www.nuance.com

Pengaruh Pemanasan Terhadap Sifat Optik Dan Struktur Kristal
ZnO/TiO2dengan Metode Spin Coating
Musfitasari, P.L. Gareso, Eko Juarlin
Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Hasanuddin
Email :[email protected]
Effect of Annealing To Optical and Structure Characterization Of
ZnO/TiO2By Spin Coating Method
5
om Tr
ial
Musfitasari, Eko Juarlin, P.L. Gareso, Eko Juarlin
Department of physics, Hasanuddin University1
Email :[email protected]
ce.
c
r. ea
nu te
an !
Abstrak: Lapisan tipis ZnO/TiO2 telah dideposisikan diatas substrat kaca dengan memvariasikan suhu
pemanasan menggunakan metode sol-gel spin coating. Pembuatan larutan ZnO dilakukan dengan
melarutkan seng asetat dehidrat kedalam larutan ethanol lalu ditambahkan triethanolamin.Sedangkan
pembuatan larutan TiO2 dilakukan dengan melarutkan titanium tetraisiproxide kedalam ethanol lalu
ditambahkan asam asetat.Larutan ZnO sebagai lapisan pertama dideposisikan terlebih dahulu diatas
substrat kaca kemudian dilanjutkan larutan TiO2. Suhu pemanasan yang digunakan adalah 3000C, 4000C,
5000C dan 6000C selama 60 menit. Karakterisasi lapisan tipis ZnO/TiO2menggunakan
XRD,spektrofotometer Uv-Vis dan SEM. Hasil Uji XRD menunjukan struktur kristal ZnO berbentuk
heksagonal wurtzite dan untuk TiO2 berbentuk tetragonal anatase. Karakterisasi menggunakan
spektrofotometer UV-Vis menunjukan bahwa pemanasan suhu mempengaruhi sifat optik lapisan tipis
ZnO/TiO2 dengan nilai celah pita energi yang diperoleh masing-masing sebesar 3,2 eV, 3,17 eV, 3,142
eV dan 3,159 eV.Hasil SEM menunjukkan ketebalan lapisan ZnO/TiO2 adalah 20µm.
Kata kunci : Lapisan tipis ZnO/TiO2, spin coating, celah pita energi.
ww
w
PD
FC
Abstrack: ZnO/TiO2thin films have been deposited on a glass substrate using sol-gel spin coating
method. ZnO layers were prepared by dissolving Zinc Acetate Dehydrated into a solvent of ethanol and
then added triethanolamin. For preparing TiO2 precursor,Titanium tetraisiproxide was dissolved into
ethanol and then added an acetic acid.ZnO layer as a first layer were deposited on a glass substrates and
then followed by TiO2 layer. The ZnO/TiO2 bilayers were heated at various temperature 3000 C, 4000 C,
5000C and 6000 C respectively for 60 minutes.Characterization of ZnO / TiO 2 thin film using XRD,
spectrophotometer Uv-Vis and SEM.XRD result show that structure of ZnO film is hexagonal wurtzite
and structure of TiO2 film is tetragonal anatase.The optical properties of ZnO/TiO2 were characterized
using Uv-Vis spectrophotometer.The results showed that the temperature influence the optical
properties of a of ZnO/TiO2 thin films. The band gap energy of the ZnO/TiO2 thin films respectively has
been determined about 3.2 eV, 3.17 eV, 3,142 Ev and 3,159 eV.SEMresultshowedZnO/TiO2 thin film
thickness was20 µm.
Keywords: ZnO/TiO2 thin films, spin coating, band gap energy.
Pendahuluan
Perkembangan teknologi saat ini
semakin pesat. Perkembangan ini dapat
dilihat dimana para peneliti berlombalomba melahirkan inovasi dalam segala
bidang. Salah satu diantaranya adalah
pengembangan dalam bidang teknologi
material. Banyak penelitian tentang
material
yangfokus
pada
bahan
semikonduktor[1,2,3,8].
Semikonduktor
adalah sebuah bahan dengan pita energi
dan
Salah satu material yang digunakan
dalam semikonduktor adalah ZnO/TiO2.
ZnO/TiO2dianggap sangat cocok dalam
penggabungan
bahan
semikonduktor
karena lapisan tipis ZnO dan TiO2
memiliki pita energi lebar, indeks bias
tinggi, stabilitas tinggi dan katalis yang
baik.ZnO/TiO2memiliki keunggulan pada
aplikasinya
yaitu
sebagai
sensor,
fotokatalis dan fotovoltaik[1,2,3].
