Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia
Vol.11 (2) p.30-34 (2011) Desember 2011
Pembuatan Lapisan Tipis Fosfor BCNO-
Epoxy Resin
pada Gelas Substrat
melalui Metode Hidrotermal dan
Spin Coating
Ea Cahya Septia Mahen, Bebeh W. Nuryadin, Agus Rahmat, Ferry Iskandar*, Mikrajuddin Abdullah, dan Khairurrijal
Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung, Ganesha 10 Bandung, Indonesia 40132
Email: ferry@fi.itb.ac.id Abstrak
Lapisan tipis fosfor BCNO-epoxy resin dengan tingkat kehomogenan yang baik dan transparansi yang tinggi telah berhasil dibuat di atas gelas substrat dengan meggunakan metode hidrotermal dan spin coating. Fosfor BCNO, yang digunakan sebagai material berpendar, didapat dari hasil sintesis menggunakan metode hidrotermal. Kemudian fosfor BCNO yang didapat didispersikan ke dalam larutan epoxy resin sehingga membentuk campuran BCNO-epoxy resin. Selanjutnya, campuran tersebut dideposisikan pada gelas substrat menggunakan metode spin coating untuk mendapatkan lapisan tipis fosfor BCNO-epoxy resin komposit. Lapisan tipis yang terbentuk menunjukkan sifat berpendar ketika disinari oleh sinar UV, menunjukkan adanya kandungan BCNO fosfor. Transmitansi lapisan yang didapat mencapai 90% pada konsentrasi BCNO 5%, sedangkan untuk konsentrasi BCNO 8% dan 12% transmitansinya adalah sekitar 65% dan 50%. Kemudian, dengan menggunakan Metode Swanopoel, dapat diketahui bahwa lapisan tipis BCNO-epoxy resin yang terbentuk memiliki ketebalan sekitar 1,4 m. Lapisan tipis BCNO-epoxy resin dengan transparansi tinggi ini dapat menjadi kandidat yang baik pada aplikasi pengubah panjang gelombang di sel surya dan aplikasi optoelektronik lainnya.
Kata kunci: Fosfor BCNO, Lapisan komposit, Metode spin coating, Metode Swanopoel.
Abstract
BCNO-epoxy resin composite thin film phosphor with high homogenity and transparancy has been successfully fabricated on a glass substrate using hidrothermal and spin coating methods. BCNO, that used as a fluorescent material, was synthesized using the hydrothermal method. Furthermore, the prepared BCNO was dispersed into an epoxy resin to form BCNO-epoxy resin composite. Subsequently, the composite solution was deposited on a glass substrate by spin coating method to obtain a thin film phosphor. It was observed that the film has luminescence properties under UV illumination, indicating the existance of BCNO phosphor. The transmitancy of the thin film can reach up to 90% when concentration of BCNO on composite was 90%. Whereas for concentration 8% and 12%, the transmitance was about 65% and 50%, respectively. The thicknesses of the prepared film were extimated using a Swanopoel Method and it was found about 1.4 m. The high transparency BCNO-epoxy resin composite film can be a strong candidate as a wavelength converter application on solar cell as well as other optoelectronic applications.
Keywords: BCNO Phosphor, Composite film, Spin coating method, Swanopoel Method.
