SINTESIS ZnO
NANORODS
UNTUK APLIKASI ANTI-REFLEKSI
PADA LAPIS TIPIS GaAs
Disusun Oleh :
FITRI NUR AINI
M0313024
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Bidang Ilmu Kimia
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “
SINTESIS ZnO
NANORODS
UNTUK APLIKASI ANTI-REFLEKSI PADA LAPIS TIPIS
GaAs”
belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.Surakarta, Oktober 2017
iv
SINTESIS ZnO NANORODS UNTUK APLIKASI ANTI-REFLEKSI PADA LAPIS
TIPIS GaAs
FITRI NUR AINI
Program Studi Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Telah dilakukan sintesis ZnO nanorods agen anti-refleksi pada lapis tipis GaAs. Material ZnO nanorods disintesis dari prekursor Zn(NO3)2·4H2O dengan penambahan surfaktan Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) rasio 1:0, 1:1, 1:2, dan 1:3 (w/w) menggunakan metode hidrotermal pada suhu 180 °C selama 24 jam. Material ZnO nanorods dikarakterisasi dengan X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission
Electron Microscopy (TEM), Surface Area Analyzer (SAA), dan Spektrofotometer UV-Vis.
Adanya penambahan surfaktan CTAB dan variasi suhu kalsinasi berpengaruh terhadap meningkatnya ukuran kristal. Morfologi material ZnO menunjukkan terbentuknya material nanorods dengan peningkatan penambahan CTAB dan peningkatan suhu kalsinasi. Meningkatnya ukuran kristal dan terbentuknya nanorods meningkatkan sifat optik yaitu menurunkan pantulan cahaya (reflektansi) dan meningkatkan cahaya yang diteruskan (transmitansi). Celah pita (band gap) material ZnO nanorods pada rasio prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB= 1:3 (w/w) suhu kalsinasi 700 °C sebesar 2,6 eV. Absorbansi pada daerah ultraviolet 310-330 nm mengindikasikan bahwa ZnO tidak menyerap cahaya tampak (visible). Evaluasi kinerja agen anti-refleksi pada lapis tipis GaAs meningkat ditunjukkan dengan hasil reflektansi yang lebih rendah dibanding tanpa adanya pelapisan anti-refleksi ZnO nanorods.
v
SYNTHESIS OF ZnO NANORODS FOR ANTI-REFLECTIVE GaAs THIN FILM
FITRI NUR AINI
Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University
ABSTRACT
ZnO nanorods have been successfully synthesized as anti-reflection agent to GaAs thin film. Starting material of ZnO nanorods was prepared from precursor of Zn(NO3)2·4H2O with addition of Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) surfactant with rasio 1:0; 1:1; 1:2; 1:3 (w/w) using hydrothermal method at temperature of 180 °C for 24 hours. Characterization of ZnO nanorods were performed by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), Surface Area Analyzer (SAA), and UV-Vis Spectrophotometer. The addition of CTAB surfactant and calcination treatment affected the increasing of crystal size. Morphology of ZnO nanorods showed the formation of nanorods materials with increased CTAB addition and increased calcination temperature. The increasing size of crystals and the formation of nanorods increased optical properties that decrease the reflection of light (reflectance) and increase the transmitted light (transmittance). Band gap of ZnO nanorods with rasio precursors of Zn(NO3)2.4H2O:CTAB = 1:3 (w/w) that calcined at temperature of 700 °C was 2.6 eV. The absorbance in the 310-330 nm (ultraviolet region) indicated the ZnO did not absorb visible light. The performance of anti-reflection agent on the GaAs thin layer increased shown by the lower reflectance compared to the without coating of anti-reflective ZnO nanorods.
vi
MOTTO
“Kamu bisa jika kamu mau berusaha!”
“Boleh jadi kamu membenci sesuatu, padahal ia amat baik bagimu, dan boleh jadi (pula) kamu menyukai sesuatu, padahal ia amat buruk bagimu; Allah mengetahui, sedang kamu
tidak mengetahui.” (Al-Baqarah: 216)
vii
PERSEMBAHAN
Karya ini saya persembahkan untuk
Ibu, Ayah, dan Kakak tercinta
Terimakasih atas kasih sayang, nasehat, dan semangat yang selalu diberikan Terimakasih telah menjadi supporter terhebat dalam penyelesaian karya ini Terimakasih tidak pernah menuntut, tetapi mengerti bahwa saya akan bertanggungjawab untuk menyelesaikan karya ini
Inorganic Materials Research Group
Terimakasih untuk teman-teman grup riset 13 yang selalu menemani selama penelitian, mengajarkan bagaimana bekerja dalam tim, dan selalu memberi dukungan penuh terhadap selesainya karya ini. Terimakasih untuk Mbak Liya yang selalu memberi dukungan dan menjadi teman diskusi
Teman-Teman Kimia 2013
viii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, karunia, dan izin-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi untuk memenuhi persyaratan guna mencapai gelar Sarjana Sains.
