PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI FIELD EFFECT TRANSISTOR
(FET) BERBASIS POLY 3-HEXYLTHIOPHENE (P3HT) UNTUK
MENDETEKSI GAS AMONIA
ANDRI GUNAWAN
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
ABSTRAK
ANDRI GUNAWAN.
Pembuatan dan Karkaterisasi
Field Effect Transistor
(FET)
berbasis
Poly 3-hexylthiophene
(P3HT) untuk Mendeteksi Gas Amonia. Dibimbing oleh
Dr. AKHIRUDDIN MADDU
dan
Dr. IRMANSYAH
.
Piranti FET berbasis P3HT telah dibuat dalam penelitian ini untuk dapat mendeteksi
gas amonia. Lapisan silikon dioksida (SiO
2) sebagai lapisan dielektrik pada piranti FET
telah ditumbuhkan di permukaan atas substrat silikon dengan metode
thermal
, lalu substrat
silikon dipanaskan menggunakan
furnace
pada suhu 1000
oC selama 3 jam, kemudian gas
oksigen (O
2) dialirkan ke dalam
furnace
selama proses pemanasan berlangsung yang
bertujuan agar gas oksigen berikatan dengan silikon sehingga membentuk lapisan SiO
2.
P3HT sebagai lapisan aktif pada piranti FET ditumbuhkan di permukaan atas lapisan SiO
2dengan metode
spin coating.
Hasil karakterisasi EDX menunjukkan bahwa dalam substrat
silikon yang telah dioksidasi terdapat kandungan unsur O
2sekitar 35% dan unsur silikon
sekitar 65%. Hasil pengujian karakterisasi I-V menunjukkan arus
drain-source
(I
d-s) yang
diperoleh dipengaruhi oleh perubahan tegangan
gate
(V
g). Semakin besar V
gyang
diberikan maka I
d-syang dihasilkan semakin meningkat. Pengaruh gas amonia terhadap
kurva karakteristik I-V menunjukkan bahwa I
d-syang dihasilkan semakin menurun seiring
dengan penambahan konsentrasi gas amonia. Berdasarkan hasil respon dinamik piranti
terhadap gas amonia memperlihatkan bahwa semakin besar V
gyang diberikan maka
sensitivitas piranti semakin tinggi. Pada saat diberi V
g= -8 volt, setiap perubahan
konsentrasi 1% maka akan terjadi kenaikkan tegangan sebesar 0,264 volt. Sedangkan
ketika V
g= 0 volt, setiap perubahan konsentrasi sebesar 1% maka terjadi kenaikkan
tegangan sebesar 0,236 volt.
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI FIELD EFFECT TRANSISTOR
(FET) BERBASIS POLY 3-HEXYLTHIOPHENE (P3HT) UNTUK
MENDETEKSI GAS AMONIA
ANDRI GUNAWAN
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
LEMBAR PENGESAHAN
Judul
: Pembuatan dan Karakterisasi
Field Effect Transistor
(FET) Berbasis
Poly 3-Hexylthiophene
(P3HT) untuk Mendeteksi Gas Amonia
Nama
: ANDRI GUNAWAN
NIM
: G74080069
Menyetujui,
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Akhiruddin Maddu
NIP. 196609071988021006
Dr. Irmansyah
NIP. 196809161994031001
Mengetahui,
Kepala Departemen Fisika
Dr. Akhiruddin Maddu
NIP. 196609071988021006
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Warungkondang, Kabupaten Cianjur
pada tanggal 7 Januari 1989 dari pasangan Nandan Ruhyat dan
Kartini. Penulis merupakan anak pertama dari tiga bersaudara.
Penulis menyelesaikan masa studi di SD Negeri 1 Kancana
Mulya, SLTP Negeri 2 Warungkondang dan SMA Negeri 1
Warungkondang. Pada tahun 2007 penulis lulus SMA dan di
tahun 2008 penulis melanjutkan pendidikan sarjana strata satu di
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan
Alam (FMIPA), Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur
Seleksi Nasional Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).
Selama menjalani pendidikan di IPB, penulis aktif dalam Organisasi Mahasiswa
Daerah (OMDA) Cianjur sebagai pengurus pada tahun 2009 dan 2010, sebagai staf divisi
PSDM Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) periode 2009-2010. Penulis juga aktif
dalam beberapa kepanitiaan Departemen, Fakultas maupun tingkat IPB. Selain itu penulis
juga pernah menjadi asisten praktikum Sensor dan Transduser pada tahun 2012.
KATA PENGANTAR
Assalamu`alaikum Wr. Wb.
Alhamdulillahhirabbil`alamin,
segala
puji dan syukur penulis panjatkan hanya
kepada-Mu ya Allah, atas segala rahmat dan karunia-Mu serta menunjukkan hamba-Mu
untuk selalu berada di jalan-Mu dan Engkaulah yang telah mengatur segalanya hingga
terselesaikannya skripsi yang berjudul “Pembuatan dan Karakterisasi
Field Effect
Transistor
(FET) Berbasis
Poly 3-Hexylthiophene
(P3HT) untuk Mendeteksi Gas
Amonia”.
Bantuan dan dukungan dari berbagai pihak dalam penulisan skripsi ini sangatlah
berarti bagi penulis. Untuk itu, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada Mamah
dan Papah tercinta yang senantiasa mendo`akan penulis di dalam setiap langkah dan
sujudnya, menyayangi, mengasihi, serta memberikan motivasi kepada penulis agar selalu
bersemangat. Dalam kesempatan ini, penulis juga mengucapkan terima kasih kepada:
Bapak Dr. Akhiruddin Maddu dan Bapak Dr. Irmansyah, selaku Dosen Pembimbing
dalam penelitian ini yang telah memberikan bimbingan, arahan, masukan, serta
motivasi sehingga tersusunya skripsi ini.
