Sintesis, Karakterisasi, dan Aplikasi Gold Nanoparticles (AuNPs) pada Penumbuhan Silicon Nanowires (SiNWs)

Sintesis, Karakterisasi, dan Aplikasi Gold Nanoparticles

(AuNPs) pada Penumbuhan Silicon Nanowires (SiNWs)

Asep Rohiman1,3, Buchari1, M.Bachri Amran1, Endang Juliastuti2, Irman Idris3

1

Kelompok Keilmuan Kimia Analitik, Program Studi Kimia, FMIPA ITB 2

Kelompok Keilmuan Instrumentasi dan Kontrol, Teknik Fisika, FTI ITB 3

Laboratorium Devais dan Pemrosesan IC, Pusat Mikroelektronika, ITB

Email : aseprohiman2010@gmail.com, asep.rohiman@students.itb.ac.id

Received :11 January 2014 Accepted : 19 February 2014

ABSTRAK

Penelitian mengenaigold nanoparticles (AuNPs) akhir-akhir ini semakin meningkat. Hal ini terjadi karena AuNPs memiliki banyak manfaat dan aplikasinya pada berbagai bidang, seperti : sensor, kedokteran (drug

delivery), divais elektronik dan sebagainya.Pada penelitian ini Au-NPs telah

berhasil disintesis dengan menggunakan metodeTurkevich. Pada tahap awal, larutanHAuCl4telah disiapkan dengan cara melarutkankawat emas(99,99%) ke dalam gelas kimia yang berisi aqua regia. Kemudian, sejumlah0,17mLlarutan HAuCl41% ditambahkan ke dalam 200 mL

aquabidest lalu dipanaskan sampai mendidih. Selanjutnya, ditambahkan

10mL natrium sitrat sambil diaduk konstan. Perubahan warna terjadi setelah satu menit dari penambahan sodium sitrat, larutan berubah dari kuning bening menjadi abu-abu, ungu, danberwarna merah pada produk akhir.Parameter – parameter yang telah diteliti pada sintesis Au-NPs ini yaitu pengaruh temperatur, pengadukan, dan konsentrasi sodium sitrat terhadap kesetabilan dan ukuran AuNPs yang terbentuk.Hasil AuNPsdikarakterisasi menggunakan ScanningElectron Microscope (SEM).Berdasarkan data SEM, diameter rata – rata AuNPs yang dihasilkan

adalah~20–27nm. Semakin tinggi temperatur dan proses pengadukan menghasilkan AuNPs dengan ukuran yang semakin kecil.Temperatur dan pengadukan optimum secara berurutan diperoleh 150 0C dan 280 rpm.Selanjutnya, AuNPs telah berhasil digunakan sebagai katalis untuk aplikasi penumbuhan Silicon Nanowires(SiNWs).

PENDAHULUAN

Partikel nano logam mulia telah diteliti secara intensif sejak 15 tahun yang lalu. Sifat fotonik dari partikel nano emas dan perak sangat menarik perhatian para peneliti di dunia terutama untuk aplikasi material baik dalam bidang biokimia maupun dalam bidang biomedis. [1]. AuNPs dapat disintesis baik secara kimia yaitu dengan mereduksi emas dalam bentuk garamnya, maupun secara fisika pada emas dalam bentuk ruahnya. Au-NPs mempunyai kelebihan yang menonjol dibandingkan emas dalam bentuk ruahnya, yaitu mempunyai sifat optik dan elektronik dengan toksisitas yang rendah.Sifat optoelektronik AuNPs meningkat dari ukuran, bentuk, dan lingkungan lokalnya. Sifat yang lainnya yaitu memberikan akses langsung pada sensor,dapat berubah sifat konduktivitas, Surface Plasmon Resonance(SPR), dan karakteristik redoksnya ketika berikatandenganmaterial disekitarnya,[2].