1. PENDAHULUAN
Carbon-based boron oxynitride (BCNO) merupakan salah satu jenis material yang dapat berpendar (fosfor) pada hampir diseluruh daerah cahaya tampak ketika disinari sinar UV. Material ini sangat menarik karena mempunyai efisiensi quantum eksternal yang relatif
tinggi dan tidak menggunakan ion logam tanah jarang yang merupakan material beracun serta harganya yang relatif mahal [1,2,3]. Penelitian terbaru dari grup kami [4] telah melaporkan pembuatan fosfor BCNO yang dapat terdispersi pada fasa cair dengan menggunakan metode hidrotermal. Dengan didapatnya dispersi BCNO di fasa
Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia
Vol.11 (2) p.30-34 (2011) Desember 2011
cairan, maka hal ini akan mempermudah pengggunaanya pada aplikasi lapisan tipis material fosfor yang biasa digunakan pada pembuatan lampu LED atau alat penerangan lainnya. Pada penelitian sebelumnya, kami telah juga melaporkan keberhasilan pembuatan lapisan tipis fosfor BCNO-epoxy resin menggunakan metode
spin coating, akan tetapi dengan sumber fosfor BCNO yang dibuat dengan metode pemanasan sederhana dan berbentuk serbuk/padatan [5]. Kekurangan dari metode ini adalah pada lapisan yang dihasilkan memiliki kehomogenan yang rendah dikarenakan sulitnya BCNO serbuk/padatan untuk dapat didispersikan pada campuran BCNO-epoxy resin.
Pada penelitian ini kami melaporkan untuk pertamakalinya, pembuatan lapisan tipis BCNO-epoxy resin dengan menggunakan metode hidrotermal dalam pembuatan BCNO fosfornya yang kemudian dilanjutkan dengan metode spin coating untuk mendapatkan lapisan tipisnya. Hasil yang didapat menunjukkan bahwa lapisan komposit yang terbentuk menunjukkan tingkat kehomogenitas yang baik dan transparansi yang tinggi. Sebagai tambahan, ketebalan lapisan film yang terbentuk diukur menggunakan pengukuran spektrum transmisinya dan diestimasi menggunakan Metode Swanopoel.
2. METODE PENELITIAN
Pembuatan BCNO dalam fasa cair
Sebagai bahan dasar, boric acid (B(OH)3) (Merck Co.
Ltd., Jerman) dan urea ((NH2)2CO) (Merck Co. Ltd.,
Jerman) masing-masing digunakan sebagai sumber boron (B) dan sumber nitrogen (N). Sedangkan citric acid
(C6H8O7) (Merck Co. Ltd., Jerman) digunakan sebagai
sumber karbon (C). Semua bahan digunakan tanpa adanya proses pemurnian tambahan.
Metode yang digunakan untuk sintesis fosfor BCNO pada fasa cairan adalah metode sintesis hidrotermal menggunakan sebuah alat autoklaf. Gambar 1 menunjukkan alat autocklaf yang digunakan pada eksperimen. Metode eksperimen secara detil didapat pada literature [4], akan tetapi secara garis besar dapat dijelaskan sebagai berikut. Prekursor dibuat dengan perbandingan mol antara citric acid : boric acid (C/B) = 1:1 dan urea : boric acid (N/B) = 10:1. Campuran prekursor tersebut kemudian dilarutkan ke dalam 40 ml air terdistilasi dan diaduk menggunakan magnetic stirrer
dengan kecepatan 500 rpm pada suhu 70 °C selama 15 menit. Setelah itu prekursor dimasukan ke dalam autoklaf dan dipanaskan pada suhu 140 °C selama 3 jam. Autoklaf kemudian diturunkan suhunya secara alami sampai ke suhu ruang sebelum sampel dikeluarkan.
Pembuatan lapisan tipis dengan spin coating
Selanjutnya fosfor BCNO yang didapat secara langsung dicampurkan ke dalam epoxy resin transparan. Campuran prekursor fosfor BCNO-epoxy ini dibuat dengan variasi konsentrasi BCNO dari 5% sampai dengan 12% terhadap epoxy. Prekursor ini kemudian dilapiskan pada permukaan gelas substrat dengan menggunakan metode spin coating.
GAMBAR 1. Alat autoklaf.