Bapak Dr. Tony Ibnu Sumaryada selaku Dosen Penguji atas saran dan masukannya.
Bapak Ir. Hanedi Darmasetiawan, M.S, selaku Dosen Editor atas bantuannya
menyelesaikan skripsi ini.
Bapak Firman (TU Fisika) atas semua kebaikan dan bantuannya, semoga Allah
membalas semua pengorbanan dan kebaikan bapak.
Staf pengajar, Tata Usaha, dan semua Pegawai Departemen Fisika, Institut Pertanian
Bogor. Atas bimbingan, semangat, dan pengetahuannya.
Bapak Taufik Jasa Lesmana selaku pendamping dalam melakukan penelitian.
Adikku yang tersayang Siti Nuraeni dan Muhammad Fajar Sidik yang selalu
mendo`akan penulis agar cepat lulus dan balik ke rumah.
Semua keluarga dari Mamah dan Papah yang selalu mendoakan penulis agar cepat
lulus.
Tim FET
(Farqan, Roy, dan Zainal) atas kebersamaan dan kerjasamanya disaat senang
maupun susah.
Teman seperjuangan Fisika 45 atas segala bantuan, semangat, dan kebersamaan yang
indah selama di IPB.
Rekan-rekan Fisika 44 dan 46 terima kasih untuk segala bantuan, kerjasama, dan
kebersaan.
Last but special,
Novi Selvia
thanks
atas perhatian dan pengertiannya.
Semoga skripsi ini dapat bermanfaat dikemudian hari dan semoga Allah SWT
senantiasa melimpahkan rahmat dan karunianya untuk kita semua. Aamiin.
Wassalamu`alakium Wr. Wb.
Bogor, Februari 2013
vi
vi
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR LAMPIRAN ... vii
BAB I PENDAHULUAN ...
1
1.1 Latar Belakang ...
1
1.2 Tujuan Penelitian ...
1
1.3 Rumusan Masalah ...
1
1.4 Hipotesis ...
1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...
1
2.1 Transistor ... 1
2.2 Polimer Konduktif ...
2
2.3 Silikon ...
3
2.4 Silikon Dioksida (SiO
2) ...
3
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...
3
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ...
3
3.2 Alat dan Bahan Penelitian ...
3
3.3 Prosedur Penelitian ...
4
3.3.1 Penumbuhan lapisan SiO
2di permukaan atas substrat silikon ... 4
3.3.2 Karakterisasi EDX (energi dispersif sinar-X) ...
4
3.3.3 Penumbuhan lapisan aktif
poly 3-hexylthiophene
...
4
3.3.4 Pembuatan kontak ...
4
3.3.5 Karakterisasi arus-tegangan ...
4
3.3.6 Pengujian respon piranti ketika bereaksi dengan gas amonia ...
4
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ...
5
4.1 Pembuatan dan Karakterisasi Lapisan SiO
2...
5
4.2 Karakterisasi I-V FET ...
5
4.3 Interaksi Kimia Antara Gas Amonia dengan P3HT ...
6
4.4 Pengaruh Konsentrasi Gas Amonia terhadap Karakterisasi I-V FET ...
6
4.5 Respon Dinamik Piranti FET terhadap Konsentrasi Gas Amonia ...
7
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...
8
5.1 Kesimpulan ...
8
5.2 Saran ...
8
DAFTAR PUSTAKA ...
8
vii
vii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1 Struktur FET ...
2
Gambar 2 Karakteristik I-V FET ...
2
Gambar 3 Struktur
poly 3-hexylthiophene
...
2
Gambar 4 Struktur dua dimensi kristal silikon ...
3
Gambar 5 Struktur silikon tipe-p ...
3
Gambar 6 Struktur piranti FET ...
4
Gambar 7 Rangkaian pengujian arus-tegangan ...
5
Gambar 8 Skema pengujian respon dinamik piranti FET ...
5
Gambar 9 Lapisan SiO
2di permukaan atas substrat silikon ...
5
Gambar 10 Spektrum EDX substrat silikon yang telah dioksidasi ...
5
Gambar 11 Karakteristik I-V FET ...
5
Gambar 12 Interaksi kimia antara gas amonia dengan P3HT...
6
Gambar 13 Hubungan arus
drain-source
terhadap tegangan
drain-source
dengan
berbagai konsentrasi gas amonia ...
7
Gambar 14 Hubungan arus
drain-source
terhadap konsentrasi gas amonia ...
7
Gambar 15 Respon dinamik pada V
g= 0 V dan V
g= -8 V...
8
Gambar 16 Hubungan tegangan stasioner terhadap konsentrasi gas amonia pada
V
g= 0 V dan V
g= -8 V ...