Selama penyusunan laporan ini, penulis tidak lepas dari bimbingan, pengarahan dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada :
1. Allah SWT yang telah memberikan nikmat dan kesempatan kepada penulis untuk berkarya 2. Nabi Muhammad SAW yang telah menjadi suri tauladan bagi seluruh umat
3. Ibu Dr. Sayekti Wahyuningsih, M.Si selaku Pembimbing 1 dan pembimbing akademik 4. Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc (Hons), Ph.D selaku Dekan Fakultas MIPA
dan pembimbing 2
5. Ibu Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si selaku Kepala Prodi Kimia FMIPA UNS
6. Ibu Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M.Si selaku Kepala Laboratorium Kimia FMIPA UNS
7. Bapak dan Ibu dosen Prodi Kimia FMIPA UNS
8. Admin Laboratorium MIPA Terpadu dan Laboratorium Kimia FMIPA UNS 9. Semua pihak yang telah membantu
Penulis menyadari bahwa proposal skripsi ini masih jauh dari sempurna. Penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi hasil yang lebih baik lagi. Penulis juga berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat dan memberi tambahan ilmu bagi pembaca. Aamiin.
Surakarta, Oktober 2017
ix
A.Latar Belakang Masalah ... 1
B. Perumusan Masalah ... 4
C.Tujuan Penelitian ... 7
D.Manfaat Penelitian ... 7
BAB II LANDASAN TEORI ... 8
A.Tinjuan Pustaka ... 8
1. Material Semikonduktor ... 8
2. Lapis Tipis Gallium Arsenida ... 9
3. Material ZnO Nanorods sebagai Anti-refleksi ... 11
4. Sintesis ZnO Nanorods dengan Metode Hidrotermal ... 14
5. Surfaktan ... 16
6. Karakterisasi Material ... 18
B. Kerangka Pemikiran ... 28
C.Hipotesis ... 29
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 30
A.Metodologi Penelitian ... 30
B. Tempat dan Waktu Penelitian ... 30
C.Alat dan Bahan ... 31
x
E. Bagan Alir Penelitian ... 33
F. Teknik Pengumpulan Data ... 34
G.Analisis Data ... 34
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 36
A.Pengaruh penambahan surfaktan CTAB dan variasi kalsinasi terhadap ukuran dan morfologi material ZnO... 36
B. Pengaruh ukuran kristal dan morfologi terhadap sifat optik ZnO nanorods .. 45
C.Karakteristik dan sifat optik ZnO nanorods/GaAs... 53
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 55
A.Kesimpulan ... 55
B. Saran ... 55
DAFTAR PUSTAKA ... 56
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Skema sel surya GaAs dengan anti-refleksi (Su et al ., 2012) ... 10
Gambar 2. Struktur kristal ZnO (Samanta et al., 2017) ... 11
Gambar 3. Struktur kristal ZnO (a) rocksalt, (b) zinc blend, (c) wurtzite (Espitia et al., 2012) ... 12
Gambar 4. Mekanisme refleksi pada permukaan sel surya yang diberi lapisan anti refleksi (Melles, 2009) ... 13
Gambar 5. Reaktor tabung stainless steel untuk sintesis hidrotermal (Byrappa and Adschiri 2007) ... 16
Gambar 6. Struktur hidrofobik dan hidrofilik surfaktan CTAB (Sun et al., 2002) ... 17
Gambar 7. Skema mekanisme pembentukan ZnO nanorods (Shinde et al., 2012) .... 18
Gambar 8. Contoh penentuan puncak untuk analisis FWHM pada suatu sampel ... 20
Gambar 9. Ilustrasi nilai FWHM pada suatu puncak ... 20
Gambar 10. Hasil XRD ZnO nanopowder dengan perbedaan konsentrasi CTAB pada pelarut air (a) tanpa CTAB; (b) 0,1 M; (c) 0,5 M; dan (d) 0,8 M (Wang et al., 2011) 21 Gambar 11. Difraktogram ZnO nanopartikel dengan berbagai variasi konsentrasi CTAB (Ramimoghadam et al., 2012) ... 21
