1 EFEK VARIASI PERSENTASE ATOM PEN-DOPING GALIUM-BORON
TERHADAP MORFOLOGI NANOROD ZnO Saddiah*, Iwantono, Akrajas Ali Umar
Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau Kampus Bina widya Pekanbaru, 28293, Indonesia
*Sadiyahaniyunus@rocketmail.com
ABSTRACT
ZnO nanorods growth has been performed by using hydrothermal method at a temperature of 90°C for 8 hours on the surface of Fluorine Tin Oxide (FTO). The effect of Gallium (Ga) atom varied by 1%; 1.5%; 2%; 3% with boron (B) atom 1% on the growth of ZnO nanorods was investigated. The samples were characterized by using Field Emission Scanning Microscope (FESEM) to analyze the morphology of the Ga-B growth doped ZnO nanorods. FESEM images showed that the Ga-B doped ZnO nanorod grown on the surface of the FTO has hexagonal face shape and diameter varied in the range 87-400 nm. The addition of Ga atoms resulted ZnO nanorods diameter size became uniform. The cross sectional FESEM of the sampel showed that the increasing of Ga atom, then ZnO nanorods were formed shorter and coresponding to have skew.
Keywords : ZnO nanorod, co-doping, FESEM, hydrothermal ABSTRAK
Telah dilakukan penumbuhan nanorod ZnO menggunakan metode hidrotermal pada suhu 90oC selama 8 jam di atas permukaan Flourine Tin Oxide (FTO). Pada penelitian ini dianalisa bagaimana efek dari variasi persentase atom pen-doping galium 1%; 1,5%; 2%; 3% dengan
atom pen-doping boron 1% terhadap penumbuhan nanorod ZnO. Sampel dianalisa
menggunakan metode Field Emission Scanning Microscope (FESEM) untuk melihat
morfologi dari nanorod ZnO yang di-doping galium-boron yang telah ditumbuhkan. Foto
FESEM memperlihatkan bahwa nanorod ZnO yang di-doping atom galium-boron tumbuh di
atas permukaan FTO dengan penampang berbentuk heksagonal, ukuran diameter yang dihasilkan cukup bervariasi berada pada rentang 87-400 nm. Penambahan pen-doping atom galium menyebabkan diameter nanorod ZnO menjadi tidak seragam. Foto FESEM cross
section menunjukkan bahwa dengan meningkatnya jumlah atom pen-doping gallium, maka
nanorod ZnO yang terbentuk semakin pendek dan pertumbuhan nanorod ZnO cenderung condong.
2 PENDAHULUAN
Zinc Oxide (ZnO) merupakan suatu material yang sangat berpotensi untuk diaplikasikan sebagai elektroda transparan dalam teknologi sel surya, piranti elektroluminescence dan piranti untuk pemancar ultraviolet (Abdullah et
al, 2012). Nanorod ZnO dapat
ditumbuhkan di atas substrat Fluorine Tin
Oxide (FTO) menggunakan metode
hidrotermal. Berbagai upaya telah
dilakukan untuk meningkatkan sifat fisis dari ZnO. Salah satunya adalah dengan melakukan pen-doping-an menggunakan atom logam. Unsur logam yang bisa
digunakan sebagai atom pen-doping
adalah galium dan boron. Pen-doping-an
atom logam terhadap penumbuhan
nanorod ZnO diharapkan dapat
menghasilkan nanorod ZnO dengan ukuran yang seragam, densitas yang tinggi dan tumbuh vertikal sehingga dapat meningkatkan sifat optik dan listrik (Soaram, 2014).
LANDASAN TEORI
1. Semikonduktor Seng Oksida Material Seng Oksida (ZnO) merupakan senyawa kimia organik berupa serbuk putih yang hampir tidak larut dalam air namun dapat larut dalam keadaan asam dan basa. Pada tabel periodik unsur, Zn berada pada golongan IIB dan O pada golongan VIA yang memiliki lebar celah pita energi sebesar 3,37 eV (Ginting, 2014), sehingga ZnO bersifat transparan di daerah cahaya tampak pada spektrum elektromagnetik (Dixit, 2012). ZnO merupakan semikonduktor tipe-n baik
dalam keadaan murni maupun setelah diberi pen-doping. Semikonduktor ZnO memiliki sifat-sifat yang menguntungkan, seperti transparansi yang baik, mobilitas elektron tinggi, celah pita energi yang lebar dan luminisensi pada suhu kamar yang kuat. Sifat-sifat tersebut digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti elektroda transparan pada sel surya, perangkat penghemat energi dan aplikasi-aplikasi dibidang elektronik sebagai film tipis pada transistor dan light emiting diode (Witjaksono, 2011).
