Pengaruh Pemanasan Terhadap Sifat Optik Dan Struktur Kristal ZnO/TiO 2 dengan Metode Spin Coating

Pengaruh Pemanasan Terhadap Sifat Optik Dan Struktur Kristal

ZnO/TiO

2

dengan Metode Spin Coating

Musfitasari, P.L. Gareso, Eko Juarlin Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Hasanuddin

Email :Musfitasari1@gmail.com

Effect of Annealing To Optical and Structure Characterization Of

ZnO/TiO

2

By Spin Coating Method

Musfitasari, Eko Juarlin, P.L. Gareso, Eko Juarlin Department of physics, Hasanuddin University1

Email :Musfitasari1@gmail.com

Abstrak: Lapisan tipis ZnO/TiO2 telah dideposisikan diatas substrat kaca dengan memvariasikan suhu pemanasan menggunakan metode sol-gel spin coating. Pembuatan larutan ZnO dilakukan dengan melarutkan seng asetat dehidrat kedalam larutan ethanol lalu ditambahkan triethanolamin.Sedangkan pembuatan larutan TiO2 dilakukan dengan melarutkan titanium tetraisiproxide kedalam ethanol lalu ditambahkan asam asetat.Larutan ZnO sebagai lapisan pertama dideposisikan terlebih dahulu diatas substrat kaca kemudian dilanjutkan larutan TiO2. Suhu pemanasan yang digunakan adalah 300

0

C, 4000C, 5000C dan 6000C selama 60 menit. Karakterisasi lapisan tipis ZnO/TiO2menggunakan XRD,spektrofotometer Uv-Vis dan SEM. Hasil Uji XRD menunjukan struktur kristal ZnO berbentuk heksagonal wurtzite dan untuk TiO2 berbentuk tetragonal anatase. Karakterisasi menggunakan spektrofotometer UV-Vis menunjukan bahwa pemanasan suhu mempengaruhi sifat optik lapisan tipis ZnO/TiO2 dengan nilai celah pita energi yang diperoleh masing-masing sebesar 3,2 eV, 3,17 eV, 3,142 eV dan 3,159 eV.Hasil SEM menunjukkan ketebalan lapisan ZnO/TiO2adalah 20µm.

Kata kunci : Lapisan tipis ZnO/TiO2, spin coating, celah pita energi.

Abstrack: ZnO/TiO2thin films have been deposited on a glass substrate using sol-gel spin coating method. ZnO layers were prepared by dissolving Zinc Acetate Dehydrated into a solvent of ethanol and then added triethanolamin. For preparing TiO2precursor,Titanium tetraisiproxide was dissolved into ethanol and then added an acetic acid.ZnO layer as a first layer were deposited on a glass substrates and then followed by TiO2layer. The ZnO/TiO2 bilayers were heated at various temperature 300

0

C, 4000C, 5000C and 6000 C respectively for 60 minutes.Characterization of ZnO / TiO 2 thin film using XRD, spectrophotometer Uv-Vis and SEM.XRD result show that structure of ZnO film is hexagonal wurtzite and structure of TiO2 film is tetragonal anatase.The optical properties of ZnO/TiO2 were characterized using Uv-Vis spectrophotometer.The results showed that the temperature influence the optical properties of a of ZnO/TiO2thin films. The band gap energy of the ZnO/TiO2thin films respectively has been determined about 3.2 eV, 3.17 eV, 3,142 Ev and 3,159 eV.SEMresultshowedZnO/TiO2 thin film thickness was20 µm.

Keywords: ZnO/TiO2thin films, spin coating, band gap energy.

Pendahuluan

Perkembangan teknologi saat ini semakin pesat. Perkembangan ini dapat dilihat dimana para peneliti berlomba-lomba melahirkan inovasi dalam segala

bidang. Salah satu diantaranya adalah pengembangan dalam bidang teknologi material. Banyak penelitian tentang material yangfokus pada bahan semikonduktor[1,2,3,8]. Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan pita energi

yang berada diantara isolator dan konduktor (Eg = ± 1-5,6 eV).

Salah satu material yang digunakan dalam semikonduktor adalah ZnO/TiO2. ZnO/TiO2dianggap sangat cocok dalam penggabungan bahan semikonduktor karena lapisan tipis ZnO dan TiO2 memiliki pita energi lebar, indeks bias tinggi, stabilitas tinggi dan katalis yang baik.ZnO/TiO2memiliki keunggulan pada aplikasinya yaitu sebagai sensor, fotokatalis dan fotovoltaik[1,2,3].

