BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Penelitian OFET (Organic Field Effect Ttransistor) yang dimanfaatkan untuk aplikasi sensor gas intensif sejak dasawarsa ini. OFET adalah transistor FET yang menggunakan bahan semikonduktor organik, dimana sambungan antara logam semi-konduktor organik dipengaruhi oleh adanya efek medan listrik (Horowitz, 1998). Per-mulaan OFET diproduksi dengan bahan polythiophene film pada akhir tahun 1970. Hal ini memungkinkan fabrikasi film tipis (orde mikrometer) organik dengan jarak molekul lebih kecil. OFET mempunyai keunggulan dibandingkan dengan transistor FET dari bahan anorganik silikon, yaitu: piranti elektronika ramah lingkungan, mu-dah fabrikasinya, hemat energi operasionalnya dan beroperasi pada suhu ruang. Mo-bilitas pembawa muatan sensor gas dari bahan anorganik umumnya masih rendah. Rendahnya mobilitas pembawa muatan dikarenakan belum diteliti struktur senor gas berbasis film tipis secara optimal. Sensor gas berstruktur OFET seperti dalam pene-litian ini merupakan upaya memperbaiki mobilitas pembawa muatan, waktu tanggap dan waktu pemulihan.
Perkembangan sensor gas pada saat sekarang ini berstruktur dioda dan hanya terdiri 2 terminal elektroda yang digunakan sebagai kontak resistansi. Sensor gas ini mempunyai satu nilai mobilitas pembawa muatan, sebab medan listrik yang terjadi dalam lapisan aktif semikonduktor tidak dapat divariasi. Mobiliatas pembawa muatan semikonduktor berkaitan dengan tanggap sensor gas. Sensor gas yang memiliki satu nilai mobilitas pembawa muatan, maka sensor gas tersebut hanya dapat mendeteksi gas tertentu saja.
Sensor gas berstruktur OFET yang dibuat dalam penelitian ini didasarkan pada transistor efek medan organik dengan menggunakan adanya 3 terminal yang berfung-si sebagaiswitchmikroelektronik. OFET merupakan transistor yang prinsip kerjanya berdasarkan efek medan listrik sebagai hasil dari tegangan kedua ujung terminalnya. Mekanisme prinsip kerja dari transistor ini berbeda dengan transistor BJT (Bipolar Junction Transistor). Pada transistor OFET arus yang terjadi dapat dikontrol dari ter-minaldrain (D) dan dihasilkan tegangan antaragate(G) dansource(S). Divais OFET ini dapat dikatakan sebagai transistor yang berfungsi sebagai converter tegangan ke
aliran arus.
Alat deteksi gas yang mempunyai sensitivitas terhadap gas adalah sensor gas dari material semikonduktor (Min, 2003). Sensor gas berbagai macam gas sangat pesat perkembangannya dekade terakhir ini. Hal ini disebabkan sensor gas cenderung lebih murah, kecil dan mobiledari instrumen analitis tradisional saat ini. Beberapa contoh pengembangan sensor gas, antara lain: untuk monitoring proses pembakaran dan emisi gas kendaraan bermotor, deteksi asap, memonitor emisi gas proses industrl seperti pembangkit listrik dan degradasi oli mesin (Dickert et al., 2001).
Pada saat ini film tipis sebagai aplikasi sensor gas yang lebih praktis dan mem-punyai sensitivitas tinggi terus dikembangkan, salah satunya adalah film tipis dari bahan semikonduktor CuPc (copper phthalocyanine). Film tipis ini diharapkan dapat bekerja secara optimum pada suhu ruang sebagai sensor gas. Deteksi gas didasarkan pada peristiwa oksidasi reduksi yang terjadi antara permukaan film tipis dengan gas. Namun permasalahan sering muncul berkaitan dengan pembuatan sensor gas adalah waktu tanggap yang masih lambat, yaitu: 2 menit (Maggioni et al., 2008). Dalam penelitian berupaya untuk meningkatkan waktu tanggap yang masih lambat dengan membuat sensor gas yang berstrutur OFET berbasis film tipis CuPc.
Bahan CuPc sangat menarik untuk diteliti dan dikaji, sebab mempunyai kepe-kaan tinggi terhadap oksidasi gas. Perkembangan sensor gas membutuhkan penge-tahuan tentang struktur dan bahan semikonduktor untuk lapisan aktifnya. Kenyataan menunjukkan struktur lapisan aktif sangat berpengaruh terhadap karakteristik sensor gas (Mirwa et al, 1995). Bahan phthalocyaninedan paduannya memiliki aspek po-tensi komersial yang baik dan menawarkan aplikasi lebih unggul dibanding dengan Si. Bahan ini juga memperlihatkan kepekaan tinggi pada elektron akseptor gas dan absorpsi pada permukaan kristal yang diikuti reaksi transfer muatan.