2. Nanorod ZnO
Salah satu struktur nano yang menjadi fokus dan pusat perhatian para peneliti saat ini adalah nanorod ZnO. Nanorod ZnO dapat diaplikasikan sebagai elektroda transparan dalam perangkat optoelektronik. Oleh sebab itu pada penelitian ini dilakukan penumbuhan nanorod ZnO di atas permukaan FTO dan memberikan sejumlah atom logam sebagai
pen-doping.
3. Metode Sintesis Nanorod ZnO Hidrotermal berasal dari bahasa Yunani asli, yaitu hydros yang berarti air dan termos yang berarti panas. Byrappa
dan Adschiri (2007) menjelaskan
hidrotermal merupakan suatu reaksi kimia yang heterogen akibat adanya bahan pelarut yang menggunakan temperatur dan tekanan yang sangat tinggi dalam sistem tertutup. Proses terjadi dalam wadah
tertutup bertujuan untuk mencegah
hilangnya pelarut walaupun dipanaskan di atas titik didihnya. Metode hidrotermal memiliki banyak keuntungan seperti persiapannya yang sederhana, penggunaan
3 suhu reaksi yang relatif rendah, dispersi
yang seragam untuk doping atom logam, serta kontrol stoikiometri dan memberikan kehomogenan secara kimia yang baik (Feng et al, 2012; Gupta et al, 2012). Metode hidrotermal memiliki beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan proses konvesional lainnya, yaitu mampu
menghasilkan produk kristal yang
homogen dan dapat dicapai pada
temperatur rendah dengan derajat
kristalinitas tinggi, dapat mengurangi penggumpalan di antara partikel-partikel, mampu menghasilkan distribusi ukuran partikel yang relatif seragam, morfologi partikel yang terkontrol, dan kemurnian produk tinggi (Witjaksono, 2011).
Metode hidrotermal banyak
diselidiki oleh para peneliti untuk
menghasilkan nanarod ZnO yang
optimum. Mensintesa nanostruktur
dengan tingkat keteraturan yang tinggi dapat menghasilkan pola yang lebih seragam dan ukuran yang seragam pula. Menurut penelitian yang telah dilakukan oleh Iwantono dkk (2014a dan 2014b)
pada penumbuhan nanorod ZnO
menggunakan metode hidrotermal, sampel terbaik dihasilkan oleh konsentrasi larutan penumbuh 0,1 M dan suhu penumbuhan 90oC selama 8 jam.
4. Sintesis Nanorod ZnO yang
Di-doping Atom Logam
ZnO merupakan semikonduktor yang memiliki banyak keunggulan, salah satunya yaitu memiliki sifat elektronik yang dapat dikontrol melalui penambahan atom logam. Penambahan atom logam ini disebut dengan pengotor atau yang lebih dikenal dengan doping. Doping logam
pada ZnO adalah penambahan atom logam
dengan sengaja ke dalam larutan
penumbuh dengan takaran maksimal 10% dari jumlah larutan penumbuh itu sendiri.
Pemberian doping bertujuan untuk
meningkatkan sifat optik dan listrik dari ZnO. Selain itu, pemberian doping juga dapat memodifikasi morfologi dari suatu nanomaterial ZnO yang diharapkan dapat
menghasilkan sifat yang dapat
dikontrol/sifat baru.
Doping juga dapat dilakukan
dengan menambahkan 2 macam atom
logam sekaligus seperti pada ZnO yang
di-doping atom galium dan boron. Istilah ini
dikenal dengan sebutan co-doping.
Galium adalah zat padat yang mudah melebur pada suhu rendah namun sulit mencair di atas suhu kamar. Penelitian ini menggunakan gallium (III) nitrate hydrate
yang memiliki rumus kimia
Ga(NO3)3.xH2O. Galium nitrat terdiri dari garam galium dan asam nitrat yang mempunyai massa atom 255,74 gram/mol dan titik lebur 110oC yang mudah larut dalam air. Selain itu galium juga memiliki sifat optik dan listrik yang cukup baik karena reaktivitas oksigen yang rendah serta memiliki kesamaan antara jari-jari atom Ga3+ sebesar 0.062 nm dan Zn2+ sebesar 0,083 nm (Rao et al, 2012).
Trymethil Borate adalah bahan
kimia dengan rumus C3H9BO3 memiliki massa atom relatif 103,91 gram/mol dan titik didih 68,7oC. Boron merupakan konduktor listrik yang baik pada suhu yang tinggi. Dalam sistem periodik unsur boron terdapat pada golongan III A. Boron termasuk unsur semilogam. Penggunaan boron dipertimbangkan sebagai bahan pengotor bertujuan untuk mendapatkan
transparansi optimum pada cahaya
4 tinggi. Pen-doping-an galium dan boron
yang termasuk unsur logam ini diharapkan dapat menghasilkan struktur morfologi yang seragam dan sifat fisis yang lebih baik, sehingga dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang terutama dye sensitizer
solar cells (DSSC).