8
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1 Diagram alir penelitian ... 10
Lampiran 2 Alat dan bahan yang digunakan ... 11
Lampiran 3 Karakterisasi I-V
field effect transistor
(FET) ... 12
Lampiran 4 Karakterisasi I-V FET dengan konsentrasi gas amonia
(pada Vg=-8 volt) ... 13
Lampiran 5.1 Respon dinamik piranti FET terhadap konsentrasi
gas amonia (Vg=0 volt) ... 15
Lampiran 5.2 Respon dinamik piranti FET terhadap konsentrasi gas amonia
(Vg=-8 volt) ... 16
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Gas amonia yang berbau tidak sedap dan menyengat dapat membahayakan kesehatan manusia. Efek jangka pendek mengakibatkan iritasi terhadap saluran pernapasan, hidung, tenggorokan, dan mata. Kontak dengan mata dapat menimbulkan iritasi hingga kebutaan total. Kontak dengan kulit dapat menyebabkan luka bakar (frostbite). Efek jangka panjang (kronis) menghirup gas amonia dengan konsentrasi yang tinggi secara terus-menerus dapat mengakibatkan kerusakan pada paru-paru dan bahkan menyebabkan kematian.1 Sehubungan dengan bahaya yang ditimbulkan oleh gas amonia, maka diperlukan suatu sistem atau alat yang dapat digunakan untuk mendeteksi keberadaan gas amonia tersebut.2
Pendeteksian bahan-bahan kimia beracun di lingkungan akan lebih efektif jika menggunakan teknik sederhana dan alat yang mudah digunakan. Alat tersebut harus memiliki kemampuan memonitor lingkungan, seperti lingkungan kerja, pabrik dan rumah secara kontinyu, sehingga dapat melaporkan tingkat pencemaran setiap saat.3 Salah satu bentuk dari alat tersebut ialah berupa sensor. Sensor gas amonia bermacam-macam, salah satunya ialah menggunakan material polimer konduktif.
Penelitian terhadap pembuatan sensor gas berbasis polimer konduktif telah banyak dilakukan mulai dari awal tahun 1980. Polimer konduktif sering digunakan sebagai lapisan aktif sensor yang dapat mendeteksi keberadaan gas sekaligus dengan konsentrasinya. Sensor berbasis polimer konduktif memiliki banyak kelebihan dibandingkan dengan sensor komersial yang terbuat dari oksida logam. Sensor berbasis polimer konduktif memiliki sensitivitas yang tinggi, waktu respon yang singkat dan beroperasi pada suhu ruangan, sedangkan sensor berbasis oksida logam dioperasikan pada suhu yang tinggi.4 Tingginya suhu operasi yang dibutuhkan oleh sensor gas berbasis oksida logam menyebabkan pemakaian piranti ini menjadi tidak efisien, tidak portable, dan menghabiskan energi yang besar. Oleh karena itu dibutuhkan material lain yang tidak memerlukan suhu operasi yang tinggi. Polimer konduktif sebagai lapisan aktif pada sensor gas telah terbukti memiliki sensitivitas yang tinggi dalam mendeteksi gas, meskipun beroperasi pada suhu ruang.
Dalam beberapa tahun belakangan ini, piranti field effect transistor (FET) telah banyak diteliti untuk digunakan dalam beberapa aplikasi seperti light emitting field effect transistor, memory devices, smart cards,
dan sensor gas.5-8 Konfigurasi sensor berbentuk FET memiliki parameter pengukuran yang lebih banyak dibandingkan dengan chemiresistor, serta memiliki sensitivitas yang lebih baik.9
Dalam penelitian ini akan dikembangkan FET berbasis polimer konduktif poly 3-hexylthiophene (P3HT) untuk mendeteksi gas amonia. Lapisan polimer konduktif yang telah terbentuk dapat berinteraksi dengan gas amonia, sehingga besarnya konsentrasi gas amonia yang ikut bereaksi dapat diubah dalam bentuk besaran fisika.
1.2 Tujuan Penelitian
1. Menumbuhkan lapisan silikon dioksida (SiO2) sebagai lapisan dielektrik pada piranti field effect transistor (FET) berbasis polimer konduktif poly 3-hexylthiophene (P3HT).
2. Menguji sifat listrik dari field effect transistor (FET) berbasis polimer konduktif poly 3-hexylthiophene (P3HT). 3. Menguji respon piranti ketika bereaksi
dengan gas amonia.
1.3 Perumusan Masalah
1. Apakah polimer konduktif poly 3-hexylthiophene dapat berinteraksi dengan gas amonia?
2. Bagaimana membuat sensor gas amonia yang sederhana dengan sensitivitas tinggi?
1.4 Hipotesis
1. Semakin besar tegangan gate (Vg) yang diberikan maka arus drain source
(Id-s) yang dihasilkan akan semakin besar. 2. Arus drain source (Id-s) akan semakin
menurun seiring dengan penambahan konsentrasi gas amonia.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Transistor
Pada tahun 1951, William Schockley menemukan transistor sambungan pertama, komponen semikonduktor yang dapat menguatkan sinyal elektronik seperti sinyal radio dan televisi. Kumpulan transistor telah banyak menghasilkan rangkaian semikonduktor lain termasuk rangkaian terpadu (IC) yang merupakan suatu komponen
2
kecil yang mengandung ribuan transistor miniatur.10
Ada dua jenis transistor yaitu transistor sambungan bipolar (bipolar junction transistor, BJT) dan transistor efek medan (field effect transistor, FET), yang karakteristik kerja dan strukturnya berbeda. Transistor efek medan (FET) adalah piranti terkendali tegangan, yang berarti karakteristik keluaran dikendalikan oleh tegangan masukan.11
Konfigurasi FET biasanya dibuat dengan menggunakan teknik deposisi lapisan tipis seperti evaporation, sputtering, chemical vapor deposition, dan spin-coating. FET terdiri dari tiga terminal, dimana pengisian konduksi antara dua terminal source dan drain
dikendalikan oleh modulasi potensial listrik dari terminal ketiga yaitu gate. Struktur FET diilustrasikan pada Gambar 1.