Larutan AuNPs memberikan rentang warna dari merah, coklat, hingga ungu seiring dengan peningkatan ukuran inti dari 1 nm sampai 100 nm. Pada umumnya AuNPs memberikan puncak absorpsi plasmon permukaan yang kuat dari 500 – 550 nm yang muncul dari osilasi kolektif pada elektron konduksi sehingga terjadi eksitasi resonan yang menghasilkan foton. Pita plasmon permukaan tidak muncul pada material dalam bentuk ruahnya. Teori Mie pada SPR telah dibuktikan dengan hasil eksperimen bahwa SPR sangat bergantung pada interaksi partikel nano dengan partikel yang lainnya, dengan pergeseran pita merah (red-shifting) dan pelebaran karena terjadi coupling antar partikel [2]. Sehingga sangat prospektif untuk digunakan sebagai material dasar dalam pembuatan sensor baik untuk biosensor maupun sensor kimia.

Gambar 1. Skema yang merepresentasikan osilasi elektron konduksi melalui partikel nano dalam medan elektromagnetik ketika disinari cahaya.[2]

Mengingat begitu banyaknya aplikasi dari AuNPs terutama pada bidang sensor maka pada penelitian ini dilakukan sintesis dan optimasi kondisi pembuatan AuNPs serta aplikasinya terhadap penumbuhan SiNWs. Adapun parameter yang telah diteliti pada sintesis Au-NPs ini yaitu pengaruh temperatur, laju pengadukan, dan konsentrasi sodium sitrat terhadap kestabilan dan ukuran AuNPs yang terbentuk.

Selanjutnya produk AuNPs yang diperoleh langsung digunakan sebagai katalis pada penumbuhan SiNWs menggunakan LPCVD dengan metode

vapor-liquid-solid (VLS).

METODOLOGI PENELITIAN Bahan dan Peralatan

Bahan yang digunakan adalah trisodium sitrat, HNO3 p.a, HCl p.a, kawat emas 99,99 %, kloroform, DI H2O, toluene, H2O2, metanol. Alat-alat yang digunakan adalah gelas kimia, Erlenmeyer, batang pengaduk, spatula, hotplate+magnetic stirrer yang dilengkapi dengan termostat, serta alat-alat penunjang lainnya (spektrofotometer UV-vis, SEM, Refraktometer, dan LPCVD).

Metode

Sintesis gold nanoparticles (Au-NPs)

Larutkan 0,1 gram kawat emas 99,99% dalam 100 ml larutan aqua regia. Kemudian dipanaskan hingga mendidih sambil diaduk hingga diperoleh larutan homogen HAuCl4 1 %. Selanjutnya, 0,17 ml HAuCl4 1% ditambahkan ke dalam DI H2O yang sedang mendidih sambil diaduk pada 280 rpm selama ~5 menit hingga larutan homogen. Kemudian tambahkan larutan sodium sitrat secara perlahan sehingga terjadi perubahan warna dari kuning bening, abu-abu, ungu dan merah anggur.[3]

Aplikasi AuNPs pada Penumbuhan Si-Nanowires (SiNWs)

Selanjutnya AuNPs digunakan sebagai katalis untuk menumbuhkan SiNWs. Sebelumnya dilakukan pendeposisian AuNPs diatas substrat (silicon wafer). Substrat yang telah dideposisikan AuNPs ditempatkan pada tungku (hot

chamber) LPCVD yang dipanaskan pada suhu eutektik dan dialirkan gas SiH4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Sintesis Partikel Nano emas (Au-Nps)

Larutan HAuCl4 1 % diperoleh dengan cara melarutkan sebanyak 0,1 gram kawat emas 99,99% ke dalam 100 mL larutan aqua regia. Kemudian proses pemanasan menggunakan hot plate hingga mendidih sambil diaduk, dilakukan untuk melepaskan gas NOX dan Cl2 sehingga didapatkan larutan homogen HAuCl4 1 %. Selanjutnya, larutan AuNPs dibuat dengan cara memipet sebanyak 0,17 mL HAuCl4 1% ke dalam gelas kimia 250 mL yang sudah terisi

DI H2O yang mendidih sambil diaduk pada 280 rpm selama kurang lebih 5 menit hingga larutan homogen. Kemudian larutan sodium sitrat ditambahkan secara perlahan sehingga terjadi perubahan warna dari kuning, bening, abu-abu, ungu, dan merah anggur seperti tampak pada gambar 2. di bawah ini.Larutan sodium sitrat berfungsi sebagai agen stabilizer. Pada gambar 2.f. menunjukkan larutan AuNPs yang mengendap berwarna ungu. Hal ini disebabkan karena kondisi sistem tidak mendukung proses pembentukan AuNPs dengan sempurna. Seperti jumlah agen stabilizer yang ditambahkan masih kurang, sehingga terjadi proses aglomerasi. Sedangkan pada gambar 2.e tampak larutan AuNPs berwarna merah anggur berhasil disintesis.

