BAB II TINJAUAN PUSTAKA

6 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Semikonduktor

Semikonduktor merupakan bahan yang konduktivitas listriknya berada diantara isolator dan konduktor [10]. Pada semikonduktor, terdapat celah yang cukup kecil sehingga elektron yang berpindah dari pita valensi ke konduksi hanya memiliki sedikit hambatan. Sifat listrik dan sifat optik dari semikonduktor dapat berubah apabila diberi penambahan pengotor (doping) [11]. Gambar 2.1. menunjukkan perbedaan pita energi dari bahan isolator, semikonduktor, dan konduktor.

Gambar 2.1. Celah pita energi isolator, semikonduktor, dan konduktor [12].

Bahan semikonduktor yang umum diketahui karena unsurnya yang melimpah adalah Silikon (Si), Germanium (Ge), dan Galium Arsenida (GaAs) [13]. Terdapat dua jenis bahan semikonduktor, yaitu:

2.1.1 Semikonduktor Instrinsik (Murni)

Semikonduktor intrinsik (murni) adalah semikonduktor yang materialnya masih murni dan belum tercampur dengan material lainnya, contohnya adalah Si dan Ge [14]. Si dan Ge terletak pada kolom keempat pada tabel periodik dan memiliki 4 elektron valensi. Gambar 2.2. memperlihatkan bentuk ikatan kovalen dari silikon dalam 2 dimensi.

7

Gambar 2.2. Ikatan kovalen Si dalam dua dimensi [15].

Ikatan kovalen dapat terputus apabila ada energi yang disebut energy gap. Besarnya energi yang diperlukan untuk memutus ikatan kovalen Si sebesar 1,1 eV dan untuk Ge sebesar 0,7 eV. Bila ikatan kovalen terputus, maka akan menciptakan sebuah kekosongan atau lubang (hole) yang mengakibatkan daerah yang mengalami kekosongan akan kelebihan muatan positif. Daerah yang terdapat elektron bebas akan mengalami kelebihan muatan negatif. Kedua muatan tersebut mengakibatkan adanya aliran listrik yang terjadi pada semikonduktor.

2.1.2 Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)

Semikonduktor ekstrinsik (tak murni) adalah semikonduktor yang sudah tercampur dengan jenis material lainnya (pengotor). Proses penambahan material pada semikonduktor lebih dikenal dengan istilah doping. Pendopingan yang dilakukan dapat mengubah struktur pita dan resistivitas dari material semikonduktor [16].

Bahan pendopingan dapat berasal dari material golongan 3 dan 5 dalam tabel periodik. Berdasarkan bahan pengotor yang ditambahkan, semikonduktor ekstrinsik terbagi menjadi dua jenis yaitu [17] :

a. Semikonduktor Tipe-P

periodik. Berdasarkan bahan pengotor yang ditambahkan, semikonduktor ekstrinsik terbagi menjadi dua jenis yaitu [17] :Apabila bahan semikonduktor murni diberi pendopingan dengan material yang bervalensi tiga (trivalent), maka akan

8

diperoleh semikonduktor tipe-P. Karena hal tersebut, maka akan terdapat tiga elektron valensi yang berpasangan dan tempat yang seharusnya membentuk pasangan keempat menjadi kosong (hole) dan akan diisi oleh elektron valensi lain.

Maka dari itu atom yang bervalensi tiga akan menyumbangkan sebuah hole yang disebut juga sebagai akseptor [18].

b. Semikonduktor Tipe-N

Apabila bahan semikonduktor murni diberi pendopingan dengan material yang bervalensi lima (penta-valens), maka akan diperoleh semikonduktor tipe-N. Karena hal tersebut, maka akan terdapat empat elektron valensi yang berpasangan dan satu elektron bebas. Maka dari itu, atom yang memiliki lima elektron valensi disebut dengan atom donor.

2.2 Lapisan Tipis

Teknologi lapisan tipis telah banyak diteliti dan dikembangkan. Lapisan tipis adalah material yang melapisi suatu substrat dan memiliki ketebalan yang tidak lebih dari 10

μm

dan karakteristiknya tergantung pada kondisi permukaan substrat. Terdapat empat tahap pembentukkan lapisan tipis yaitu penentuan sumber, proses transport material ke substrat, deposisi, dan yang terakhir adalah analisis [19]. Beberapa jenis teknik deposisi lapisan tipis antara lain sputtering DC [20], sol-gel [21], spray pyrolysis [22], dan lain-lain.