Prinsip kerja dari FET yaitu dengan mengontrol distribusi pembawa muatan dalam semikonduktor dengan menggunakan medan listrik-dalam. Jika polimer organik yang digunakan tipe-p, dengan memberikan tegangan negatif pada elektroda gate akan menghasilkan akumulasi muatan positif pada lapisan aktif di sekitar permukaan dielektrik. Ketika muatan pembawa sudah cukup terakumulasi, konduktivitas daerah akumulasi muatan meningkat secara drastis, akibatnya akan meningkatkan arus antara drain dan
source.12
Gambar 1 Struktur FET.12
Gambar 2 Karakteristik I-V FET.12
2.2 Polimer Konduktif
Polimer konduktif adalah polimer organik yang dapat menghantarkan arus listrik. Bahan-bahan tersebut biasanya merupakan material semikonduktor dengan koduktivitas listrik seperti logam atau oksida logam. Polimer konduktif mempunyai bermacam-macam struktur dengan harga yang relatif murah, mudah dibuat, dan dapat diproses secara mekanik.13
Hampir 30 tahun yang lalu, polimer konduktif telah digunakan sebagai material pembuatan alat-alat elektronik. Konduktivitas listrik polimer dapat diubah-ubah mulai dari yang bersifat insulator sampai bersifat logam melalui reaksi kimia atau pendadahan secara elektrokimia. Konduktivitas listrik polimer berkaitan dengan keadaan redoks (tingkatan
doping) dan tingkatan doping ini dapat dimodulasi oleh interaksi antara polimer dengan bahan lain. Perubahan hambatan, arus, dan potensial kimia sebanding dengan respon polimer terhadap material yang saling berinteraksi.14
Polypirrole (Ppy), polyaniline (PANI),
polythiophene (PTh), dan turunannya merupakan sebagian kecil polimer konduktif yang dapat digunakan sebagai lapisan aktif sensor gas, hidrokarbon, dan polutan di dalam air. Sintesis polimer-polimer konduktif ini dapat dilakukan melalui reaksi oksidasi pada masing-masing monomernya.15
Polimer thiophene relatif stabil di udara bebas maupun di lingkungan air dan memiliki mobilitas hole yang tinggi. Polytiophene dapat dibuat dari monomer 3-metylthiophene secara klasik maupun elektrokimia. Polythiophene
merupakan salah satu polimer konduktif jenis aromatik heterocylic yang hampir mirip dengan pyrrole. Rumus kimianya adalah C4H4S, disini sulfur merupakan heteroatom sedangkan poly 3-hexylthiophene merupakan turunan dari polythiophene. Struktur poly 3-hexylthiophene ditunjukkan pada Gambar 3.
3
2.3 Silikon
Silikon merupakan salah satu unsur yang melimpah ruah di kerak bumi. Sebagian besar unsur bebas silikon tidak ditemukan di alam. Oleh karena itu, silikon dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan pasir dengan karbon yang berkualitas tinggi. Silikon untuk penggunaan bahan semikonduktor dimurnikan lebih lanjut dengan metode pelelehan berzona kristal czochralski. Kristal silikon ini memiliki kilap logam dan mengkristal dengan struktur intan.17
Struktur atom kristal silikon terdiri dari satu inti atom yang masing-masing terdiri dari 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 buah elektron (oktaf), sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya (Gambar 4).
Silikon tipe-p dapat dibuat dengan menambahkan atom trivalen (Aluminium (Al), Boron (B), Galium (Ga) atau Indium (In)) pada silikon murni. Atom pengotor ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen.18 Penambahan atom pengotor tersebut mengakibatkan timbulnya sejumlah ruang kosong yang dapat dimuati elektron, ruang ini disebut hole (Gambar 5). Hole yang terbentuk akan digunakan sebagai pembawa muatan serta dapat digerakan di dalam susunan atom-atom dengan menerapkan beda potensial pada bahan ini.19
Gambar 4 Struktur dua dimensi kristal silikon.17
Gambar 5 Struktur silikon tipe-p.19
2.4 Silikon Dioksida (SiO2)
Silikon dioksida (SiO2) atau biasa juga disebut silika pada umumnya ditemukan di alam dalam batu pasir, pasir SiO2 atau
quartzite. Zat ini merupakan material dasar pembuatan kaca dan keramik. SiO2 merupakan salah satu material oksida yang keberadaannya berlimpah di alam, khususnya di kulit bumi. SiO2 bisa dalam bentuk amorf dan kristalin. Terdapat tiga bentuk kristal SiO2, yaitu quartz (kuarsa), tridymite, dan cristobalite.20 Kuarsa merupakan SiO2 yang paling umum dan berlimpah dalam sebagian besar jenis batuan, khususnya granit, batu pasir, kuarsit, dan pasir.
Cristobalite dan tridymite ditemukan dalam batuan volkan. Sedangkan SiO2 non-kristal (amorf) ditemukan di alam sebagai biogenik
SiO2 dan SiO2 gelas yang berasal dari abu
volkan.21
SiO2 digunakan sebagai gate dielektrik karena bentuk amorf yang sesuai untuk insulator yang mempunyai daya tahan terhadap medan listrik yang tinggi (sekitar 10 MV/cm), kesetabilan terhadap panas, dan lebih lagi karena kualitas interlayer Si/SiO2 ini penting karena merupakan bagian utama chanel untuk perlintasan carrier (baik hole atau electron).17
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan dari bulan Februari 2012 sampai dengan bulan Januari 2013 di Laboratorium Biofisika Material, Laboratorium Fisika Material, dan Laboratorium Biofisika Membran, Departemen Fisika IPB.
3.2 Alat dan Bahan Penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah gelas piala, gelas ukur, kaca preparat, kaca silinder, alumunium foil, penggaris, pipet
volumetric, sarung tangan, maskar, pipet tetes, pemotong kaca, neraca analitik, syringe, chamber, ultrasonic bath, hotplate, furnace,
spin coater, I-V meter Khetley 2400, dan PASCO Science Workshop 750. Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian adalah
silicon wafer, gas oksigen, poly 3-hexylthiophene, chloroform, aquades, dry water, H2O2, H2SO4,aseton, dan gas amonia.