Gambar 2. Perubahan warna larutan pada proses sintesis Au NPs. Berdasarkan hasil karakterisasi menggunakan SEM, temperatur sistem mempunyai pengaruh yang besar terhadap produk AuNPs yang dihasilkan.Peningkatan temperatur berbanding terbalik dengan ukuran diameter dan kestabilan dari AuNPs, seperti tampak sangat jelas pada gambar 3dan tabel

IV.1.1. Semakin tinggi temperatur sistem pada proses síntesis AuNPs,

menghasilkan AuNPs yang mempunyai diameter yang lebih kecil. Hal ini dapat terjadi karena apabila temperatur meningkat maka energi kinetik partikel pada sistem juga akan meningkat sehingga AuNPs akan relatif lebih sulit untuk mengalami proses aglomerasi. Akan tetapi, AuNPs yang terbentuk menjadi kurang stabil. Sehingga hanya dalam waktu 3 - 5 hari disimpan, sudah membentuk endapan yang berwarna ungu kebiruan. Oleh karena itu, temperatur optimum sistem agar menghasilkan AuNPs yang stabil adalah 150 0

C.

a b c

Gambar 3 Foto SEM yang menunjukkan pengaruh temperatur terhadap ukuran diameter AuNPs yang terbentuk.(Rohiman, A.,dkk, 2011). Tabel 1. Pengaruh Kenaikan Temperatur terhadap Kestabilan (

AuNPs

Temperatur (oC) Stirring rate (rpm) Life Time

120 280 < 1 minggu

150 280 >2 bulan

180 280 < 4

210 280 < 3

Sedangkan apabila dilakukan studi mengenai pengaruh kecepatan pengadukan pada system ketika proses sintesis AuNPs berlangsung. Peningkatan kecepatan pengadukan sangat mempengaruhi ukuran diameter AuNPs yang terbentuk.Semakin tinggi kecepatan pengadukan menghasilkan AuNPs dengan ukuran diameter yang semakin kecil, dapat dilihat pada gambar 4.

disebabkan karena pada saat kecepatan pengadukan yang tinggi, AuNPs yang terbentuk akan lebih sulit untuk mengalami proses aglomerasi. Akan tetapi, berdasarkan data eksperimen kecepatan pengadukan ternyata tidak mempunyai pengaruh yang sangat signifikan terhadap kestabilan AuNPs yang terbentuk, seperti tampak dengan sangat jelas pada tabel 2. Pada kecepatan pengadukan di atas 280 rpm pun AuNPs yang dihasilkan tetap stabil di atas 2 bulan masih bagus.

Foto SEM yang menunjukkan pengaruh temperatur terhadap ukuran diameter AuNPs yang terbentuk.(Rohiman, A.,dkk, 2011). Tabel 1. Pengaruh Kenaikan Temperatur terhadap Kestabilan (Life Time)

Life Time AuNPs

< 1 minggu >2 bulan < 4-5 hari < 3-5 hari

Sedangkan apabila dilakukan studi mengenai pengaruh kecepatan pengadukan pada system ketika proses sintesis AuNPs berlangsung. Peningkatan kecepatan pengadukan sangat mempengaruhi ukuran diameter AuNPs yang ghasilkan AuNPs dengan

gambar 4.. Hal ini

disebabkan karena pada saat kecepatan pengadukan yang tinggi, AuNPs yang terbentuk akan lebih sulit untuk mengalami proses aglomerasi. Akan tetapi, data eksperimen kecepatan pengadukan ternyata tidak mempunyai pengaruh yang sangat signifikan terhadap kestabilan AuNPs yang terbentuk, Pada kecepatan pengadukan di tap stabil di atas 2 bulan masih