Pengembangan teknologi membawa kemajuan kehidupan manusia, akan teta-pi juga berdampak negatif bagi lingkungan hidup. Hal ini terlihat pada proses penu-runan kualitas udara akibat pencemaran dari emisi kendaraan bermotor, seperti kar-bon dioksida (CO2). Disamping itu limbah industri juga sebagai penyebab adanya
pencemaran udara. Kehadiran berbagai jenis gas tersebut pada tingkat tertentu te-lah semakin mengkhawatirkan kehidupan makhluk hidup. Terkait dengan fenomena tersebut, diperlukan upaya melalui penelitian untuk menghasilkan produk teknologi yang dapat digunakan untuk mendeteksi gas beracun secara dini.
Gas CO2 di atmosfer menyerap energi infra merah dan meneruskan panas
naik. Jika konsentrasi CO2 di atmosfer meningkat, maka suhu udara sekitarnya juga
meningkat. Peningkatan konsentrasi gas CO2 disebabkan aktivitas manusia
mela-lui proses pembakaran hidrokarbon dan karbon, antara lain: batubara, metana CH4,
bensin dan minyak tanah menyebabkan terjadinya pemanasan global (George et al, 2010). Dengan demikian sensor gas sangat dibutuhkan untuk mengukur keluaran gas CO2 pada saat pembakaran, sehingga memberikan informasi jumlah gas CO2 yang
dihasilkan oleh kegiatan tersebut.
Konsentrasi gas CO2di atmosfer terjadi peningkatan sejak tahun 1958 dan
di-perkirakan terus meningkat selama manusia melakukan aktivitas pembakaran bahan bakar fosil. CO2menyebabkan gangguan kesehatan manusia, seperti rasa mengantuk
dan sesak napas pada konsentrasi cukup tinggi. Rincian berkaitan pengaruh konsen-trasi dan waktu paparan CO2 terhadap gangguan kesehatan ditunjukkan Tabel 1.1.
Adaptasi terhadap peningkatan konsentrasi CO2 udara lingkungan dapat terjadi pada manusia. Inhalasi CO2 yang berkelanjutan dapat ditoleransi pada konsentrasi
ins-pirasi 3%, paling sedikit dilakukan selama satu bulan dan konsentrasi insiparsi 4% selama lebih dari satu minggu. Penurunan kinerja atau aktivitas fisik yang normal tidak terjadi pada tingkat konsentrasi ini (Lambertsen, 1971).
Tabel 1.1: Pengaruh konsentrasi dan waktu paparan CO2 di atmosfer bagi kesehatan
Konsentrasi CO2 dan waktu paparan Pengaruh pada kesehatan (gejala)
0,035% Udara dalam kondisi segar dan efek
tidak terlihat
(3,3 - 5,4 )% selama 15 menit Meningkatkan kedalaman pernafasan 7,5% selama 15 menit Perasaan ketidakmampuan bernapas,
peningkatan denyut nadi, sakit kepala, pusing, berkeringat, gelisah, disorientasi dan distorsi visual.
3% selama lebih 15 jam Menurunnya penglihatan pada malam hari dan kepekaan warna
10% selama 1,5 menit mata berkedip, aktivitas otot meningkat dan terjadi sentakan
Lebih besar dari 10% Kesulitan bernafas, mual, muntah, gangguan pendengaran, rasa mencekik dan setelah 15 menit hilang kesadaran
30% Tidak sadar, kejang-kejang dan kematian
disebabkan konsentrasi CO2 lebih 20%
Gas CO2 merupakan gas yang sangat berbahaya bagi kehidupan manusia
se-hingga keberadaan gas tersebut harus terdetesi seawal mungkin. Oleh karena itu ke-tersediaan sensor gas sangat vital, terutama untuk mendeteksi secara dini adanya gas CO2. Penelitian ini berfokus pada pembuatan OFET berbasis film tipis CuPc yang
diaplikasikan sebagai sensor gas untuk mendeteksi gas CO2. Rencana aplikasi sensor
gas yang lebih jauh dapat dimanfaatkan untuk deteksi gas beracun dari sistem pem-bakaran, seperti: emisi gas buang kendaraan bermotor dan gas buang pabrik. Terkait parameter sensor gas secara lebih spesifik, unsur kebaharuan penelitian ini terletak pa-da studi sistematis terhapa-dap pengaruh struktur sensor gas. Sensor gas dengan struktur OFET akan menghasilkan waktu tanggap yang lebih baik dari pada sensor gas yang berkembang pada saat ini.