2.3 Nikel Oksida (NiO)

Nikel (Ni) adalah unsur yang paling melimpah ke-24 di kerak bumi. Nikel termasuk logam transisi dalam kelompok VIIIB dalam tabel periodik. Logam nikel berwarna metalik dengan titik leleh sebesar 1420°C dan titik didih sebesar 2900°C. Senyawa nikel banyak digunakan dalam industri baja anti karat, bidang metalurgi, dan pengolahan makanan. Garam nikel terdiri dari nikel klorida, sulfat, nitrat, karbonat, dan hidroksida [23].

NiO digolongkan sebagai semikonduktor tipe-P dengan band-gap energi berkisar antara 3.6 – 4 eV. NiO memiliki stabilitas kimia yang baik dengan oktahedral Ni²⁺

dan O^2-. [24]. Adapun sifat dari NiO adalah sebagai berikut [25]:

9 1. NiO terbentuk pada suhu diatas 400°C , 2. massa molar NiO adalah 74,6928 g mol ^–1, 3. massa jenis NiO sebesar 6,67 g mL ^–1, 4. titik leleh NiO sebesar 1955°C,

5. NiO dapat larut dalam KCN.

NiO memiliki struktur kristal rocksalt yang dalam bentuk nano dapat diaplikasikan menjadi berbagai komponen elektronika, seperti baterai alkalin [26], superkapasitor [27], dan sensor gas [28]. Bentuk kristal dari NiO dapat dilihat pada Gambar 2.3..

a

Gambar 2.3. Bentuk kristal NiO. Nilai lattice constant (a = 4,174 Å) [29].

Pada Gambar 2.3. terdapat dua jenis atom, yaitu atom Ni yang digambarkan dengan bola berwarna biru dan atom O yang digambarkan dengan bola berwarna merah. Berdasarkan gambar, terlihat bahwa struktur dari kristal NiO berbentuk FCC (Face Centered Cubic) yang berarti terdapat 8 atom yang menempati posisi sudut, dan 6 atom yang menempati posisi permukaan kristal. Adapun senyawa lain yang memiliki struktur kristal yang sama dengan NiO antara lain NaCl, LiCl, KBr, AgF, AgCl, TiO, FeO, CuO dan lain-lain. NiO telah banyak difabrikasi dan dikarakterisasi oleh para peneliti sebelumnya. Tabel 2.1. merupakan tabel fabrikasi NiO dengan beberapa jenis elemen logam.

10

Tabel 2.1. Fabrikasi NiO dengan beberapa elemen logam.

Tahun Metode Prekursor NiO Doping Referensi 2014 Spray pyrolysis Nickel Chloride Magnesium [30]

2014

Sol-gel spin

coating Nickel Acetate Lithium [31]

2014 Sol-gel Nickel Acetate

Tetahydrate Copper [32]

2016 Spray pyrolysis Nickel Chloride Lanthanum [33]

2018 Sol-gel Nickel Nitrate

Hexahydrate Cerium [34]

2018 Sol-gel Nickel Nitrate

Hexahydrate Cobalt [35]

2.4 Tembaga (Cu)

Cu adalah elemen penting yang berada dalam kelompok IB pada susunan tabel periodik dan merupakan jenis logam mulia seperti emas dan perak. Setelah seng dan besi, Cu adalah elemen jejak paling melimpah ketiga di bumi. Adapun sifat- sifat dari Cu adalah:

1. Memiliki konduktivitas termal dan listrik yang tinggi, 2. tidak mudah korosi,

3. titik didih sebesar 2567°C, 4. titik leleh sebesar 1083,4°C.

Terdapat beberapa jenis garam dari Cu, yaitu sulfat, klorida, dan hidroksida.

Diantara jenis tersebut, Cu klorida (CuCl) merupakan jenis garam yang paling larut dalam air [36]. Cu juga memiliki struktur kristal FCC sama dengan NiO. Gambar 2.4. merupakan bentuk kristal dari Cu.

11 a

Gambar 2.4. Bentuk kristal Cu. Nilai lattice constant (a = 3,6150 Å) [37].

2.5 NiO Doping Cu

Doping merupakan teknik penambahan pengotor kedalam material semikonduktor dengan tujuan untuk meningkatkan sifat listrik dan sifat optik dari suatu material [3]. Dalam sebuah penelitian efek dari lapisan tipis NiO yang didoping Cu sebagai sensor gas NH3 menunjukkan bahwa pendopingan Cu mampu menurunkan resistivitas lapisan tipis NiO [38]. Dalam penelitian lain juga menunjukkan bahwa nilai transmisi lapisan tipis NiO yang didoping Cu sedikit menurun. Oleh karena itu, lebar celah pita optik dari lapisan NiO yang didoping Cu menurun dibandingkan dengan lapisan NiO yang tidak didoping [39]. Sehingga, dopan Cu pada lapisan NiO bisa menjadi solusi untuk mengontrol sifat lapisan tipis NiO.