3.3 Prosedur Penelitian
3.3.1 Penumbuhan lapisan SiO2 di
permukaan atas substrat silikon
Lapisan SiO2 ditumbuhkan di permukaan atas substrat silikon dengan metode thermal. hole
4
Seluruh sampel disiapkan menggunakan substrat silikon tipe-p. Prosedur pembersihan silikon adalah sebagai berikut : Mula-mula silikon dicuci dengan aseton dalam ultrasonic bath selama 30 menit, proses ini bertujuan untuk menghilangkan kotoran organik soluble
yang menempel pada silikon. Selanjutnya silikon direndam dalam asam
peroxymonosulphuric selama 15 menit, perlakuan ini bertujuan untuk melepaskan kotoran organik insoluble pada silikon. Kemudian silikon dibilas dengan dry water. Setelah itu dilakukan proses pemanasan dengan furnace selama 3 jam pada suhu 1000oC. Gas oksigen dialirkan ke dalam
furnace selama proses pemansan.
3.3.2 Karakterisasi EDX (energi dispersif sinar-X)
Karakterisasi EDX dilakukan untuk memastikan SiO2 telah tumbuh pada substrat silikon yang telah dioksidasi. Informasi yang diperoleh dari pengujian komposisi dengan menggunakan EDX adalah spektrum energi sinar-X dan intensitas. Jenis atom-atom atau unsur-unsur yang terkandung dalam sampel dapat diketahui dari spektrum energi sinar-X. Persentase unsur-unsur yang terkandung dalam sampel dapat diketahui dari tingginya intensitas.
3.3.3 Penumbuhan lapisan aktif poly
3-hexylthiophene
Lapisan aktif poly 3-hexylthiophene
(P3HT) ditumbuhkan di permukaan atas SiO2 dengan metode spin coating. Sebanyak 2 mg P3HT dilarutkan ke dalam 4 ml chloroform, proses pelarutan dilakukan dengan menggunakan hotplate dan pengaduk magnetik dengan laju putaran400 rpm selama 10 menit. Larutan yang dihasilkan diteteskan di permukaan atas SiO2, kemudian diputar dengan laju sekitar 1000 rpm menggunakan
spin coater. Selanjutnya dilakukan proses pemanasan dengan hotplate pada suhu 80oC selama 1 jam.
3.3.4 Pembuatan kontak
Pembuatan kontak dilakukan di Laboratorium MOCVD Institut Teknologi Bandung. Pembuatan kontak dilakukan dengan metode evaporation pada tekanan 10-5 barr. Coating alumunium ditumbuhkan di permukaan atas lapisan polimer konduktif sebagai elektroda source dan elektroda drain. Sedangkan elektroda gate, ditumbuhkan di permukaan atas substrat silikon.
3.3.5 Karakterisasi arus-tegangan
Karakterisasi arus-tegangan (I-V) dilakukan dengan menggunakan alat Khetley 2400 source meter dan power supply.
Pengukuran dilakukan dengan
menghubungkan elektroda negatif dari power supply pada elektroda gate dan elektroda negatif dari I-V meter dihubungkan pada elektroda drain. Sedangkan elektroda positif dari power supply maupun I-V meter dihubungkan pada elektroda source.
3.3.6 Pengujian respon piranti ketika bereaksi dengan gas amonia
Pengujian dilakukan di dalam test chamber, selanjutnya diberikan tegangan konstan pada elektroda gate (Vg). Variasi tegangan diberikan pada elektoda drain (Vd), kemudian arus drain (Id) diukur. Pengukuran ini dilakukan dengan memberikan gas amonia ke dalam chamber dengan konsentrasi gas yang berbeda-beda. Arus yang dihasilkan akan berubah ketika piranti berinteraksi dengan molekul gas. Besarnya perubahan arus bergantung pada konsentrasi molekul gas.
Selanjutnya dilakukan pengujian respon dinamik piranti terhadap gas amonia. Pengujian respon dinamik dilakukan dengan menggunakan PASCO Science Workshop 750. Piranti dimasukkan ke dalam test chamber,
selanjutnya piranti dirangkai seri dengan resistor. Rangkaian tersebut dihubungkan dengan baterai 9 volt sebagai sumber tegangan, dan dihubungkan dengan alat PASCO science workshop 750.
5
Gambar 7 Rangkaian pengujian arus-tegangan.
Gambar 8 Skema pengujian respon dinamik piranti FET .
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Pembuatan dan Karakterisasi Lapisan SiO2
Lapisan silikon dioksida (SiO2) sebagai lapisan dielektrik pada piranti FET telah ditumbuhkan di permukaan atas substrat silikon dengan metode thermal, dengan perlakuan substrat silikon dipanaskan dengan
furnace pada suhu 1000oC selama 3 jam. Kemudian gas oksigen (O2) dialirkan ke dalam
furnace selama proses pemanasan berlangsung yang bertujuan agar gas oksigen berikatan dengan silikon sehingga membentuk lapisan SiO2. Lapisan SiO2 yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 9, tampak terdapat perbedaan warna antara substrat silikon dan lapisan SiO2. Warna lapisan SiO2 yang dihasilkan adalah kuning keemasan, sedangkan warna substrat silikon adalah perak.
Gambar 9 Lapisan SiO2 di permukaan atas substrat silikon.
Gambar 10 Spektrum EDX substrat silikon yang telah dioksidasi.