5. Karakterisasi Nanorod ZnO Karakterisasi nanorod ZnO yang
di-doping galium-boron menggunakan
FESEM merupakan karakterisasi dengan mikroskop yang bekerja menggunakan elektron sebagai sumber pencitraan dan
medan magnetik sebagai lensanya.
Karakterisasi FESEM ini berguna untuk menganalisa permukaan dari struktur, tekstur (topografi) dan menganalisa bentuk dan ukuran (morfologi) serta menganalisa komposisi dari substrat.
METODOLOGI PENELITIAN
Metode penumbuhan nanorod ZnO menggunakan metode hidrotermal terdiri dari dua tahap yaitu proses pembenihan
dan proses penumbuhan. Proses
pembenihan nanorod ZnO diawali dengan pembuatan larutan pembenih yaitu dengan melarutkan Zink asetat dihidrat dengan konsentrasi 0,01M (Ridha et al, 2013) ke dalam 10 mL ethanol. Selanjutnya
pembenihan dilakukan dengan
pendeposisian larutan pembenih ke atas
permukaan FTO. sedangkan proses
penumbuhan diawali dengan pembuatan
larutan penumbuh yaitu dengan
mencampurkan Zinc Nitrate Hexahydrate
0,1 M, HMT 0.1 M (Iwantono dkk, 2014b ; Soaram et al, 2014) dan 20 mL DI Water.
Setelah semua larutan tercampur merata, maka larutan penumbuh 20 mL dibagi menjadi 10 mL pada masing-masing botol. Selanjutnya diteruskan dengan proses
pen-doping-an, yang diawali dengan
menyiapkan masing-masing larutan
galium dan boron. Larutan boron dibuat dengan mencampurkan 0,1 mL boron dengan 9,9 mL DI Water, dan larutan galium dibuat dengan mencampurkan 0,256 gram galium dengan 10 mL DI
Water. Kemudian larutan boron di
masukan ke dalam masing-masing botol sebanyak 1% (Pawar et al, 2005) dari larutan penumbuh, dilanjutkan dengan larutan galium dengan variasi persentrase 1%; 1,5%; 2% dan 3% dari larutan
penumbuh. Setelah semua larutan
tercampur merata lalu substrat yang sudah dibenihkan di masukan ke dalam larutan penumbuh dengan posisi FTO membentuk sudut <90º terhadap dinding botol. Kemudian substrat di masukan ke dalam oven selama 8 jam pada suhu 90℃. Proses selanjutnya sampel di-annealing dalam
furnace dengan suhu 250℃ selama 30
5 HASIL DAN PEMBAHASAN
Foto FESEM dari empat sampel yang berbeda memperlihatkan pada substrat FTO telah tumbuh nanorod ZnO. Nanorod ZnO yang terbentuk memiliki diameter yang bervariasi, yaitu pada rentang 87-400 nm. Penambahan jumlah persentase atom galium menyebabkan struktur ZnO yang terbentuk menjadi tidak seragam. Foto cross section pada Gambar
(2) menunjukkan bahwa dengan
meningkatnya jumlah atom pen-doping galium, artinya perbandingan atom
pen-doping galium dan boron semakin besar
maka nanorod ZnO yang tumbuh
didominasi dengan struktur heksagonal yang pendek. Pendeknya nanorod ZnO yang dihasilkan disebabkan oleh ion Ga3+
trivalen yang mengakibatkan menurunnya ion Zn2+ untuk mengimbangi perbedaan muatan dari atom pen-doping galium, sehingga dapat menekan atau menahan pertumbuhan dari nanorod ZnO. Semakin banyak persen galium maka semakin besar perbedaan muatan yang akan diimbangi oleh ion Zn2+.
Berdasarkan Gambar (1) dan (2)
dapat dijelaskan bahwa dengan
penambahan pen-doping atom galium
sebesar 1,5% nanorod ZnO memiliki ketebalan yang lebih besar daripada nanorod ZnO dari sampel persentase
lainnya. Namun bentuk penampang
heksagonal yang dihasilkan menjadi tidak sempurna. Hal ini disebabkan oleh Gambar 1. Foto FESEM nanorod ZnO dengan variasi persentase pen-doping
6 penyisipan atom pen-doping galium-boron
ke dalam struktur kisi nanorod ZnO
sehingga mampu merusak struktur
nanorod dan mempengaruhi sifat
kristalinitas nanorod ZnO (Soaram et al, 2014). Sampel dengan variasi persentase atom pen-doping galium sebesar 1%, 2% dan 3% menghasilkan morfologi yang berbentuk struktur heksagonal sempurna, dengan ketebalan yang lebih pendek. Sedangkan sampel dengan persentase
galium sebesar 1,5% menghasilkan
nanorod yang lebih tinggi yaitu 1,632 µm. Namun nanorod ZnO dengan bentuk penampang heksagonal yang tumbuh
menjadi tidak sempurna. Hal ini
disebabkan oleh penyisipan atom
pen-doping galium-boron ke dalam struktur
kisi nanorod ZnO mampu merusak struktur nanorod dan mempengaruhi sifat kristalinitas nanorod ZnO (Soaram et al, 2014).
