 %, 57,1 % dan 52,0 %. Nilai absorbansi tertinggi untuk konsentrasi 0,6 M; kecepatan putaran 3000 rpm, suhu pre-heating
250oC dan suhu post-heating 600oC masing-masing adalah 1,301; 1,188; 1,157 dan 1,224. Nilai celah pita energi yang paling kecil untuk konsentrasi 0,8 M; kecepatan putaran 5000 rpm, suhu pre-heating 250oC dan post-heating 550oC masing-masing adalah 3,13 eV, 3,10 eV, 3,12 eV dan 3,09 eV.
iv
STUDY OF SYNTHESIS AND CHARACTERISTIC OF ZnO THIN FILMS
WITH SOL-GEL SPIN COATING METHOD
ABSTRACT
.
ZnO thin films have been successfully synthesized by using sol-gel Spin coating and mixing processes with reflux technique. Materials used Zinc acetate dehydrate {Zn(CH3COO)2 2H2O} as the base material, isopropanol as a solvent
and diethanolamine (DEA) as stabilizer. Zinc acetate dehydrate {Zn(CH3COO)2
2H2O} dissolved by isopropanol solvent with the concentration variation of 0,6
M; 0,7 M; and 0,8 M then stabilized with diethanolamine (DEA). The molar ratio between the DEA and ZnAc is 1:1. ZnO thin films manufacturing is done over a glass substrate by spin coating with speed rotation variation 3000 rpm, 4000 rpm, and 5000 rpm, rotation for 30 seconds. Calcination was done by varying the pre-heating temperature 2500C, 3000C, and 3500C then in post-heating temperature with variaus 5000C, 5500C and 6000C. The result of ZnO thin films with XRD was found showed that all the crystal structures are wurtzite hexagonal with the biggest crystal size for the concentration of 0,8 M, spin speed is 5000 rpm, pre-heating temperature is 3500C and post-heating temperature is 6000C each of 34,1 nm, 34,1 nm, 35,3 nm and 40,2 nm. The results of SEM and AFM characterization showed the morphology of ZnO thin film shaped spherical granules and almost uniformly with the smallest surface roughness 32,104 nm. The result of ZnO thin film characterization with UV-Vis shows the highest transmittance values for concentration is 0,7 M; rotation speed is 4000 rpm; pre-heating temperature is 2500C and post-heating temperature is 6000C each of 59,0%; 48,1%; 57,1% and 52,0%. The highest absorbance values for concentration is 0,6 M; rotation speed is 3000 rpm; pre-heating temperature is 2500C and post-heating temperature is 6000C each of 1,301, 1,188, 1,157 and 1,224. The smallest values of the energy band gap is 0,8 M; rotation speed is 5000 rpm; pre-heating temperature 2500C and post heating temperature is 5500C each of 3,13 eV, 3,10 eV, 3,12 eV, and 3,09 eV.
v
2.1. Nanopartikel Seng Oksida 8
2.2. Struktur Kristal Dan Parameter Kisi ZnO 9
2.3. Celah Pita Energi 11
3.2. Alat dan Bahan Penelitian 32
3.3. Pembuatan Filim Tipis ZnO 33
3.4. Diagram Alur Penelitian 37
3.5. Karakterisasi Film Tipis ZnO 38
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Preparasi Film Tipis ZnO Dengan Metode
Sol-gel Spin Coating 40
4.2. Struktur dan Ukuran Kristal Film Tipis ZnO 41
4.3. Morfologi Film Tipis ZnO 53
vi
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan 82
5.2. Saran 83
DAFTAR PUSTAKA 84
vii
3.1. Alat-alat dalam pembuatan dan karakterisasi sampel 32
3.2. Bahan-bahan dalam pembuatan sampel 33
4.1. Ukuran kristal film tipis ZnO dengan Variasi konsentrasi 46
4.2. Ukuran kristal film tipis ZnO dengan Variasi kecepatan 47
4.3. Ukuran kristal film tipis ZnO dengan Variasi Pre-Heating 49
4.4. Ukuran kristal film tipis ZnO dengan Variasi Post-Heating 51
4.5. Indeks bias dan ketebalan film tipis dengan variasi
konsentrasi 66
4.6. Indeks bias dan ketebalan film tipis dengan variasi kecepatan 68
4.7. Indeks bias dan ketebalan film tipis dengan variasi
pre-heating
69
4.8. Indeks bias dan ketebalan film tipis dengan variasi
post-heating 71
4.9. Perhitungan α, E, dan (αE) untuk variasi konsentrasi larutan 73
4.10. Celah pita energi film tipis ZnO untuk variasi konsentrasi 74