Gambar 10 menunjukkan spektrum EDX substrat silikon yang telah dioksidasi. Karakteristik EDX dilakukan di Pusat Penelitian Geologi Kelautan (PPGL) Bandung. Karakterisasi EDX digunakan untuk mengetahui persentase unsur oksigen (O2) yang ada dalam substrat silikon. Hasil karakterisasi EDX menunjukkan bahwa dalam sampel terdapat kandungan unsur O2 sekitar 35% dan unsur silikon sekitar 65%. Berdasarkan hasil karakterisasi EDX lapisan SiO2 telah berhasil ditumbuhkan di permukaan atas substrat silikon.
4.2 Karakterisasi I-V FET
Karakterisasi I-V dilakukan dengan menggunakan alat Khetley 2400 source meter
(I-V meter). Elektroda drain dan source
dihubungkan pada I-V meter, elektroda gate
dihubungkan pada power supply. Tegangan
drain yang digunakan bervariasi dari 0 sampai -10 volt dan tegangan pada elektroda gate
divariasikan dari 0 sampai -8 volt. Karakterisasi I-V field effect transistor (FET) dapat dilihat dari kurva arus drain-source (Id-s) terhadap tegangan drain-source (Vd-s) dengan memberikan variasi tegangan gate (Vg).
Gambar 11 Karakteristik I-V FET.
-250 -200 -150 -100 -50 0 - 1 0 - 8 - 6 - 4 - 2 0 Id-s ( µ A ) Vd-s (V) Vg= 0 volt Vg= -2 volt Vg= -4 volt Vg= -6 volt Vg= -8 volt
6
Hasil karakterisasi I-V FET ditunjukkan pada Gambar 11, pada saat tegangan gate
diberikan, arus drain-source akan mengalami perubahan. Semakin besar tegangan gate yang diberikan maka arus drain-source yang dihasilkan akan semakin besar. Hal ini dikarenakan lapisan aktif atau polimer yang digunakan merupakan polimer tipe-p, sehingga ketika diberikan tegangan negatif pada elektroda gate terjadi akumulasi muatan positif pada lapisan aktif di sekitar permukaan dielektrik.12 Akumulasi muatan inilah yang menyebabkan arus drain-source meningkat.
4.3 Interaksi Kimia Antara Gas Amonia dengan P3HT
Mekanisme interaksi kimia antara gas amonia dengan P3HT menyebabkan dedoping
pada konsentrasi yang lebih rendah. Pengaruh
dedoping NH3 pada P3HT dijelaskan dalam proses pemurnian P3HT disintesis. Dalam kondisi normal (tanpa paparan NH3) piranti berperilaku sebagai p-channel dengan hole
sebagai pembawa muatan mayoritas. Kenaikkan nilai resistansi P3HT ketika berinteraksi dengan gas amonia terjadi karena pembawa muatan (hole) dari P3HT semakin berkurang, yang mengakibatkan penurunan arus yang mengalir pada P3HT.22
Gambar 12 Interaksi kimia antara gas amonia dengan P3HT.22
4.4 Pengaruh Konsentrasi Gas Amonia terhadap Karakterisasi I-V FET
Pengujian dilakukan dengan memasukkan piranti FET ke dalam test chamber kemudian diberikan tegangan konstan pada elektroda
gate sebesar -8 volt dengan menggunakan
power supply. Piranti FET dihubungkan dengan I-V meter yang sudah terhubung pada
personal computer (PC) dengan menggunakan sebuah interface. Mula-mula I-V meter dijalankan pada kondisi tanpa gas amonia, kemudian diberi gas amonia dengan menggunakan syringe ke dalam chamber I-V meter kembali dijalankan. Setelah itu dilakukan penambahan konsentrasi gas amonia ke dalam chamber yang konsentrasinya sama dengan konsentrasi yang pertama sehingga konsentrasi gas amonia dalam chamber
menjadi 2 kali konsentrasi gas amonia awal dan I-V meter kembali dijalankan. Selanjutnya dilakukan penambahan konsentrasi gas amonia yang sama seperti penambahan yang kedua sehingga konsentrasi gas amonia pada
chamber menjadi 3 kali konsentrasi gas amonia awal, sehingga diperoleh kurva pengaruh konsentrasi gas amonia terhadap karakterisasi I-V FET.
Gambar 13 hubungan arus drain-source
terhadap tegangan drain-source dengan berbagai konsentrasi gas amonia. Ketika diberi gas amonia, arus drain-source mengalami perubahan. Kurva karakteristik I-V menunjukkan bahwa nilai arus drain-source yang dihasilkan semakin menurun seiring dengan penambahan konsentrasi gas amonia. Penurunan nilai arus drain-source
pada tegangan gate konstan (Vg = -8 volt) disebabkan oleh adanya kenaikkan resistansi pada lapisan aktif P3HT.22 Pada Gambar 13, kurva berwarna biru menunjukkan kondisi tanpa ada gas amonia. Kurva berwarna merah menunjukkan kondisi ketika diberi gas amonia dengan konsentrasi 1,887%. Kurva warna hijau menunjukkan kondisi ketika diberi gas amonia dengan konsentrasi 3,774%. Sedangkan pada kurva berwarna ungu menunjukkan kondisi ketika diberi gas amonia dengan konsentrasi 5,660%.
7
Gambar13 Hubungan arus drain-source terhadap tegangan drain-source dengan berbagai konsentrasi gas amonia.
Gambar 14 Hubungan arus drain-source terhadap
konsentrasi gas amonia.