1.2 Permasalahan
Ketersediaan sensor gas sangat vital, terutama untuk mendeteksi secara dini adanya gas CO2. Oleh karena itu penelitian ini berfokus pada pembuatan OFET
ber-basis film tipis CuPc yang diaplikasikan sebagai sensor untuk mendeteksi gas CO2.
Dengan mengacu latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan permasalahan yang meliputi mekanisme:
(1) Bagaimana cara deposisi dan karaterisasi film tipis CuPc sebagai lapisan aktif pada sensor gas CO2.
(2) Bagaimana merancang geometri divais sensor gas CO2dengan tekniklithography
(3) Bagaimana proses pembuatan OFET berstrukturbottom contact dengan panjang
channeldibuat bervariasi
(4) Bagaimana karakterisasi keluaran OFET
(5) Bagaimana cara menguji kinerja OFET untuk mendeteksi gas CO2
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan umum penelitian ini adalah merancang dan merealisasikan OFET ber-basis film tipis CuPc dengan strukturbottom contactuntuk mendeteksi gas CO2,
a) Deposisi film tipis CuPc di atas substrat Si/SiO2 dengan teknik vakum evaporasi
pada suhu ruang
b) Karakterisasi film tipis dengan XRD, SEM dan SEM-EDX
c) Pembuatan OFET dengan strukturbottom contactdan panjangchannelbervariasi d) Karakterisasi keluaran OFET
e) Pengujian kinerja OFET untuk deteksi gas CO2
1.4 Manfaat yang Diharapkan
Penelitian ini menghasilkan prosedur pembuatan OFET berbasis film tipis Cu-Pc yang dapat dimanfaatkan diberbagai bidang, antara lain :
a) Bidang fisika, khususnya zat padat/ material akan memberi harapan untuk meng-embangkan material semikonduktor untuk aplikasiphotoconductivedan photovol-taic response.
b) Bidang elektronika, menjadi dasar dalam pengembangan teknologi semikonduktor berbasi film tipis (mikro-elektronika/nano-elektronika), sehingga diperoleh piranti elektronika yang lebih kecil dan praktis.
c) Bidang akademik dapat memberikan kontribusi pemikirian perkembangan sensor gas secara detail dari sisi struktur sensor.
d) Bidang lingkungan hidup dapat dimanfaatkan sebagai pemantau kualitas udara e) Bidang industri, akan memberikan harapan komersial untuk memproduksi sensor
gas, sebab material semikonduktor CuPc 200 mg dapat dibuat OFET antara 75 sampai dengan 100 buah.
f) Hasil penelitian merupakan penelitian awal tentang sensor gas CO2 berbasis film
tipis sehingga dapat digunakan untuk dasar penelitian lanjutan berkaitan dengan sensor gas beracun, misalnya: CO, NO, NO2, NH3dan emisi gas buang kendaraan
bermotor.
g) Hasil pembuatan OFET ini dapat dimanfaatkan untuk alat uji emisi untuk menge-tahui tingkat emisi pada gas buang kendaraan.
1.5 Keaslian
Penelitian pemanfaatan bahan organik sebagai material dan piranti semikon-duktor telah banyak dilakukan para peneliti. Beberapa penelitian tersebut diringkas dalam Tabel 1.2.
Tabel 1.2: State of the Artbeberapa penelitian
Penulis dan Judul dan Nama Jurnal Hasil Eksperimen Tahun
Maggioni Plasma-deposited CuPc A single gas: Mempunyai waktu et al.,2008 sensing material with multiple, tanggap elektrik
responses,Sensors and Actuators 2 menit B 131, 496-503
Ali et al., NOxsensing properties of In2O3 thin Deteksi optimum pada
2008 films grown by MOCVD,Sensors suhu 150oC dan waktu
and ActuatorsB 129 (2008) 467-472 pemulihan meningkat Srivastava Sensing mechanism of Pd-doped SnO2 Sensor terdiri dari
et al., 2009 sensor for LPG detection,Solid State 2 elektroda, sehingga
Sciences11, 1602-1605 hanya dapat deteksi
satu macam gas pada suhu 350oC
Kapse, H2S sensing properties of La-doped Waktu tanggap pada
et al., 2009 nanocrystalline In2O3,Vacuum suhu 125oC dan perlu
83 (2009) 346-352 pemanas
Ho-Shik Electrical Properties of a CuPc Field Mobilitas pembawa et al., 2011 Effect Transistor Using a UV/Ozone muatan rendah, yaitu
Treated and Untreated Substrate, 1,2.10−5cm2/Vs dan
Transactions on Electrical and belum diaplikasikan
Electronic Materials(2011) 40-42 untuk sensor gas Lyly Influence of Doping Concentration on Mendeteksi pada suhu et al., 2012 Dielectric, Optical, and Morphologica (150 - 300)oC dan
Properties of PMMA Thin Films, belum diaplikasikan
Advances in Materials Science and untuk sensor gas
Engineering, Volume 2012, Article ID 605673, 5 pages
Dari telaah jurnal (Tabel 1.2) diperoleh substansi penelitian yang belum dila-kukan dan perlu ditingkatkan kinerja sensor gas. Substansi penelitian tersebut antara lain:
berupa OFET untuk mendeteksi gas. Hasil penelitian ini diharapkan terbentuknya sensor gas dengan struktur OFET.