4.11. Perhitungan α, E, dan (αE) untuk variasi kecepatan 75
4.12. Celah pita energi film tipis ZnO untuk variasi kecepatan 76
4.13. Perhitungan α, E, dan (αE) untuk variasi pre-heating 77
4.14. Celah pita energi film tipis ZnO untuk variasi pre-heating 78
4.15. Perhitungan α, E, dan (αE) untuk variasi post-heating 79
viii
2.2. Nanopartikel ZnO memancarkan warna yang berbeda jika
Ukurannya berbeda
12
2.3. Ilustrasi Pita Valensi, Konduksi dan Celah Pita Energi
bahan Semikonduktor
13
2.4. Mengilustrasikan tiga model dasar nukleasi awal dalam
Pertumbuhan film
16
2.5. Spektrum Serapan UV yang diperoleh dari sampel 21
2.6. Spektrum fotoluminesen PL yang diperoleh dari sampel 21
2.7. Diagram proses metode sol-gel 23
2.8. Spincoater 27
2.9. Tahap penetesan sol 29
2.10. Proses pre-heating dan post-heating 31
3.1 Pembuatan sol-gel dengan metode sol-gel dengan
Pencampuran teknik refluks 34
3.2. Proses pelapisan pada substrat gelas 35
3.3. Diagram alir penelitian 37
4.1. Sampel Film Tipis ZnO dengan suhu pre-heating 300oC 40
4.2. Sampel Film Tipis ZnO dengan suhu post-heating 500oC 40
4.3. Spektrum XRD film tipis ZnO dengan variasi konsentrasi 41
4.4. Spektrum XRD film tipis ZnO dengan variasi kecepatan 42
4.5. Spektrum XRD film tipis ZnO dengan variasi Pre-Heating 44
4.6. Spektrum XRD film tipis ZnO dengan variasi Post-Heating 45
4.7. Pengaruh konsentrasi larutan terhadap ukuran kristal 46
4.8. Pengaruh konsentrasi larutan terhadap nilai FWHM 47
ix
4.9. Pengaruh kecepatan putaran terhadap ukuran kristal 48
4.10. Pengaruh kecepatan putaran terhadap nilai FWHM 49
4.11. Pengaruh suhu pre-heating terhadap ukuran kristal 50
4.12. Pengaruh suhu pre-heating terhadap nilai FWHM 51
4.13. Pengaruh suhu post-heating terhadap ukuran kristal 52
4.14. Pengaruh suhu post-heating terhadap nilai FWHM 53
4.15. Foto SEM permukaan film tipis ZnO dengan perbesaran
1.500 x
4.25. Spektrum transmitansi untuk sampel dengan variasi
konsentrasi 0,6; 0,7 dan 0,8 M
60
4.26. Spektrum absorbansi untuk sampel dengan variasi
konsentrasi 0,6; 0,7 dan 0,8 M 60
4.27. Spektrum transmitansi untuk sampel dengan variasi
kecepatan 3000, 4000 dan 5000 rpm
61
4.28. Spektrum absorbansi untuk sampel dengan variasi
kecepatan 3000, 4000 dan 5000 rpm 62
4.29 Spektrum transmitansi untuk sampel dengan variasi
Pre-heating 250, 300 dan 350oC 63
4.30. Spektrum absorbansi untuk sampel dengan variasi
x
4.31. Spektrum transmitansi untuk sampel dengan variasi
Post-heating 500, 550 dan 600oC 64
4.32. Spektrum absorbansi untuk sampel dengan variasi
Post-heating 500, 550 dan 600oC 65
4.33. Pengaruh konsentrasi larutan terhadap ketebalan 66
4.34.
Pengaruh konsentrasi larutan terhadap indeks bias
Pengaruh kecepatan putaran terhadap ketebalan
Pengaruh kecepatan putaran terhadap indeks bias
Pengaruh suhu pre-heating terhadap ketebalan
Pengaruh suhu pre-heating terhadap indeks bias
Pengaruh suhu post-heating terhadap ketebalan
Pengaruh suhu post-heating terhadap indeks bias
Kurva (αhν)2
Kurva (αhν)
sebagai fungsi energi untuk variasi konsentrasi
Pengaruh konsentrasi larutan terhadap lebar celah pita
energi
2
Kurva (αhν)
sebagai fungsi energi untuk variasi kecepatan
Pengaruh kecepatan putaran terhadap lebar celah pita energi
2
Pengaruh pre-heating terhadap lebar celah pita energi sebagai fungsi energi untuk variasi pre-heating
Kurva (αhν)2
Pengaruh post-heating terhadap lebar celah pita energi sebagai fungsi energi untuk variasi
xi
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Lampiran
Judul Halaman
1 Spektrum XRD dari sampel dengan pelarut isopropanol,
konsentrasi 0,6 M, 5000 rpm, 300oC dan 500oC. 91
2 Kartu JCPDS 80-0075 95
3
4
Transmtansi hasil UV-Vis dari sampel dengan pelarut
Isopropanol, konsentrasi 0,8 M, 5000 rpm, 300oC dan
500o
Absorbansi hasil UV-Vis dari sampel dengan pelarut
Isopropanol, konsentrasi 0,8 M, 5000 rpm, 300 C.
o
C dan
500o
C
96