Karakterisasi
Sifat optik (fotoluminesensi) seperti panjang gelombang dan intensitas spektrum emisi BCNO dikarakterisasi menggunakan alat ukur
spektrofluorofotometer (RF-5300PC, Shimadzu Corp., Jepang) yang dilengkapi dengan sumber laser xenon. Selain itu, dilakukan pengukuran menggunakan UV-Vis spectrometer (Ocean Optik HR2000CG-UV-NIR) untuk mengetahui persentasi nilai transmitansi pada lapisan tipis yang dihasilkan.
Terdapat beberapa metoda untuk mengetahui karakteristik sifat optik, konstanta optik dan ketebalan lapisan dari sebuah lapisan tipis, diantaranya adalah
classical oscillator fit procedure, analisis Kramers-Kroning dan metode Swanopoel [6,7]. Metode terakhir (metode swanopoel) banyak digunakan karena dapat menentukan ketebalan lapisan dan konstanta optik dari sebuah lapisan tipis dari data spektrum transmissi optik [6].
Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia
Vol.11 (2) p.30-34 (2011) Desember 2011
GAMBAR 2. Spektrum transmisi lapisan tipis pada gelas substrat.
Berikut dijelaskan tentang proses mengestimasi ketebalan sebuah lapisan tipis dengan menggunakan Metode Swanopoel. Spektrum transmisi lapisan ditunjukan pada Gambar 2. Gambar 2 memperlihatkan pola interferensi yang terjadi pada lapisan tipis dari BCNO/epoxy resin. Persamaan untuk interferensi adalah:
m
nd
2
(1)dengan m adalah bilangan bulat untuk interferensi maksimum dan setengah bilangan bulat untuk interferrensi minimum. Dengan menggunakan Persamaan (1) akan didapat persamaan untuk dua interferensi maksimum atau minimum yang berdekatan:
1 1
2
n
d
m
(2) 2 2(
1
)
2
n
d
m
(3)n1 dan n2 didefinisikan sebagai indek bias pada dua
transmisi maksimum (atau minimum) yang berurutan pada 1dan 2, 1> 2. Dengan menyelesaikan Persamaan (2) dan (3), ketebalan lapisan d dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:
)
(
2
1 2 2 1 2 1n
n
d
(4) Dimana: 2 / 1 2 / 1 2 2 sn
N
N
n
(5) dan,2
1
2
2 s m M m Mn
T
T
T
T
s
N
(6)dengan TM dan Tm adalah puncak dan lembah transmitansi. Persamaan (5) menunjukan indeks bias lapisan pada .
Ketika pengambilan data, kesalahan dalam menentukan kedudukan ekstrim akan terjadi. Oleh karena
itu, nilai indeks bias yang dihitung menggunakan Persamaan (5) dan ketebalan lapisan dari Persamaan (4) merupakan nilai indeks bias dan ketebalan persiapan (npre dan dpre)yang nilainyatidak akurat.Ketebalan dan indeks bias yang lebih akurat dapat diperoleh dengan melakukan beberapa langkah lebih lanjut. Pertama, nilai rata-rata dpre yang didapatkan dari masing-masing dua nilai maksimum (atau minimum) yang berturut-turut dicari. Kedua, menentukan perkiraan bilangan urutan (orde) mpre dengan menggunakan persamaan (1) untuk untuk masing-masing nilai ekstrem dari rata-rata nilai npredan dpre. Nilai mpre akan dianggap sebagai bilangan orde tepat mexact dihubungkan dengan masing-masing maksimum atau minimum. Ketiga, mexact dan npre digunakan untuk menghitung ketebalan akurat (dakurat) untuk masing-masing maximum dan minimum. Nilai rata-rata dakurat akan diambil sebagai ketebalan lapisan.