b). Penelitian sebelumnya pada umumnya menghasilkan mobilitas pembawa muatan masih rendah, yaitu: 1,2 .10−5cm2/Vs (Lee, et al., 2011), penelitian ini diharapk-an dapat meningkatkdiharapk-an mobilitas pembawa muatdiharapk-an.
c). Waktu tanggap dan waktu pemulihan sensor gas umumnya lambat, yaitu: 2 menit, penelitian ini diharapkan memperbaiki waktu tanggap dan waktu pemulihan. d). Sensor gas sebelumnya mendeteksi gas pada suhu tinggi, yaitu berkisar (150
-200) oC. Sensor gas ini kurang praktis karena membutuhkan pemanas pada saat
digunakan. Dalam penelitian ini merancang geometri devais sensor gas berstruk-tur OFET untuk mendeteksi gas pada suhu ruang.
Sensor gas yang berkembang pada saat ini, terdiri dari 2 elektroda yang di-gunakan untuk kontak resistansi. Sensor gas tersebut mempunyai satu nilai mobilitas pembawa muatan, sebab medan listrik dalam semikonduktor aktif tidak dapat divaria-si. Mobiliatas pembawa muatan semikonduktor berhubungan dengan tanggap sensor gas. Sensor gas yang memiliki satu nilai mobilitas pembawa muatan, maka sensor gas hanya mendeteksi gas pada konsentrasi tertentu saja. Dengan demikian untuk gas yang mempunyai konsentrasi lain, sensor gas tidak dapat mendeteksi gas tersebut.
Gambar 1.1: Struktur konduktivitas sensor gas (Arshak et al, 2004)
Tanggapan sensor disebabkan oleh perubahan resisitif yang timbul karena re-aksi antara semikonduktor dengan gas. Perubahan karakteristik listrik yang lebih
besar umumnya diamati setelah terpapar dengan konsentrasi gas lebih tinggi. Keun-tungan struktur OFET adalah adanya perubahan resisitif yang berupa modulasi tang-gap sensor. Modulasi tangtang-gap sensor yang terjadi pada OFET disebabkan pengaturan tegangan elektrodagate. Mobilitas pembawa muatan semikonduktor dapat dikenda-likan dengan memanfaatkan elektrodagate.
Gambar 1.2: Desain tata letak sensor gas (Hiskia dan Hermida, 2006)
Desain sensor gas untuk deteksi gas CO dengan struktur pemanas seperti di-perlihatkan pada Gambar.1.2 . Komponen sensor gas terdiri dari sebuah heater, 2 elektroda dan lapisan aktif dari semikonduktor SnO2 (Tin Dioxide). Aplikasi sensor
gas ini membutuhkan heater saat beroperasi untuk deteksi gas, tanpa pemanas sen-sor tidak sensitif. Sensen-sor gas ini hanya mempunyai nilai satu mobilitas pembawa muatan, sebab medan listrik yang terjadi dalam semikonduktor tidak dapat divariasi. Sensor gas dengan desain seperti ini (Gambar.1.2) kurang praktis untuk mendeteksi gas karena membutuhkan pemanas dan jangkauan pengukuran kurang luas.
Gambar 1.3 adalah skema sensor yang dihasilkan dengan memberi doping 1% palladium (Pd) menunjukkan sensitivitas maksimum 72% pada suhu 350 oC untuk konsentrasi 0,5% dari LPG. Sensor ini mempunyai dua elektroda dan dapat mende-teksi LPG suhu tinggi 350oC. Sensor dengan desain seperti ini (Gambar 1.3) kurang praktis untuk mendeteksi gas karena membutuhkan pemanas dan mobilitas pembawa muatan elektrostatis pada permukaan isolator semikonduktor tidak dapat diubah.