Penelitian tentang ZnO/TiO2 telah dilakukan oleh beberapa peneliti. Human Yuda Aditya bersama dengan Heri Susanto (2014) telah melakukan penelitian analisis sifat optik ZnO/TiO2 dengan metode

Spray Coating. Penelitian tersebut

memvariasikan konsentrasi ZnO pada pembuatan lapisan tipis ZnO/TiO2[1]. Lie Shao (2012) bersama dengan rekannya juga telah melakukan penelitian srtuktur kristalTiO2/ZnOdengan metode Pulse

Laser Deposition. Penelitian tersebut

melakukan perbandingan struktur kristal dan sifat optik antara TiO2, ZnO dan TiO2/ZnO[2].Selain penelitian tersebut, S.A. Siuleiman (2013) bersama dengan rekannya juga telah melakukan penelitian untuk menganalisis sifat dan struktur kristal ZnO/TiO2 dengan metode spin

coatingdengan memvariasikan kecepatan spin coating[3].

Berdasarkan penjelasan tersebut, dalam penelitian ini dibuat lapisan tipis ZnO/TiO2 denganmemvariasikan pemanasan yaitu pada suhu 300oC, 400oC, 5000C dan 600oC. Proses pembuatan menggunakan metode sol gelspin coating.

Sol-gelspin coting adalah metode untuk

membuat lapisan dari bahan polimer

photoresist yang dideposisikan pada

permukaan silikon dan material lain yang berbentuk wafer. Pada penelitian ini, dilakukan pengamatan pengaruh pemanasan terhadap sifat optik seperti

lebar celah pita energi dan struktur kristal ZnO/TiO2.

2. Eksperimen

Penelitian dilakukan melalui 3 tahap yaitu pembuatan prokursor ZnO dan TiO2, proses pelapisan (deposisi) ZnO/TiO2 di atas substrat kaca dengan menggunakan metode spin coating, serta karakterisasi lapisan ZnO/TiO2 menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Pembuatan larutan ZnO dan TiO2 menggunakan metode sol gel. Molaritas larutan ZnO

sebesar 1,5 M. Pembuatan prekursor ZnO dilakukan dengan melarutkan zinc acetate

dehydrate(Zn(CH3COO)2.2H2O) ke dalam larutan etanol. Larutan tersebut diaduk di atas Hotplate Magnetic Stirrer selama 60 menit pada suhu 80oC dengan laju 1100 rpm. Larutan yang telah diaduk kemudian ditambahkan dengan 0,6 ml TEA (trietanolamine). Larutan tersebut diaduk kembali diatas hotplat selama 6 jam dengan suhu 80oC. sedangkan untuk pembuatan prekursor TiO2 dilakukan dengan melarutkan 1,5 ml Titanium Tetraisoproxide (TTIP) ke dalam 10 ml

etanol. Campuran tersebut diaduk di atas Hotplate Magnetic Stirrer selama 60 menit pada suhu 80oC. Larutan yang telah diaduk kemudian ditambahkan 0,1 ml acetat acid, kemudian diaduk kembali diatas hotplate selama 5 jam pada suhu 80oC dengan laju 1100 rpm.

Proses pelapisan ZnO/TiO2 di atas substrat kaca dilakukan dengan metode spin coating. Sebelum pelapisan dilakukan substrat kaca dibersihkan terlebih dahulu menggunakan HCl yang telah dilarutkan dalam aquades.Substrat kaca diletakkan diatas pelat spin coaterkemudian prekursor ZnO diteteskan diatas substrat kemudiandiputar selama 15 detik pada laju 3000 rpm. Substrat film ZnOdikeringkan pada suhu 300 oC selama 10 menit di atas

hotplate.Selanjutnya prekursor TiO2

dideposisi diatas kaca yang sudah terbentuk lapisan ZnO.Lapisan tipisbilayer

ZnO/TiO2dikeringkan pada suhu 300 oC

selama 10 menit di atas

hotplate.Pemanasan dilanjutkan

menggunakan furnace dengan memvariasikan suhu yakni pada suhu 300 o

C, 400 oC dan 500 oC.Sampel kemudian dikarakterisasi menggunakan spektrometer UV-Vis, XRD dan SEM.