Gambar 4. Foto SEM yang menunjukkan pengaruh kecepatan pengadukan (stirring rate) terhadap ukurandiameter AuNPs yang terbentuk

A.,dkk, 2011)

Tabel 2. Pengaruh Kenaikan Temperatur terhadap Kestabilan ( AuNPs

Temperatur (oC) Stirring rate (rpm) Life Time

150 280 >2 bulan

150 380 >2 bulan

150 480 >2 bulan

150 580 >2 bulan

Penambahan jumlah sodium sitrat pada proses sintesis AuNPs mempengaruhi bentuk dari AuNPs yang dihasilkan. Semakin banyak sodium sitrat yang ditambahkan maka akan semakin banyak AuCl4- yang tereduksi menjadi Au Seharusnya ukuran diameter AuNPs menjadi semakin kecil.Namun, berdasarkan data hasil karakterisasi SEM, diameter AuNPs malah

semakin besar seiring dengan penambahan sodium sitrat, seperti tampak pada

Gambar 5. Hal ini terjadi kemungkinan karena kelebihan sodium sitrat

berfungsi sebagai stabilizer tidak lagi sebagai agen pereduksi sehingga akan melindungi AuNPs seperti halnya konsep pembentukan misel pada sabun (surfaktan) dengan kotoran/noda. Oleh karena itu, AuNPs yang dihasilkan membentuk kelompok atau unit yang dilingkupi oleh sitrat sehingga yang teramati pada foto SEM, berdiameter lebih besar.

Gambar 5. Foto SEM yang menunjukkan pengaruh penambahan massa sodium sitrat terhadap ukuran diameter AuNPs yang terbentuk. Aplikasi AuNPs pada Penumbuhan Si-Nanowires (SiNWs)

Metode yang umum digunakan untuk mensintesis nanowire adalah teknik

vapor-liquid-solid (VLS) yang pertama dikembangkan di tahun 1963.

Nanowire ditumbuhkan dengan bantuan katalis diatas substrat dengan menggunakan gas SiH4 sebagai sumber silikon. Substrat yang telah dideposisikan nano-partikel emas ditempatkan pada tungku (hot chamber dipanaskan pada suhu eutektik dan dialirkan gas SiH4. Akibatnya, gas tersebut

Foto SEM yang menunjukkan pengaruh kecepatan pengadukan ) terhadap ukurandiameter AuNPs yang terbentuk. (Rohiman,

Tabel 2. Pengaruh Kenaikan Temperatur terhadap Kestabilan (Life Time)

Life Time AuNPs

>2 bulan >2 bulan >2 bulan >2 bulan

Penambahan jumlah sodium sitrat pada proses sintesis AuNPs mempengaruhi AuNPs yang dihasilkan. Semakin banyak sodium sitrat yang yang tereduksi menjadi Au(S). Seharusnya ukuran diameter AuNPs menjadi semakin kecil.Namun, berdasarkan data hasil karakterisasi SEM, diameter AuNPs malah menjadi semakin besar seiring dengan penambahan sodium sitrat, seperti tampak pada Hal ini terjadi kemungkinan karena kelebihan sodium sitrat tidak lagi sebagai agen pereduksi sehingga akan lnya konsep pembentukan misel pada sabun (surfaktan) dengan kotoran/noda. Oleh karena itu, AuNPs yang dihasilkan membentuk kelompok atau unit yang dilingkupi oleh sitrat sehingga yang

yang menunjukkan pengaruh penambahan massa sodium sitrat terhadap ukuran diameter AuNPs yang terbentuk.

(SiNWs)

Metode yang umum digunakan untuk mensintesis nanowire adalah teknik ertama dikembangkan di tahun 1963. Nanowire ditumbuhkan dengan bantuan katalis diatas substrat dengan sebagai sumber silikon. Substrat yang telah

hot chamber) yang

akan terurai dan atom-atom silikon akan bercampur pada emas yang telah mencair. Disaat konsentrasi silikon dalam campuran telah mencapai titik saturasi, silikon akan beralih menuju fase padat dan menghasilkan struktur nanowire. Gambar 6. menunjukkan diagram fasa silikon dan emas serta skema penumbuhan nanowire silikon dengan katalis nano-partikel emas.