Dasar pembuatan transistor OFET adalah lapisan aktif semikonduktor yang di-hubungkan melalui dua elektroda, yaitusource(S) dandrain(D). Elektrodagate(G) elektrik yang terisolasi pada lapisan semikonduktor melalui lapisan oksida isolator
dan membentuk sebuah kapasitor pelat paralel. Dengan mengaplikasikan tegangan
G yang tehubung elektroda S, mobilitas pembawa muatan elektrostatis permukaan isolator semikonduktor dapat diubah. Dengan demikian, efek medan listrik yang me-nyebabkan mobilitas pembawa muatan semikonduktor dapat divariasi. Oleh karena itu, arus yang melalui semikonduktor dapat bervariasi dengan urutan magnitudo se-suai dengan perubahan tegangan pada elektrodaG.
Gambar 1.3: Skema sensor gas (Srivastava, et al., 2009)
Gambar 1.1, Gambar 1.2 dan Gambar 1.3 adalah sensor gas yang mempunyai nilai satu mobilitas pembawa muatan, karena medan listrik dalam semikonduktor ti-dak dapat divariasi. Dengan memiliki satu nilai mobilitas pembawa muatan, sensor gas hanya dapat merespon gas pada konsentrasi tertentu saja. Dengan demikian gas yang mempunyai konsentrasi lain, sensor gas tidak dapat merespon. Kebaharuan penelitian ini adalah sensor gas dibuat dengan struktur OFET seperti ditunjukkan pada Gambar 1.4, sehingga nilai mobilitas pembawa muatan dapat divariasi dengan mengubah tegangan padagate.
Pengukuran dengan menggunakan konsep interaksi antara ion dengan divais padat telah dilakukan sejak tahun 1970 oleh Piet Bergveld. Penelitian terus berlanjut dengan dikembangkannyafield effect transistors(FET) yang sensitif terhadap ion un-tuk aplikasi bio sensor dan aplikasi lain yang berkaitan dengan pengukuran. Terdapat beberapa keistimewaan divais berbasis FET yaitu memiliki respon yang cepat, sen-sitivitas tinggi, kemampuan proses yang banyak, ukuran divais kecil, struktur divais padat, memungkinkan diintegrasikan dengan output signal processing dan mudah di-modifikasi untuk mendeteksi bahan-bahan biokimia (Giuseppe Scarpa, 2010).
Gambar 1.4: Struktur OFETbottom contact
Berdasarkan lapisan aktif yang digunakan pada sensor berbasis FET dibagi menjadi dua jenis, yaitu inorganik FET (IFET) dan organik FET (OFET). Sensor ber-basis inorganik FET menggunakan lapisan aktif yang terbuat dari bahan inorganik, seperti paladium (Pd), TiO 2, ZnO, SnO2 dan NiO2 (Buso et al., 2008). Sedangkan sensor berbasis organik FET mengunakan lapisan aktif yang terbuat dari polimer or-ganik seperti polianilin (PANI), polypirrole (PPy), polythiophene (PTh) dan turunan-nya (Bai and Shi, 2007). Terdapat beberapa keunggulan yang dimiliki oleh OFET di-bandingkan IFET yaitu, pertama OFET beroperasi pada suhu ruang, sedangkan IFET bekerja pada suhu tinggi (Pereira et al., 2009). Kedua, energi yang dibutuhkan untuk membuat OFET lebih rendah dibandingkan dengan IFET, karena proses pembuatan OFET lebih sederhana.
Sensor berbasis OFET banyak dimanfaatkan untuk detektor gas. Terpaparnya gas berbahaya di alam mendorong para peneliti untuk mengembangkan divais ini se-bagai sensor gas yang mempunyai sensitivitas tinggi, bisa beropresi pada suhu ruang dan tidak memerlukan pemanas. Seperti yang pernah dilaporkan sebelumnya, OFET lebih baik dari IFET, karena proses pembuatan OFET lebih sederhana. Sensor gas berstruktur OFET banyak dimanfaatkan untuk detektor gas. Terpaparrnya gas-gas berbahaya di alam mendorong para peneliti untuk mengembangkan divais ini sebagai sensor gas yang sensitif dan bisa beropresi pada suhu ruang. Seperti yang pernah dilaporkan sebelumnya, OFET sangat potensial untuk mendeteksi gas amonia, uap toluena, dan uap butylamine (Chen, 2011).