3.Hasil dan diskusi

3.1. Hasil Uji Karateristik X-Ray Diffraction (XRD)

Gambar 1 menunjukkan pola difraksi XRD ZnO dan TiO2 pada suhu 5000C. Pola difraksi ZnO terdapat 3 puncak yang dominan yaitu pada puncak (100), (002) dan (101), sedangkan pola difraksi TiO2 hanya menunjukkan satu puncak pada (011). Pola-pola difraksi ini menunjukkan lapisan ZnO/TiO2 telah mengalami proses kristalisasi.

Gambar 1. Pola difraksi XRD ZnO dan TiO2pada suhu 500

0 C

Gambar 2 memperlihatkan pola difraksi XRD pada lapisan ZnO/TiO2 dengan variasi suhu dari 3000C sampai dengan 6000C.Pola difraksi ZnO terbentuk pada 2θ yaitu 32,390

, 35,110, dan 36,930 masing-masing pada bidang (100), (002) dan (101), untuk pola difraksi TiO2 terbentuk pada 2θ yaitu 25,330

pada bidang (011).

Gambar 2. Pola difraksi XRD ZnO/TiO2 setelah smooth pada suhu 3000C, 4000C, 5000C dan 6000C

Berdasarkan gambar 2 terjadinya pergeseran sudut puncak.Selain pergeseran sudut puncak, juga terlihat nilai intensitas pola difraksi yang lebih rendah pada suhu 3000C dibandingkan dengan suhu 4000C 5000C dan 6000C.Hal ini disebabkan pada suhu 3000C struktur ZnO/TiO2 dominan bersifat amorf.

Ukuran butir kristal dari pola difraksi pada gambar IV.3 didapat dengan menerapkan persamaan.

ܦ = _{ఉ ୡ୭ୱఏ}௄ఒ (1)

D adalah ukuran butir kristal, K adalah konstanta (0.89), λ adalah panjang gelombang (1,54056 Å), θ adalah sudut difraksi, dan β adalah puncak setengah maksimum (FWHM) masing-masing puncak.

Gambar 3. Grafik pengaruh suhu terhadap ukuran butir kristal ZnO/TiO2

3.2. Hasil Uji Karakterisasi Spektrometer UV-Visual

Sifat optik (transmitansi dan absorbansi) dari lapisan ZnO/TiO2diamati dengan menggunakan SpektrometerUV-Vis dengan rentang panjang gelombang antara 300nm hingga 800 nm.Transmitansi lapisan tipis ZnO/TiO2 ditunjukkan pada gambar 4.Hasil pengukuran pada gambar 4 memperlihatkan pada sampel 3000C, 4000C,5000C dan 6000C, masing-masing akan meneruskan cahaya pada18-77%, 6-77%, 1-79%, 5-71%. Dari hasil yang didapat terlihat bahwa suhu mempengaruhi terjadinya pergeseran pada daerah penyerapan walaupun tidak begitu signifikan.Perubahan transmitansi yang cukup tajam terjadi pada rentang panjang gelombang 360-480 nm. Pergeseran daerah penyerapan ini akan berpengaruh pada nilai pita energi yang dihasilkan.

Gambar 4. Spektrum transmitansi ZnO/TiO2

Untuk menentukan nilai celah pita energi dilakukan pengaplotan antara (αhν)2_{dengan hν untuk masing-masing} sampel serta mengekstrapolasi bagian linier dari kurva ke sumbu hv. Gambar 2 menunjukkan hasil Touc plot antara antara (αhν)2_{dengan hν pada suhu 300}0

C, 4000C, 5000C dan 6000C. Dari hasil pengaplotan tersebut diperoleh nilai celah pita energi (Eg) pada suhu 3000C, 4000C,5000C dan

6000C secara berturut-turut yaitu 3,2 eV, 3,17 eV, 3,142 eV dan 3,159 eV.

Gambar 5. Nilai celah pita energi (Eg)

Gambar 6.Pengaruh suhu terhadap nilai celah pita energi.

Berdasarkan gambar 6 pergeseran nilai celah pita energi (Eg) pada penelitian

ini dipengaruhi oleh suhu pemanasan pada sampel, secara teori meningkatnya suhu pemanasan menyebabkan nilai pita energi semakin kecil.Namun pada suhu 6000C terjadi peningkatan nilai celah pita energi yang disebabkan oleh substrat kaca yang digunakan mengalami pemuaian. Hal ini disebabkan oleh energi termis vibrasi di jaringan atom yang bertambah besar mengakibatkan jarak-jarak atom juga bertambah besar dan memperkecil nilai celah pita energi suatu material.