2.6 Sensor Gas

Sensor gas merupakan alat yang memiliki sensitivitas baik dalam mendeteksi suatu gas. Ketika sensor dihubungkan dengan rangkaian listrik, terdapat elekron yang mengalir melalui material sensor. Saat material berada pada kondisi sebelum dialiri gas, elektron dipermukaan akan berikatan dengan molekul oksigen di udara sehingga muncul daerah deplesi (depletion layer). Hal tersebut kemudian akan meningkatkan nilai resistansi dari sensor.

12

Ketika material uji diberi gas pereduksi yang dalam penelitian ini menggunakan LPG, molekul gas akan berikatan dengan molekul oksigen yang telah diserap di permukaan sensor. Hal tersebut kemudian mengurangi ikatan antara elektron dan molekul udara sehingga menurunkan depletion layer dan elektron dapat bergerak dengan bebas. Hal ini menyebabkan konduktivitas pada arus sensor meningkat [40].

Adapun ilustrasi cara kerja sensor ditunjukkan pada Gambar 2.5..

Gambar 2.5. Ilustrasi cara kerja sensor : (a). Saat rangkaian terptus; (b). Saat material sensor belum dialiri gas LPG; (c). Saat material sensor diberi gas LPG

[41].

2.7 Metode Spray Pyrolysis

Pada proses penumbuhan lapisan tipis, terdapat dua macam teknik deposisi yaitu penumbuhan secara fisika dan kimia. Teknik deposisi secara fisika meliputi sputtering, pulsed laser deposition (PLD), dan evaporasi. Sedangkan untuk teknik deposisi secara kimia meliputi chemical vapour deposition (CVD), molecular beam eptaxy (MBE), dan chemical solution deposition (CSD) atau sol-gel. Kedua teknik ini memiliki kelebihan dan kekurangan dalam pembentukan lapisan tipis [19].

Spray pyrolysis termasuk dalam jenis teknik deposisi kimia. Spray pyrolysis adalah salah satu metode pembuatan lapisan tipis yang dapat menghasilkan partikel hingga ukuran submikron [42]. Spray pyrolysis memiliki tiga tahapan utama yaitu penentuan komposisi larutan prekursor, proses penyemprotan, dan sintesis akhir yaitu berupa pemanasan substrat [43]. Adapun kelebihan dalam metode ini adalah biaya pembuatan yang murah, lapisan yang terbentuk relatif seragam atau merata, dan proses deposisi dapat dilakukan dalam waktu singkat [44].

13

Alat dan bahan yang dibutuhkan dalam proses ini juga sederhana, yaitu terdiri dari alat penyemprot, larutan prekursor, pemanas substrat, dan pengontrol suhu [45].

Larutan prekursor diatomisasi dalam tetesan kecil menggunakan alat penyemprot yang disebut nano spray. Prekursor kemudian disemprotkan ke substrat yang dipanaskan dan akan bereaksi sehingga membentuk lapisan tipis dari senyawa yang diinginkan [46]. Gambar 2.6. merupakan skema proses deposisi lapisan tipis menggunakan metode spray pyrolysis.

Gambar 2.6. Skema proses deposisi lapisan tipis menggunakan metode spray pyrolysis.

2.8 Substrat

Substrat merupakan material penting untuk menopang lapisan tipis diatasnya.

Terdapat beberapa substrat yang biasa digunakan dalam penelitian terkait lapisan tipis seperti kaca, ITO (Indium-Tin-Oxide), silikon, SiC, dan FTO (Fluorine-Tin- Oxide). Kaca merupakan jenis substrat yang paling murah namun karena sifatnya yang isolator membuat substrat kaca tidak dapat menghantarkan arus yang baik untuk uji I-V pada lapisan tipis. Silikon, SiC, dan ITO memiliki harga yang relatif lebih mahal dibandingkan FTO. Namun meski begitu, ITO lebih banyak digunakan dalam penelitian karena tingkat transparansi dan konduktivitasnya yang superior dibandingkan material lainnya. Transparansi dari ITO bisa mencapai 80% hingga 85% dibandingkan gelas kaca biasa.

14

2.9 Karakterisasi Lapisan Tipis NiO didoping Cu 2.9.1 Difraksi Sinar-X (XRD)

XRD merupakan salah satu karakterisasi material didasarkan pada sinar-X yang memanfaatkan sudut tertentu (sudut Bragg) oleh atom-atom yang tertata dalam kristal. XRD dapat digunakan untuk mengidentifikasi senyawa secara kualitatif maupun kuantitatif untuk menentukan kelimpahan senyawa dalam campuran.