Gambar 6. Diagram fasa silikon – emas yang menunjukkan titik eutektik kedua material. Kemudian pada bagian bawah grafik ditunjukkan skema penumbuhan nanowire silikon dengan katalis emas.

Gambar 7. Instrumen LPCVD yang digunakan untuk menumbuhkan SiNWs.

Gambar 8. Foto SEM SiNWs pada substrat Si <100> . (a) SiNWs dengan waktu dip-coating selama 3 jam dengan proses penumbuhan selama 10 menit. (b) SiNWs dengan waktu dip-coating selama 6 jam dengan proses penumbuhan selama 10 menit.

KESIMPULAN

Au-NPs telah berhasil disintesis dengan rentang diameter ±13 - 40 nm. Peningkatan temperatur berbanding terbalik dengan ukuran diameter AuNPs yang dihasilkan. Semakin tinggi temperatur, maka ukuran diameter AuNPs yang terbentuk menjadi semakin kecil. Karena energi kinetiknya menjadi semakin besar sehingga AuNPs sulit untuk mengalami aglomersasi. Kemudian, untuk parameter kecepatan pengadukan diperoleh bahwa semakin tinggi kecepatan pengadukan maka ukuran diameter AuNPs yang terbentuk menjadi semakin kecil karena semakin sulit AuNPs mengalami aglomerasi. Jumlah sodium sitrat mempengaruhi ukuran diameter Au-NPs yang terbentuk. Semakin besar massa sodium sitrat yang ditambahkan maka dihasilkan AuNPs dengan ukuran diameter yang semakin besar.

Selanjutnya, telah berhasil juga menumbuhkan SiNWs sebagai salah satu aplikasi AuNPs sebagai katalis dengan metode VLS.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Hirsch, L.R. et al. Proc.Natl.Aca.Sci, U.S.A. 2003; 100, 13549-13554 [2] Chang-Cheng You, Sarit S. Agasti, Vincent M. Rotello. Chemical and

Biological Sensing Using Gold Nanoparticles. Nano and Microsensors for Chemical and Biological Terrorism Surveillance.Edited by Jeffrey B.-H. Royal Society of Chemistry 2008; 29 – 50.

[3] Asep Rohiman, Isa Anshori, Akhmadi Surawijaya, dan Irman Idris., (2011)., Study of Colloidal Gold Synthesis using Turkevich Method. 4th Nanoscience and Nanotechnology Symposium (NNS), Bali.2011.

American Institute of Physics (AIP)Conf. Proc. 1415, 39-42.

[4] N. R. Jana., L. Gearheart, and C. J. Murphy. Chem.Mater. 2001, 13, 2313. [5] B. Nikoobakht and M. A. El-Sayed. Chem.Mater. 2003, 15, 1957.

[6] E.E. Connor, J. Mwamuka, A. Gole, C. J. Murphy, and M.D. Wyatt. Small. 2005, 1, 325.

[7] M. Brust., M. Walker., D. Bethell., D. J. Schiffrin., and R. Whyman. J.

Chem. Soc., Chem. Commun. 1994, 801.

[8] G. Schmid, R. Pfeil, R. Boese, F. Bandermann, S. Meyer, G. H .M. Calis, J. W. A. Van der Velden. Chem. Ber. 1981, 114, 3634.

[9] J. Lyklema,” Fundamentals of Interface and Colloid Science”, Volume 1, Academic Press, 1993.

[10] J. Turkevich, Gold Bull. 18, 86, 1985.; J. Turkevich, Gold Bull. 18, 125, 1985.

[11] Isaac Ojea-Jimenez, et. al.J. Phys. Chem. C. 114 (4), 1800-1804 (2010). [12] J. Kimling, M. Maier, B. Okenve, V. Kotaidis, H. Ballot, and A. Plech, J.

Chem. B. 110, 15700-15707 (2006).

[13] J. Turkevich, P. C. Stevenson, and J. Hillier, Discuss.Faraday. Soc 11, 55-75 (1951).