Gambar 14 memperlihatkan arus drain-source terhadap konsentrasi gas amonia pada tegangan drain-source sebesar -10 volt dengan tegangan gate konstan sebesar -8 volt, yang diperoleh dari kurva hubungan arus drain-source terhadap tegangan drain-source dengan berbagai konsentrasi gas amonia (Gambar 13). Dari data yang diperoleh dapat dilihat bahwa kurva linier pada gas amonia dengan konsentrasi dari 0-3,774%. Kondisi ini menunjukkan bahwa daerah kerja piranti FET yang efektif berada pada rentang konsentrasi 0% sampai 3,774%.
4.5 Respon Dinamik Piranti FET
terhadap Konsentrasi Gas Amonia
Pengujian dilakukan dengan memasukkan piranti FET ke dalam test chamber kemudian diberikan tegangan dengan menggunakan baterai 9 volt. Elektroda gate dihubungkan pada power supply. Piranti FET dihubungkan dengan sensor tegangan yang sudah
dihubungkan pada personal computer (PC) dengan menggunakan sebuah interface. Pengujian dilakukan pada 2 kondisi yaitu pada kondisi tidak diberikan tegangan gate (Vg = 0 volt) dan pada kondisi diberi tegangan gate (Vg = -8 volt). Mula-mula sensor dijalankan pada kondisi tanpa gas amonia, kemudian diberi gas amonia dengan menggunakan syringe ke dalam chamber dan ditahan beberapa saat. Tegangan naik hingga ke keadaan stasioner, hal ini disebabkan oleh adanya kenaikkan resistansi pada lapisan aktif P3HT.22 Setelah itu dilakukan penambahan konsentrasi gas amonia ke dalam chamber yang konsentrasinya sama dengan konsentrasi yang pertama sehingga konsentrasi gas amonia dalam chamber menjadi 2 kali konsentrasi gas amonia awal dan ditahan beberapa saat. Tegangan kembali naik hingga ke keadaan stasioner. Selanjutnya dilakukan penambahan yang sama seperti penambahan yang kedua sehingga konsentrasi gas amonia pada
chamber menjadi 3 kali konsentrasi gas amonia awal dan ditahan beberapa saat. Tegangan kembali naik hingga ke keadaan stasioner. Kemudian tutup chamber dibuka sehingga gas amonia yang ada dalam chamber
keluar dan konsentrasi gas amonia dalam
chamber semakin berkurang, yang mengakibatkan tegangan turun kembali ke keadaan semula, sehingga diperoleh kurva respon dinamik piranti FET terhadap konsentrasi gas amonia.
Gambar 15 menunjukkan respon dinamik piranti FET terhadap konsentrasi gas amonia. Ketika diberi gas amonia dengan konsentrasi 1,887% dan ditahan beberapa saat, tegangan naik sampai ke keadaan stasioner. Pada penambahan gas amonia sehingga konsentrasinya menjadi 3,774% dan ditahan beberapa saat, juga terjadi kenaikkan tegangan hingga ke keadaan stasioer. Begitu juga pada penambahan konsentrasi gas amonia dengan konsentrasi menjadi 5,660%. Ketika chamber
dibuka gas amonia keluar dari chamber
tersebut, sehingga konsentrasi gas amonia di dalam chamber semakin berkurang, yang mengakibatkan tegangan kembali turun ke keadaan semula. Berdasarkan kurva respon dinamik (Gambar 15), terlihat bahwa variasi tegangan gate (Vg) yang diberikan mempengaruhi tegangan keluaran. Semakin besar tegangan gate yang diberikan, maka tegangan keluaran yang dihasilkan semakin kuat. -150 -130 -110 -90 -70 -50 -30 -10 - 1 0 - 8 - 6 - 4 - 2 0 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 1 2 3 4 5 6 Id-s ( µ A ) Vd-s (V) 0 % gas amonia 1,887 % gas amonia 3,774 % gas amonia 5,660 % gas amonia Vg= -8 volt Id-s ( µ A ) Konsentrasi (%) Vg= -8 volt Vd-s= -10 volt
8
Gambar 15 Respon dinamik pada Vg = 0 V dan Vg = -8 V.
Berdasarkan kurva respon dinamik tersebut, tampak tiga nilai tegangan stasioner yang meningkat seiring kenaikkan konsentrasi gas amonia. Dari data tersebut dibuat kurva tegangan stasioner terhadap konsentrasi gas amonia. Kemudian dapat ditentukan nilai sensitivitas piranti FET terhadap konsentrasi gas amonia yang diperoleh dari perbandingan perubahan tegangan keluaran dengan konsentrasi gas amonia.
Gambar 16 menunjukkan kurva hubungan tegangan stasioner terhadap konsentrasi gas amonia. Berdasarkan kurva tersebut didapat nilai sensitivitas berbanding lurus dengan tegangan gate yang diberikan. Semakin besar tegangan gate yang diberikan maka sensitivitas dari piranti FET semakin tinggi. Pada saat diberi Vg = -8 volt, setiap perubahan konsentrasi 1% maka akan terjadi kenaikkan tegangan sebesar 0,264 volt. Sedangkan ketika Vg = 0 volt, setiap perubahan konsentrasi sebesar 1% maka terjadi kenaikkan tegangan sebesar 0,236 volt.
Gambar 16 Hubungan tegangan stasioner terhadap konsentrasi gas amonia pada Vg = 0 V dan Vg = -8 V.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Lapisan dielektrik SiO2 telah berhasil ditumbuhkan di permukaan atas substrat silikon dengan menggunakan metode thermal. Hal ini dapat dilihat dari hasil karakterisasi menggunakan EDX, tampak dalam substrat silikon yang telah dioksidasi terdapat kandungan unsur O2 sekitar 35% dan unsur silikon sekitar 65%.