Skema pengukuran XRD dapat dilihat pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7. Skema pengukuran XRD [47].

Keunggulan XRD adalah difaktogram yang spesifik terhadap komposisi kimia dan struktur kristal material [48]. Pada XRD, terdapat tiga hal dasar yaitu tabung sinar- X, tempat sampel, dan detektor sinar-X [47]. Sinar-X dihasilkan didalam tabung sinar katoda dan dipercepat karena perbedaan tegangan antara filamen katoda dengan logam sehingga terjadi tumbukkan yang menghasilkan elektron. Ketika elektron telah memiliki energi yang cukup untuk melepaskan elektron di kulit terdalam logam, maka akan terbentuk spektrum sinar-X yang kemudian berinteraksi dengan struktur kristal material yang di uji [49]. Ketika berkas sinar-X dipancarkan ke sampel, maka sinar-X tersebut akan melewati celah kecil di antara bidang-bidang kristal material. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.8. yang menunjukkan ilustrasi pancaran sinar-X sesuai dengan Hukum Bragg.

15

Gambar 2.8. Ilustrasi pancaran sinar-X dalam persamaan Bragg [18].

Dalam sebuah kristal, susunan atom akan membentuk pola tertentu dengan jarak antar lapisan atom adalah d. Ketika bidang terpapar sinar-X maka sinar tersebut akan dipantulkan yang disebut difraksi, dimana didalam fenomena difraksi terdapat sinar yang saling menguatkan yang disebut difraksi konstruktif, dan yang saling melemahkan disebut difraksi destruktif. Jarak antara ₁ dan



₂ memiliki perbedaan panjang gelombang yang harus bernilai bilangan bulat (1, 2, 3, ...).

Sistematis dari difraksi sinar-X didasarkan pada hukum Bragg yang dijelaskan dengan persamaan berikut :

AB BC+ =n



, (2.4)

sin

d



+ dsin



= n, (2.5)

2 sind



= n, (2.6)

dengan n adalah bilangan bulat sebagai orde pembiasan,



adalah panjang gelombang dari sinar-X, d adalah jarak antara dua bidang kristal, dan



adalah sudut antara sinar datang dan bidang normal. Persamaan ini memberikan hubungan jarak antara bidang dalam kristal dan sudut yang radiasi refleksinya menunjukkan intensitas maksimum untuk panjang gelombang tertentu.

XRD dapat digunakan untuk membedakan antara material yang bersifat kristal dengan amorf, menentukan struktur kristal, ukuran kristal, dan mengidentifikasi fasa kristal. Ukuran kristal dari material yang di uji dengan menggunakan XRD

16

dapat dihitung dengan persamaan Debye Scherrer melalui puncak-puncak pola difraktogram, dimana [18]:

cos

= K

D 

  ^{, (2.7)}

dengan D adalah ukuran kristal (crystallite size), K adalah faktor bentuk dari kristal,

 adalah panjang gelombang sinar-X (1,54056 Å),  adalah nilai Full Width at Half Maximum (FWHM) (rad), dan



adalah sudut difraksi sinar-X.

2.9.2 Spektofotometri Ultraviolet-Visible (UV-Vis)

UV-Vis adalah pengukuran serapan cahaya didaerah ultraviolet (200-350 nm) dan sinar tampak (350-800 nm) oleh suatu senyawa. Karakterisasi UV-Vis digunakan untuk memperoleh informasi sifat optik yaitu melihat respon material terhadap paparan gelombang elektromagnetik, radiasi, dan cahaya tampak. Cahaya tersebut ketika dilewatkan pada suatu material maka sebagian cahayanya akan diserap (absorbted), dan sebagiannya lagi diteruskan (transmited). Data yang dihasilkan dari karakterisasi UV-Vis adalah panjang gelombang ( ) dan absorbansi (%).

Skema kerja UV-Vis dapat dilihat pada Gambar 2.9..

Gambar 2.9. Skema kerja UV-Vis [50].

Prinsip kerja dari spektofotometri UV-Vis adalah interaksi yang terjadi antara energi yang berupa sinar monokromatis dari sumber sinar dengan materi yang merupakan molekul. Besar energi yang diserap menyebabkan elektron tereksitasi, yaitu perpindahan elektron dari keadaan dasar ke keadaan yang lebih tinggi.

Komponen pada UV-Vis meliputi sumber radiasi, monokromator, wadah sampel, dan detektor [51].