3. HASIL DAN DISKUSI
BCNO dalam fasa cair
Citra digital sample BCNO yang disintesis menggunakan metode hidrotermal ditunjukan pada inset di Gambar 3. Dari citra tersebut dapat dilihat bahwa sampel cairan dalam botol yang berwarna kecoklatan memililiki transparansi yang cukup baik. Sample ini memendarkan warna biru ketika disinari oleh sinar lampu UV (365-400 nm). Pendarannya terlihat lebih jelas apabila fosfor BCNO diteteskan pada media tisu (seperti pada inset bagian kanan di Gambar 3). Sedangkan spektrum PL pada Gambar 3 menunjukan sample mempunyai puncak panjang gelombang emisi 451,2 nm dengan rentang emisi dari 400 nm sampai dengan 600 nm, ketika di eksitasi dengan sinar UV dengan panjang gelombang 365 nm. Hasil Ini menunjukkan bahwa BCNO yang terbentuk mempunyai rentang emisi spektrum yang lebar dan karena puncak emisi berada pada panjang gelombang sekitar 450 nm, maka cahaya emisinya didominasi oleh warna biru, seperti terlihat pada gambar inset.
Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia
Vol.11 (2) p.30-34 (2011) Desember 2011
GAMBAR 3. Spektrum emisi BCNO yang terdispersi dalam fasa cair. Inset: foto sampel yang dihasilkan (dalam botol dan tetesan pada media tissu, masing-masing sebelum dan ketika disinari sinar UV).
Lapisan tipis BCNO/epoxy resin
Lapisan komposit fosfor BCNO- epoxy resin telah berhasil dibuat dengan variasi konsentrasi fosfor BCNO dalam resin epoxy. Gambar 4 menunjukan foto lapisan komposit fosfor BCNO-epoxy resin pada gelas substrat (a) tanpa dan (b) dengan diterangi oleh lampu UV. Dari Gambar 4, lapisan tipis yang didapat mempunyai tingkat kehomogenan yang cukup baik. Tingkat kehomogenitas lapisan ini lebih baik dibanding dengan lapisan komposit yang difabrikasi dari BCNO berbentuk serbuk/powder. Lapisan tipis juga memiliki transparansi yang tinggi, diindikasikan dengan terbacanya tulisan kata BCNO yang terdapat pada kertas di bawah lapisan tersebut. Tingkat transparansi yang paling tinggi ditunjukan oleh lapisan komposit dengan konsentrasi fosfor BCNO terendah, yaitu 5 %. Lapisan yang terbentuk juga menghasilkan pendaran berwarna biru terang ketika disinari oleh lampu UV (365-400 nm).
Pengukuran UV-Vis spectrometer dilakukan untuk mengetahui besar transmitansi pada lapisan tipis yang dihasilkan. Transmitansi lapisan komposit fosfor BCNO-epoxy resin yang dihasilkan berkisar antara 50% sampai 90% pada rentang cahaya tampak seperti yang terlihat pada Gambar 5. Namun hasil pengukuran menunjukan bahwa semakin besar konsentrasi fosfor BCNO dalam komposit menyebabkan nilai transmitansi lapisan komposit mengalami penurunan. Selain itu, panjang gelombang di bawah 400 nm mengalami penyerapan
fosfor BCNO yang memiliki panjang gelombang eksitasi pada daerah sinar UV.
GAMBAR 4. Lapisan tipis BCNO-komposit sebelum dieksitasi (a) dan setelah dieksitasi (b) sinar UV.
GAMBAR 5. Spektrum transmitansi lapisan tipis BCNO komposit dan tabel ketebalan lapisan BCNO komposit.
Untuk menentukan ketebalan lapisan tipis, metode
Swanopoel digunakan dengan memperhatikan spektrum transmitansi pada Gambar 5. Panjang gelombang maksimum dan minimum dan TM dan Tm yang saling berhubungan untuk tiap lapisan BCNO-komposit diperoleh dan dirangkum. Dari data tersebut, nilai npre,
Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia
Vol.11 (2) p.30-34 (2011) Desember 2011
maksimum dan minimum diperoleh sehingga ketebalan lapisan tipis BCNO komposit dapat ditentukan.