2. Eksperimen
Penelitian dilakukan melalui 3 tahap
yaitu pembuatan prokursor ZnO dan TiO2,
proses pelapisan (deposisi) ZnO/TiO2 di
atas substrat kaca dengan menggunakan
metode spin coating, serta karakterisasi
lapisan
ZnO/TiO2
menggunakan
spektrofotometer UV-Vis.
Pembuatan
larutan ZnO dan TiO2 menggunakan
metode sol gel. Molaritas larutan ZnO
sebesar 1,5 M. Pembuatan prekursor ZnO
dilakukan dengan melarutkan zinc acetate
dehydrate(Zn(CH3COO)2.2H2O) ke dalam
larutan etanol. Larutan tersebut diaduk di
atas Hotplate Magnetic Stirrer selama 60
menit pada suhu 80oC dengan laju 1100
rpm. Larutan yang telah diaduk kemudian
ditambahkan dengan 0,6 ml TEA
(trietanolamine). Larutan tersebut diaduk
kembali diatas hotplat selama 6 jam
dengan suhu 80oC. sedangkan untuk
pembuatan prekursor TiO2 dilakukan
dengan melarutkan 1,5 ml Titanium
Tetraisoproxide (TTIP) ke dalam 10 ml
etanol. Campuran tersebut diaduk di atas
Hotplate Magnetic Stirrer selama 60
menit pada suhu 80oC. Larutan yang telah
diaduk kemudian ditambahkan 0,1 ml
acetat acid, kemudian diaduk kembali
diatas hotplate selama 5 jam pada suhu
80oC dengan laju 1100 rpm.
ww
w
PD
FC
Berdasarkan penjelasan tersebut,
dalam penelitian ini dibuat lapisan tipis
ZnO/TiO2
denganmemvariasikan
pemanasan yaitu pada suhu 300oC, 400oC,
5000C dan 600oC. Proses pembuatan
menggunakan metode sol gelspin coating.
Sol-gelspin coting adalah metode untuk
membuat lapisan dari bahan polimer
photoresist yang dideposisikan pada
permukaan silikon dan material lain yang
berbentuk wafer. Pada penelitian ini,
dilakukan
pengamatan
pengaruh
pemanasan terhadap sifat optik seperti
ce.
c
r. ea
nu te
an !
Penelitian tentang ZnO/TiO2 telah
dilakukan oleh beberapa peneliti. Human
Yuda Aditya bersama dengan Heri Susanto
(2014) telah melakukan penelitian analisis
sifat optik ZnO/TiO2 dengan metode
Spray Coating.
Penelitian tersebut
memvariasikan konsentrasi ZnO pada
pembuatan lapisan tipis ZnO/TiO2[1]. Lie
Shao (2012) bersama dengan rekannya
juga telah melakukan penelitian srtuktur
kristalTiO2/ZnOdengan metode Pulse
Laser Deposition. Penelitian tersebut
melakukan perbandingan struktur kristal
dan sifat optik antara TiO2, ZnO dan
TiO2/ZnO[2].Selain penelitian tersebut,
S.A. Siuleiman (2013) bersama dengan
rekannya juga telah melakukan penelitian
untuk menganalisis sifat dan struktur
kristal ZnO/TiO2 dengan metode spin
coatingdengan memvariasikan kecepatan
spin coating[3].
lebar celah pita energi dan struktur kristal
ZnO/TiO2.
5
om Tr
ial
yang berada diantara isolator
konduktor (Eg = ± 1-5,6 eV).
Proses pelapisan ZnO/TiO2 di atas
substrat kaca dilakukan dengan metode
spin coating. Sebelum pelapisan dilakukan
substrat kaca dibersihkan terlebih dahulu
menggunakan HCl yang telah dilarutkan
dalam aquades.Substrat kaca diletakkan
diatas pelat spin coaterkemudian prekursor
ZnO
diteteskan
diatas
substrat
kemudiandiputar selama 15 detik pada laju
3000 rpm. Substrat film ZnOdikeringkan
pada suhu 300 oC selama 10 menit di atas
hotplate.Selanjutnya
prekursor
TiO2
dideposisi diatas kaca yang sudah
terbentuk lapisan ZnO.Lapisan tipisbilayer
ZnO/TiO2dikeringkan pada suhu 300 oC
selama
10
menit
di
atas
hotplate.Pemanasan
dilanjutkan
menggunakan
furnace
dengan
memvariasikan suhu yakni pada suhu 300
o
C, 400 oC dan 500 oC.Sampel kemudian
dikarakterisasi menggunakan spektrometer
UV-Vis, XRD dan SEM.