3.3 Hasil Uji(SEM)

Untuk melengkapi hasil transmitans optik UV-Vis,spektrum X-RD dilakukan penghitungan ketebalan sampel dengan menggunakan scanning elektron microscopy (SEM). Ketebalan sampel yang diperoleh yaitu 20µm.

Gambar 7. Hasil SEM

4. Kesimpulan

Lapisan ZnO/TiO2 telah berhasil dibuat dengan metode sol gel spin coating di atas substrat kaca dengan memvariasikan suhu pemanasan. Struktur kristal yang terbentuk pada lapisan ZnO/TiO2 adalah untuk ZnO struktur kristal berbentuk heksagonal wurtzite dan untuk TiO2 struktur kristal berbentuk tetragonal anatase.Nilai pita energi (Eg) pada

suhu 3000C, 4000C, 5000Cdan 6000C masing-masing secara berturut-turut yaitu 3,2 eV, 3,17 eV, 3,142 eV, 3,159 eV. Hasil penelitian ini menunjukkan semakin tinggi suhu pemanasan nilai pita energi semakin kecil.

Refrensi

1. Aditya, Hanun Y et al, 2014,

Analisis Sifat Optik Lapisan tipis

Bilayer ZnO/TiO2 yang

Diposisikan Menggunakan Metode

Sol-Gel Spray Coating dan

Aplikasinya sebagai Fotodegradasi

Zat Warna, Youngster Physics

Journal, vol 3, no 3 hal 223-230. 2. Zhao, Lie et al, 2012, Structure and

Photocatalysis of TiO2/ZnO

Double-Layer Film Prepared by Pulsed Laser Deposition, Material

transactions, The Japan Intitute Metals, vol 53, no 3, hal 463-468.

3. Siuleiman, S.A et al, (2013),

Nanosized composite ZnO/TiO2

thin films for photocatalytic

applications, Bulgarian Chemical

Communications, vol 45, no 4, hal 649-654.

4. Yacobi, B.G., 2004, Semiconductor

Materials An Introduction to Basic

Principles,Kluwer Academic

Publishers New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow, ISBN: 0-306-47942-7.

5. Moudgil, Harish K et al, 2014,

Textbook of Physical Chemistry,

Second Edition, Delhi: PHI Learning Private Limited. ISBN: 978-81-203-5062-5.

6. Klingshirn, C., 2007, Fundamental

Properties of ZnO Nanostructures.

Weinhelm, Inter Science, hal 1-19, DIO: 10.1002/CPHC 200700002. 7. Licciulli, Dott Antonio et al, 2002,

Self-Cleaning Glass, Università

Degli Studi Di Lecce.

8. Tang, H et al, 1993, Ellectrical

and optical properties of Ti02

anatase thin films, Institut de

Physique Applique, Ecole Poiytechnique Fiderale de Lausanne, CH-1015 Lausanne, Switzerlan. Vol 75. No 4.

9. Fakuda, Mitsuo, 1998, Optical

Semiconductor devices, United

States Of Amerika, ISBN: 0-471-14959-4.

10. Pudjaatmaka, A. Hadyana dan L. Setiono, 1994, Vogel: Kimia Analisis Kuantitatif Anorganik, Kedokteran EGC: Jakarta, ISBN: 979-448-228-5

11. Sanda, Filip M et al, 2012, Base

Theory For Uv-Vis

Spectrophotometric Measurements,

HURO 1001/121/2.2.2.

12. Cristian and Albrechtsy, 2011,

Basic Laboratory Material Science and Engineering Spin Coating, hal

3, Universitas Zu Kiel.

13. Luurtsema, G.A., 1997, Spin

Coating for Rectangular

Substrates, The Department of Electrical Engineering And Computer Sciences University Of California, Berkeley, hal 3-4. 14. Beiser, A., 1995, Konsep Fisika

Modern, Erlangga: Jakarta.

15. Hammond, C., 2015, The Basics of

Crystalography and Diffraction,

fourth edition, Oxford Science

Publication, USA. ISBN:978-0-19-8738671

16. Charurvedi, S at al, 2012,

Microscopy in Nanotechnology,

Kachchh University, Gujarat India, hal 946-950.

17. FEI, 2011, An Intruduction

Electron Microscopy, FEI

Company, ISBN: 978-0-578-06276-1.