Piranti FET dibuat dengan cara menumbuhkan lapisan aktif poly 3-hexylthiophene di permukaan atas lapisan SiO2 dengan metode spin coating. Kurva karakteristik I-V menunjukkan arus drain-source (Id-s) yang diperoleh dipengaruhi oleh perubahan tegangan gate (Vg). Semakin besar Vg yang diberikan maka Id-s yang dihasilkan semakin meningkat.
Respon piranti terhadap gas amonia dapat dilihat dari pengaruh gas amonia terhadap kurva karakteristik I-V FET dan respon dinamik piranti terhadap gas konsentrasi gas amonia. Pengaruh gas amonia terhadap kurva karakteristik I-V menunjukkan bahwa Id-s yang dihasilkan semakin menurun seiring dengan penambahan konsentrasi gas amonia. Berdasarkan hasil respon dinamik piranti FET terhadap gas amonia memperlihatkan bahwa semakin besar Vg yang diberikan maka sensitivitas piranti semakin tinggi. Pada saat diberi Vg = -8 volt, setiap perubahan konsentrasi 1% maka akan terjadi kenaikkan tegangan sebesar 0,264 volt. Sedangkan ketika Vg = 0 volt, setiap perubahan konsentrasi sebesar 1% maka terjadi kenaikkan tegangan sebesar 0,236 volt
5.2 Saran
Penelitian ini dapat dikembangkan lebih lanjut dengan menyediakan chamber test yang dilengkapi keran pembuangan sehingga gas amonia dapat dikeluarkan dengan mudah dan menggunakan ruang vakum yang khusus untuk penumbuhan lapisan aktif agar tidak terkontaminasi.
DAFTAR PUSTAKA
1 Christopel, D. P. 2009. Pembuatan dan karakterisasi sensor gas amonia berbasis polianilin [skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
2 Muliadi, L. O. 2006. Pembuatan sensor fiber optik dengan cladding polianilin untuk mengukur gas amonia [skripsi].
0 1 2 3 4 5 6 0 20 40 60 80 100 120 140 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 waktu (S) Vg= 0 volt Vg= -8 volt 1,887 % 1,887% 3,774 % 5,660 % 3,774 % 5,660% NH3 Te g an g an ( V ) Vg= 0 volt Vg= -8 volt Te g an g an ( V ) Konsentrasi (%) V = 0,264x + 3,668 V = 0,236x + 3,462
9
Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
3 Flueckiger, J., Frank, K., Karen, C. Cheung. 2009. Microfabricated formaldehyde gas sensors. Sensors, 9, 9196-9215.
4 Bai, H., Gaoquan, Shi. 2007. Gas sensors based on conducting polymers. Sensors,
7, 267-307.
5 Ahn, T. et al. 2008. Hybridization of a low temperature processeble polymide gate insulator for high ferformence pentacene thin film transistor. Electron, 9, 711-720.
6 Facchetti, A., Yoon, M. H., Marks, T. J. 2005. Gate dielectrics for organic field-effect-transistor: new opportunities for elektronics. Mater, 17, 1705.
7 Sirringhaus, H. 2005. Device physics of solution-processed organic field-effect-transistior. Mater, 17, 20, 2411-2425. 8 Forrest, S. R. 2004. The path to
ubiquitous and low-cost organic elelctronics appliences on plastic. Nature, 428, 911-918.
9 Janata, J., Mira, J. 2003. Conducting polymer in electronic chemical sensor.
Nature Materials Vol 2.
10 Malvino, A. P. 2003. Prinsip-Prinsip
Elektronika. Jakarta: Salemba Teknika.
11 Widodo, T. S. 2002. Elektronika Dasar.
Jakarta: Salemba Teknika.
12 Chang, J. B. 2006. Functionalized polytiophene thin-film transistor for low-cast gas sensor array [desertasi]. California : Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California at Berkley.
13 Wati, I. A. 2010. Pembuatan sensor gas berbahan polimer konduktif lapisan rangkap poliperol, politiofena dan poli 3-metiltiofena untuk uji minyak tanah, bensin dan biosolar [skripsi]. Surabaya : Departemen Kimia, Institut Teknologi Sepuluh November.
14 Laranjeira, J. M. G. et al. 2002. A silicon-polymer heterostructure for sensor applications. Brazilian Journal of Physics, vol. 32, no. 1.
15 Soloducho, J., Joanna, C., Agnieszka, S. 2009. Structure and sensor properties of thin ordered solid films. Sensors, 9, 7733-7752.
16 Yani, S. 2011. efek fotovoltaik pada persambungan CdS/P3HT-Kitosan
[tesis]. Bogor : Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
17 Pratama, E. 2008. Studi efek fotovoltaik dan piroelektrik Ba0,75Sr0,25TIO3 (BST) yang didadah galium (BGST) di atas substrat Si (100) tipe-p [skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
18 Soga, T. 2006. Nanostructred Materials
for Solar Energy Conversion.
Amsterdam: Elsevier BV.
19 [Anonim]. “Silikon tipe-p”. 2012. Web. 12 Januari 2012. <http://teknik-elektro.net/silikon-tipe-p.html>
20 Hadiyawarman, et al. 2008. Fabrikasi nanomaterial komposit superkuat, ringan, dan transparan menggunakan metode simple mixing. Nano sainstek 1 : 14-21. 21 Sardi, I. 2006. Identifikasi silika amorf
dari sekam padi [skripsi]. Bogor: Fakultas Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
22 Tiwari, S., at al. 2012. Poly-3-hexylthiophene based on organic field-effect-transistor: Detection of low concentration of ammonia. Sensor and Actuators B.