3.Hasil dan diskusi
X-Ray
Berdasarkan gambar 2 terjadinya
pergeseran sudut puncak.Selain pergeseran
sudut puncak, juga terlihat nilai intensitas
pola difraksi yang lebih rendah pada suhu
3000C dibandingkan dengan suhu 4000C
5000C dan 6000C.Hal ini disebabkan pada
suhu 3000C struktur ZnO/TiO2 dominan
bersifat amorf.
ww
w
PD
FC
ce.
c
r. ea
nu te
an !
Gambar 1 menunjukkan pola difraksi
XRD ZnO dan TiO2 pada suhu 5000C.
Pola difraksi ZnO terdapat 3 puncak yang
dominan yaitu pada puncak (100), (002)
dan (101), sedangkan pola difraksi TiO2
hanya menunjukkan satu puncak pada
(011). Pola-pola difraksi ini menunjukkan
lapisan ZnO/TiO2 telah mengalami proses
kristalisasi.
Gambar 2. Pola difraksi XRD ZnO/TiO2
setelah smooth pada suhu 3000C, 4000C,
5000C dan 6000C
5
om Tr
ial
3.1. Hasil Uji Karateristik
Diffraction (XRD)
Ukuran butir kristal dari pola
difraksi pada gambar IV.3 didapat dengan
menerapkan persamaan.
௄ఒ
‫ = ܦ‬ఉ ୡ୭ୱఏ
(1)
D adalah ukuran butir kristal, K adalah
konstanta (0.89), λ adalah panjang
gelombang (1,54056 Å), θ adalah sudut
difraksi, dan β adalah puncak setengah
maksimum (FWHM) masing-masing
puncak.
Gambar 1. Pola difraksi XRD ZnO dan
TiO2 pada suhu 5000C
Gambar 2 memperlihatkan pola
difraksi XRD pada lapisan ZnO/TiO2
dengan variasi suhu dari 3000C sampai
dengan 6000C.Pola difraksi ZnO terbentuk
pada 2θ yaitu 32,390, 35,110, dan 36,930
masing-masing pada bidang (100), (002)
dan (101), untuk pola difraksi TiO2
terbentuk pada 2θ yaitu 25,330 pada
bidang (011).
Gambar 3. Grafik pengaruh suhu terhadap
ukuran butir kristal ZnO/TiO2
Gambar 5. Nilai celah pita energi (Eg)
ww
w
PD
FC
ce.
c
r. ea
nu te
an !
Sifat optik (transmitansi dan
absorbansi) dari lapisan ZnO/TiO2 diamati
dengan menggunakan SpektrometerUVVis dengan rentang panjang gelombang
antara 300nm hingga 800 nm.Transmitansi
lapisan tipis ZnO/TiO2 ditunjukkan pada
gambar 4.Hasil pengukuran pada gambar 4
memperlihatkan pada sampel 3000C,
4000C,5000C dan 6000C, masing-masing
akan meneruskan cahaya pada18-77%, 677%, 1-79%, 5-71%. Dari hasil yang
didapat terlihat bahwa suhu mempengaruhi
terjadinya pergeseran pada daerah
penyerapan walaupun tidak begitu
signifikan.Perubahan transmitansi yang
cukup tajam terjadi pada rentang panjang
gelombang 360-480 nm. Pergeseran
daerah penyerapan ini akan berpengaruh
pada nilai pita energi yang dihasilkan.
5
om Tr
ial
3.2. Hasil Uji Karakterisasi
Spektrometer UV-Visual
Gambar 4. Spektrum transmitansi
ZnO/TiO2
Untuk menentukan nilai celah pita
energi dilakukan pengaplotan antara
(αhν)2dengan hν untuk masing-masing
sampel serta mengekstrapolasi bagian
linier dari kurva ke sumbu hv. Gambar 2
menunjukkan hasil Touc plot antara antara
(αhν)2dengan hν pada suhu 3000C, 4000C,
0
5000C dan 600 C. Dari hasil pengaplotan
tersebut diperoleh nilai celah pita energi
(Eg) pada suhu 3000C, 4000C,5000C dan
6000C secara berturut-turut yaitu 3,2 eV,
3,17 eV, 3,142 eV dan 3,159 eV.
Gambar 6.Pengaruh suhu terhadap nilai
celah pita energi.
Berdasarkan gambar 6 pergeseran
nilai celah pita energi (Eg) pada penelitian
ini dipengaruhi oleh suhu pemanasan pada
sampel, secara teori meningkatnya suhu
pemanasan menyebabkan nilai pita energi
semakin kecil.Namun pada suhu 6000C
terjadi peningkatan nilai celah pita energi
yang disebabkan oleh substrat kaca yang
digunakan mengalami pemuaian. Hal ini
disebabkan oleh energi termis vibrasi di
jaringan atom yang bertambah besar
mengakibatkan jarak-jarak atom juga
bertambah besar dan memperkecil nilai
celah pita energi suatu material.