Ketebalan lapisan tipis yang dihasilkan diestimasi berkisar dari 1,413 – 1,423 m seperti yang ditunjukan tabel pada Gambar 5. Dan dari Gambar 6 kita dapat mengetahui bahwa semakin besar konsentrasi fosfor BCNO dalam lapisan komposit, meskipun tidak terlalu signifikan, menyebabkan peningkatan ketebalan lapisan komposit. Hal ini dikarenakan ketika konsentrasi fosfor BCNO yang dicampurkan pada epoxy resin transparan diperbesar maka reaksi antara resin dan BCNO fasa cair meningkat sehingga menyebabkan komposit fosfor BCNO-epoxy resin lebih kental. Komposit yang lebih kental ini menyebabkan deposisi komposit fosfor BCNO-epoxy resin pada substrat kaca dengan menggunakan metode spin coating menjadi sedikit lebih tebal.
GAMBAR 6. Ketebalan lapisan BCNO-komposit terhadap konsentrasi BCNO dalam komposit.
4. KESIMPULAN
Lapisan tipis fosfor BCNO-epoxy resin komposit dengan ketebalan sekitar 1,4 m telah berhasil dibuat dengan menggunakan metode hidrotermal dan spin coating. Lapisan yang terbentuk menghasilkan pendaran berwarna biru terang ketika disinari dengan lampu UV (365-400 nm), yang mana bersesuaian dengan panjang gelombang emisi BCNO pada fasa cairan. Lapisan tipis pada gelas substrat yang dihasilkan juga memiliki homogenitas dan transparansi yang lebih baik dibanding dengan lapisan komposit yang difabrikasi dari powder BCNO. Transmitasi sinar pada lapisan komposit mencapai 90%, pada daerah cahaya tampak.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis berterimakasih kepada Prof. K. Okuyama dan Dr. Ogi Takashi (Hiroshima University) atas penggunaan alat spektrofluorofotometer. Penelitian ini danai oleh Riset KK ITB 2013 dan Beasiswa Tesis LPDP 2013. DAFTAR PUSTAKA
[1] T. Ogi, Y. Kaihatsu, F. Iskandar, N. W. Wang dan K. Okuyama, Facile Synthesis of New Full-Color-Emiting BCNO Phosphor with High Quantum Efficiency, Adv Mater,20, 3235-3238 (2008). [2] Y. Kaihatsu, N. W. Wang, F. Iskandar, T. Ogi dan
K. Okuyama, Effect of The Carbon Source on the Luminescence Properties of Boron Carbon Oxynitride Phosphor Particles, J. Electrochem Soc, 157, J329-J333 (2010).
[3] N. W. Wang, T. Ogi, Y. Kaihatsu, F. Iskandar dan K. Okuyama, Novel Rare-Earth-Free Tunable-Color-Emitting BCNO Phosphors, J. Mater Chem, 21, 5183-5189 (2011).
[4] B. W. Nuryadin, E. C. S. Mahen, F. Iskandar , M. Abdullah dan Khairurrijal, Sintesis Fosforesense Berbasiskan Boron Carbon Oxynitride (BCNO) Menggunakan Proses Hidrotermal, Prosiding Seminar Nasional Material 2013 (SNM 2013), Bandung, Indonesia, pp. 57-60.
[5] E. C. S. Mahen, B. W. Nuryadin, F. Iskandar, M. Abdullah dan Khairurrijal, Studi Awal Pembuatan Lapisan Tipis BCNO-Komposit, Prosiding Seminar Nasional Material (SNM), Bandung Indonesia, 2013, hal. 42-44.
[6] N. Pimpabute, T. Burinprakson dan W. Somkhunthot, Determenation of Optical Constants and Thickness of Amorphous GaP Thin Film, Opt Appl, 41 (1), 257-268 (2011).
[7] R. Swanepoel, Determination of Thickness and Optical Constans of Amorphous Silicon, J. Phys E, 16v(12), 12-14 (1983).