Gambar 12. Mekanisme kerja dari SEM (Abdullah et al., 2009) ... 22
Gambar 13. Pertumbuhan Kristal dari ZnO (Wang, 2004) ... 22
Gambar 14. Karakterisasi SEM ZnO nanopartikel (Jothi et al., 2012) ... 23
Gambar 15. Morfologi TEM ZnO nanorods penambahan CTAB dengan diameter sekitar 50 sampai 80 nm (Jothi et al., 2012) ... 24
Gambar 16. Spektrum UV-Vis ZnO nanorods (Jothi et al., 2012) ... 26
Gambar 17. Spektra reflektansi material ZnO (Wahyuningsih et al., 2016) ... 26
Gambar 18. Penentuan celah pita (band gap) material ZnO dengan metode Tauc (Samanta et al., 2014) ... 27
Gambar 19. Pola difraktogram (a) Standar ICSD No. 067848, ZnO hasil sintesis dengan perbandingan prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB, (b) 1:0, (c) 1:1, (d) 1:2, dan (e) 1:3 (w/w), 1:3 (w/w) kalsinasi (f) 300 °C, (g) 500 °C, dan (h) 700 °C ... 37
Gambar 20. Morfologi SEM ZnO kalsinasi (a) 300 °C, (b) 500 °C, dan (c) 700 °C .... 41
Gambar 21. Distribusi persebaran panjang cluster material ZnO ... 41 Gambar 22. Morfologi TEM ZnO hasil sintesis dengan perbandingan prekursor
xii
Gambar 23. Spektrum absorbansi dari material ZnO hasil sintesis dengan perbandingan prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB (a) 1:0, (b) 1:1, (c) 1:2, dan (d) 1:3 (w/w) 46 Gambar 24. Spektrum absorbansi dari material ZnO hasil sintesis dengan perbandingan
prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB = 1:3 (w/w) variasi suhu (a) 300 °C, (b) 500
perbandingan prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB = 1:3 (w/w) variasi kalsinasi (a) 300 °C, (b) 500 °C, dan (c) 700 °C ... 49 Gambar 27. Spektrum transmitansi material ZnO hasil sintesis perbandingan prekursor
Zn(NO3)2·4H2O:CTAB (a) 1:0, (b) 1:1, (c) 1:2, dan (d) 1:3 (w/w) ... 50 Gambar 28. Spektrum transmitansi material ZnO hasil sintesis perbandingan prekursor
Zn(NO3)2·4H2O:CTAB = 1: 3 (w/w) dengan kalsinasi pada suhu (a) 300 °C, (b) 500 °C, dan (c)700 °C ... 50 Gambar 29. Spektrum reflektansi material ZnO hasil sintesis variasi prekursor
Zn(NO3)2·4H2O:CTAB (a) 1:0, (b) 1:1, (c) 1:2, dan (d) 1:3 (w/w) ... 52 Gambar 30. Spektrum reflektansi material ZnO hasil sintesis perbandingan prekursor
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Nilai parameter dari berbagai macam material semikonduktor dalam divais optoelektronika pada keadaan mendekati temperatur ruang (300 K) (Fukuda, 1999) ... 9
Tabel 2. Penelitian-penelitian sintesis ZnO nanopartikel dengan metode hidrotermal 15 Tabel 3. Ukuran kristal ZnO pada variasi penambahan CTAB dan variasi kalsinasi 39 Tabel 4. Diameter dan panjang cluster rata-rata material ZnO hasil sintesis perbandingan
prekursor:CTAB = 1:3 (w/w) variasi kalsinasi ... 42 Tabel 4. Diameter dan panjang partikel rata-rata ZnO nanorods ... 44 Tabel 5. Luas permukaan ZnO tanpa, penambahan, dan kalsinasi CTAB ... 44
Tabel 6a. Indeks bias material ZnO hasil sintesis penambahan prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB ... 51
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Standar ICSD ZnO No. 067848 ... 67 Lampiran 2. Perhitungan ukuran kristal ZnO dengan variasi penambahan CTAB dan variasi
suhu kalsinasi ... 67 Lampiran 3. Perhitungan diameter dan panjang cluster rata-rata ZnO dengan perbandingan