3.3 Hasil Uji(SEM)
Gambar 7. Hasil SEM
PD
Refrensi
ww
w
FC
suhu 3000C, 4000C, 5000Cdan 6000C masingmasing secara berturut-turut yaitu 3,2 eV, 3,17
eV, 3,142 eV, 3,159 eV. Hasil penelitian ini
menunjukkan semakin tinggi suhu pemanasan
nilai pita energi semakin kecil.
1. Aditya, Hanun Y et al, 2014,
Analisis Sifat Optik Lapisan tipis
Bilayer
ZnO/TiO2
yang
Diposisikan Menggunakan Metode
Sol-Gel Spray Coating dan
Aplikasinya sebagai Fotodegradasi
Zat Warna, Youngster Physics
Journal, vol 3, no 3 hal 223-230.
2. Zhao, Lie et al, 2012, Structure and
Photocatalysis
of
TiO2/ZnO
Double-Layer Film Prepared by
Pulsed Laser Deposition, Material
transactions, The Japan Intitute
Metals, vol 53, no 3, hal 463-468.
ce.
c
r. ea
nu te
an !
4. Kesimpulan
Lapisan ZnO/TiO2 telah berhasil
dibuat dengan metode sol gel spin coating
di
atas
substrat
kaca
dengan
memvariasikan suhu pemanasan. Struktur
kristal yang terbentuk pada lapisan
ZnO/TiO2 adalah untuk ZnO struktur
kristal berbentuk heksagonal wurtzite dan
untuk TiO2 struktur kristal berbentuk
tetragonal anatase.Nilai pita energi (Eg) pada
3. Siuleiman, S.A et al, (2013),
Nanosized composite ZnO/TiO2
thin films for photocatalytic
applications, Bulgarian Chemical
Communications, vol 45, no 4, hal
649-654.
4. Yacobi, B.G., 2004, Semiconductor
Materials An Introduction to Basic
Principles,Kluwer
Academic
Publishers New York, Boston,
Dordrecht, London, Moscow,
ISBN: 0-306-47942-7.
5. Moudgil, Harish K et al, 2014,
Textbook of Physical Chemistry,
Second Edition, Delhi: PHI
Learning Private Limited. ISBN:
978-81-203-5062-5.
6. Klingshirn, C., 2007, Fundamental
Properties of ZnO Nanostructures.
Weinhelm, Inter Science, hal 1-19,
DIO: 10.1002/CPHC 200700002.
7. Licciulli, Dott Antonio et al, 2002,
Self-Cleaning Glass, Università
Degli Studi Di Lecce.
8. Tang, H et al, 1993, Ellectrical
and optical properties of Ti02
anatase thin films, Institut de
Physique
Applique,
Ecole
Poiytechnique
Fiderale
de
Lausanne, CH-1015 Lausanne,
Switzerlan. Vol 75. No 4.
9. Fakuda, Mitsuo, 1998, Optical
Semiconductor devices, United
States Of Amerika, ISBN: 0-47114959-4.
10. Pudjaatmaka, A. Hadyana dan L.
Setiono, 1994, Vogel: Kimia
Analisis Kuantitatif Anorganik,
Kedokteran EGC: Jakarta, ISBN:
979-448-228-5
11. Sanda, Filip M et al, 2012, Base
Theory
For
Uv-Vis
Spectrophotometric Measurements,
HURO 1001/121/2.2.2.
12. Cristian and Albrechtsy, 2011,
Basic Laboratory Material Science
and Engineering Spin Coating, hal
3, Universitas Zu Kiel.
13. Luurtsema, G.A., 1997, Spin
Coating
for
Rectangular
5
om Tr
ial
Untuk
melengkapi
hasil
transmitans optik UV-Vis,spektrum XRD dilakukan penghitungan ketebalan
sampel dengan menggunakan scanning
elektron microscopy (SEM). Ketebalan
sampel yang diperoleh yaitu 20µm.
Publication, USA. ISBN:978-0-198738671
16. Charurvedi, S at al, 2012,
Microscopy in Nanotechnology,
Kachchh University, Gujarat India,
hal 946-950.
17. FEI, 2011, An Intruduction
Electron
Microscopy,
FEI
Company,
ISBN:
978-0-57806276-1.
ww
w
PD
FC
ce.
c
r. ea
nu te
an !
5
om Tr
ial
Substrates, The Department of
Electrical
Engineering
And
Computer Sciences University Of
California, Berkeley, hal 3-4.
14. Beiser, A., 1995, Konsep Fisika
Modern, Erlangga: Jakarta.
15. Hammond, C., 2015, The Basics of
Crystalography and Diffraction,
fourth edition, Oxford Science