17

UV-Vis terdiri dari spektrometer yang menghasilkan cahaya dari spektrum dengan panjang gelombang tertentu, dan fotometer adalah alat untuk mengukur intensitas cahaya yang diteruskan atau diserap [52]. Absorbansi (A) menyatakan besaran cahaya yang diserap oleh bahan lapisan tipis dari total cahaya yang dipancarkan, sedangkan transmitansi (T) adalah sebagian cahaya yang diteruskan dari material sampel. Hubungan antara absorbansi dan transmitansi kemudian dikenal sebagai Hukum Lambert-Beer [53][54]. Adapun ilustrasi terjadinya transmitansi berdasarkan Hukum Lambert-Beer ditunjukkan pada Gambar 2.10..

Gambar 2.10. Ilustrasi Hukum Lambert-Beer.

Berdasarkan Gambar 2.10., maka didapatkan hubungan antara I dan I0 adalah :

= ₀ −^αl

I I e , (2.8)

= −^αl 0

I e

I , (2.9)

dengan I0 adalah intensitas sinar yang datang, I adalah intensitas sinar yang diteruskan, 𝛼 adalah koefisien absorbsi, dan l adalah panjang cahaya dimana absorbansi terjadi.

Karena transmitansi (T) merupakan perbandingan antara cahaya yang diteruskan dengan cahaya yang datang, maka dapat dirumuskan :

18

=

0

T I

I , (2.10)

sehingga nilai absorbansi (A) yang merupakan kebalikan dari transmitansi (T) dirumuskan dengan :

= −

A log T , (2.11)

0

A log I I

 

= −  

 , (2.12)

I0

A log I

=    . (2.13)

Koefisien absorbsi (𝛼) merupakan suatu parameter yang menyatakan banyaknya cahaya yang diserap oleh bahan, yang perumusannya dapat dijabarkan dari persamaan (2.9) dengan cara sebagai berikut :

αl 0

log I log( e ) I

  −

 =

  , (2.14)

0

log I αl log( e ) I

 

 = −

  , (2.15)

0

log I αl log( e ) I

 

−  =

  , (2.16)

I0

log αl log( e )

  =I

   , (2.17)

karena diketahui nilai absorbansi I⁰ A log

I

=    , maka :

A=αl log(e), (2.18)

α A 1

log( e )l

= . (2.19)

19 α A 1

0,4343l

= , (2.20)

α 2,303 A=  . (2.21)

Pengujian UV-Vis juga dapat digunakan untuk menentukan nilai bandgap material yaitu dengan mrenggunakan metode Tauc Plot. Metode ini menghasilkan nilai bandgap dengan cara menarik ekstrapolasi garis linier dari grafik hubungan energi foton (eV) pada sumbu-X, dan ( h )ⁿ pada sumbu-Y. Adapun hubungan antara koefisien aborbsi (𝛼) dan energi foton dapat dilihat sesuai dengan persamaan:

1

( h ) ⁿ = (b h −Eg), (2.22)

dengan 𝛼 adalah koefisien absorbsi, h adalah konstanta Planck (J s ), v adalah frekuensi (Hz), b merupakan sebuah kosntanta, Eg adalah energi celah pita (bandgap) (eV), dan komponen n bergantung pada jenis transisi dalam bahan yang dibagi menjadi dua jenis yaitu n = 1

2 (direct-allowed transition), dan n = 2 (indirect-allowed transition) [55].

2.9.3 Uji Karakterisasi I-V

Uji karakterisasi I-V digunakan untuk menentukan sifat listrik material, yaitu dengan melihat hubungan fisis antara arus dan tegangan. Dalam menentukan sifat listrik material, terdapat dua macam cara yaitu metode dua titik (two-point technique) dan metode empat titik (four-point technique). Pada metode dua titik digunakan dua kabel penghubung yang menghubungkan sampel ke power supply dan multimeter, sedangkan metode empat titik menggunakan empat kabel penghubung [56]. Metode dua titik merupakan metode yang paling umum dilakukan karena mudah diatur. Pengukuran ini memanfaatkan hubungan fisis antara arus dan tegangan listrik yang didasari oleh Hukum Ohm [57]:

R V

= I , (2.23)

20

dengan R adalah nilai resistansi (ꭥ), V adalah tegangan yang diinput (V), dan I adalah arus yang didapat (A).

Sensitivitas adalah parameter untuk megukur kemampuan suatu bahan dalam mendeteksi gas [58]. Adapun nilai sensitivitas dari lapisan tipis terhadap gas dapat diketahui dengan persamaan [59]:

G U

S I

= I , (2.24)

dengan S adalah sensitivitas, I_G adalah nilai arus sampel saat dialiri gas (A), dan

IU adalah arus sampel sebelum gas dialirkan (A).