KESIMPULAN
Berdasarkan foto FESEM dapat disimpukan bahwa nanorod ZnO yang
di-doping atom galium-boron tumbuh
dengan struktur heksagonal menghasilkan diameter yang bervariasi yaitu antara 87-
400 nm. Penambahan atom galium sebesar 1,5% menyebabkan nanorod ZnO menjadi rusak hal ini disebabkan masuknya atom
pen-doping kekisi nanorod ZnO. Foto
cross section yang menunjukan bahwa
nanorod ZnO yang tumbuh pada variasi atom galium 1,5% lebih tinggi daripada Gambar 2. Tampilan cross-sectional FESEM nanorod ZnO dengan variasi
7 nanorod ZnO dengan variasi lainnya yaitu
1,632 µm. Tinggi nanorod ZnO pada variasi galium sebesar 1%; 2%; 3% berturut-turut yaitu 1,231 µm; 1,083 µm; 949,4 nm.
DAFTAR PUSTAKA
Abdullah, M. 2012. Pengantar
Nanotekologi. Institut Teknologi Bandung. Bandung.
Byrappa, K. and Adschiri, T. 2007.
Hydrothermal Technology for
Nanotechnology. Progress in
Crystal Growth and
Characterization of Materials.
53:117-166.
Dixit, H. 2012. Firs-principles electronic
structure calculation of
transparent conducting oxide
materials. Thesis. Departement
Fysica Faculteit Watenschappen Universiteit Antwerpen Belgium. Feng H., M. H. Zhang, and L. E. Yu.
2012. Hydrothermal Synthesis and Photocatalytic Performance of Metal-Ions Doped TiO2. App. Cat. A : General 413-414 : 238-244. Ginting, R. T., 2014. Peningkatan Prestasi
Sel Suria Organik Jenis Songsang dengan Pendopan Mg dan Ga ke dalam Tata susunan Nanorod ZnO, Tesis, Fakulti Sains dan Teknologi Universiti kebangsaan Malaysia, Bangi.
Gupta S. M., and M. Tripathi. 2012. A Review on the Synthesis of TiO2
Nanoparticles by Solution Route. Cent. European J. Chem. 10(2) : 279-294.
Iwantono, Anggelina, F., Taer, E., dan Taslim, R. 2014a. Sel Surya
Fotoelektrokimia dengan
Nanopartikel ZnO Sebagai
material Aktif Elektroda Kerja dan Nanopartikel Platinum Sebagai
Elektroda Lawan. Semirata,
Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam Institut
Pertanian Bogor : 518-524.
Iwantono, Oktorina, E., Taer, E., dan Taslim, R. 2014b. Karakterisasi dan Penumbuhan Nanopartikel
Zink-Oxida (ZnO) Di Atas
Substrat Padat dengan Metode Hidrotermal. Semirata, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor : 510-517.
Pawar, B. N., Jadkar, S. R., Takwale, M.
G. 2005. Deposition and
characterization of transparent and conductive sprayed ZnO : B thin films. Journal of Physics and Chemistry of Solids 66 : 1779– 178.
Rao, T. P., Kumar, M. C. S., Hussain, N. J. 2012. Effects of thickness and
atmospheric annealing on
structural, electrical and optical properties of GZO thin films by spray pyrolysis. Journal of Alloys
and Compounds 541 (2012) 495–
8 Ridha N. J., Mohammad, H. H. J., Umar.
A. A., and Alosfur. F. 2013. Defects-controlled ZnO Nanorods with High Aspect Ratio for Ethanol Detection. Int. J. Electrochem. Sci., 8 ; 4583–4594.
Soaram, K., Hyunggil, P., Giwoong, N., Hyunsik, Y., Byunggu, K., Iksoo, J., Younggyu, K., Ikhyun, K., Youngbin, P., Daeho, K., and Jae-Young, L. 2014. Hydrothermally
Grown Boron-Doped ZnO
Nanorods for Various
Applications: Structural, Optical, and Electrical Properties. 10 (1) : 81-87.
Witjaksono, A. 2011. Karakterisasi
Nanokristalin ZnO Hasil
Presipitasi dengan Perlakuan
Pengeringan, Anil dan Pasca Hidrotermal, Tesis Metalurgi dan
Material Fakultas Teknik,
