Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping - HFI DIY

106
Mukhtar Effendi, dkk/Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin
Coating
Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang
Disiapkan dengan Metode Spin Coating
Mukhtar Effendi* dan Bilalodin
Program Studi Fisika, Universitas Jenderal Soedirman, Jl. Dr. Soeparno No. 61 Purwokerto, Kode Pos 53123, Indonesia
*
Corresponding author. E-mail: [email protected], telp./fax: +62 281 638793
Abstrak – Penelitian mengenai pengaruh konsentrasi doping nitrogen pada lapisan tipis TiO2 yang ditumbuhkan
dengan metode spin coating terhadap energy gap nya telah dilakukan. Karakterisasi spektrum transmitansi dilakukan
menggunakan spektrometer UV-Vis pada rentang panjang gelombang 300 nm-700 nm. Telaah karakteristik spektrum
transmitansi menunjukkan bahwa penambahan doping nitrogen dapat mempersempit energy gap. Energy gap langsung
dan tidak langsung paling sempit yang berhasil dicapai pada lapisan tipis TiO2 doping nitrogen dengan suhu
annealing 500oC berturut-turut adalah 3,56 eV dan 3,37eV yaitu pada konsentrasi nitrogen sebesar 25%.
Kata kunci: TiO2 doping nitrogen, transmitansi, Energy gap, spektrometer UV-Vis
Abstract – Nitrogen doped Titanium dioxide (TiO2) thin films have been successfully grown by using spin coating
method with in variation concentration of nitrogen. Transmittance spectra were examined by using Uv-Vis
spectrometer in the wavelength range of 300 nm – 700 nm. Analysis of the transmittance spectra shows that nitrogen
doping narrows the energy gap of TiO2 thin films. Moreover, the narrowest energy gap of Nitrogen doped TiO2 thin
films under annealing temperature of 500oC yielded by the nitrogen doping concentration of 25%.
Key words: Nitrogen doped TiO2, transmittance, energy gap, UV-Vis Spectrometer
I. PENDAHULUAN
Titanium dioksida atau titania (TiO2) merupakan
semikonduktor yang memiliki titik leleh dan konstanta
dielektrik yang tinggi. TiO2 dapat digunakan sebagai
bahan utama dalam pembuatan alat-alat elektronik dan
sensor. TiO2 murni memiliki energy gap yang lebar (3,2
eV-3,8 eV) sehingga hanya memiliki efisiensi
fotokatalitik sebesar 5% dari energi matahari[1]. Agar
penggunaan energi matahari dapat efektif, maka perlu
dilakukan usaha untuk memperkecil energy gap dan
memperbesar penyerapan cahaya yang salah satu
caranya adalah menggunakan doping. Doping dapat
diartikan sebagai penambahan pengotor pada material
dengan tujuan untuk memodifikasi karakteristik
elektroniknya[2].
Metode doping yang umum digunakan adalah
menambahkan berbagai senyawa dye organik[3] dan
mendoping semikonduktor dengan logam. Penambahan
senyawa dye dapat mempersempit energy gap namun
dapat memperkecil energi pita konduksi, sehingga dapat
menurunkan
aktivitas
fotokatalitik.
Doping
semikonduktor dengan logam sangat berbahaya karena
peka terhadap korosi dan mengandung racun[4].
Doping yang tidak membahayakan adalah
menggunakan menggunakan doping non logam. Doping
non logam yang ditambahkan umumnya adalah N, C, S,
P dan F pada TiO2[5]. Dari berbagai unsur non logam
tersebut, nitrogen adalah dopan yang paling efektif
karena ukurannya yang tidak jauh berbeda dengan
oksigen dan energi ionisasinya yang kecil. Selain itu,
nitrogen juga dapat memperbaiki sifat optik TiO2
sehingga dapat meningkatkan kualitas lapisan tipis[6].
Dalam
pendopingan
nitrogen,
para
peneliti
menggunakan amonia (NH3) ataupun bahan lain yang
lebih sederana [5-7]. Dalam hal ini kami mencoba
menggunakan urea yang memiliki rumus kimia
CO(NH2)2 untuk di-doping-kan pada TiO2, dengan
harapan bahwa elektron-elektron pada urea lebih leluasa
bergerak dari satu atom ke atom yang lain sehingga
berhasil mempersempit energy gap secara lebih
signifikan.
Untuk fabrikasi lapisan tipis TiO2, beberapa metode
sudah pernah digunakan, antara lain adalah Chemical
Vapor Deposition (CVD), Solution Gelation (Sol-Gel),
radio-frequency (r-f) sputtering dan Pulse Laser
Deposition (PLD) [7]. Metode-metode tersebut
memerlukan persyaratan-persyaratan yang cukup
komplek. Sebagai alternatifnya, Spin coating merupakan
metode fabrikasi
yang dapat digunakan untuk
menumbahkan lapisan tipis dengan kualitas yang baik
dan murah, sehingga metode ini banyak digunakan[8].
Dalam mengkaji besarnya energy gap lapisan tipis
yang diperoleh, akan digunakan metode optis, yaitu
dengan melihat spektrum serapannya. Berdasarkan
pemaparan di atas, maka tujuan penelitian adalah
melakukan analisis optis terhadap lapisan tipis TiO2
didoping nitrogen yang ditumbuhkan dengan metode
spin coating.
II. METODE EKSPERIMEN
Penelitian ini dilaksanakan dalam tiga tahap. Tahap
awal penelitian adalah menyiapkan bahan yang
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April
ISSN : 0853-0823
2012
Mukhtar Effendi, dkk/Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin
Coating
αhν = A(hv − Eg ) m
(1)
Dan α dihitung dengan persamaan
1
d
α = − ln T
(2)
Indek bias lapisan tipis TiO2:N dapat dihitung
menggunakan persamaan (3) dan (4), sedangkan
ketebalan lapisan tipis menggunakan persamaan (5)[10].
n =
N +
N
2
− n s2
(3)
T T
n2 +1
N = 2n s M − m + s
2
T M Tm
(4)
λ1λ 2
d=
2(λ1 n 2 − λ 2 n1 )
(5)
dengan d ketebalan lapisan (nm), λ1 dan λ2 adalah
panjang gelombang pada masing-masing puncak, n1 dan
n2 adalah indeks bias lapisan tipis pada masing-masing
panjang gelombang λ1 dan λ2.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Karakteristik Transmitansi Lapisan Tipis TiO2
doping Nitrogen
Hasil pengukuran transmitansi optik dengan
spektrometer UV-Vis ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar tersebut menunjukkan adanya perubahan
transmitansi yang cukup tajam pada rentang panjang
gelombang 300 nm sampai 400 nm yang merupakan
daerah panjang gelombang ultraviolet. Perubahan nilai
transmitansi ini menunjukkan adanya serapan optik yang
cukup tinggi pada panjang gelombang tersebut.
1,0
TiO2:N(50%)
0,9
0,8
TiO2:N(45%)
TiO2:N(15%)
TiO2:N(30%)
TiO2
TiO2:N(35%)
0,7
T ra n s m ita n s i
digunakan yaitu serbuk TiO2, substrat kaca (corning),
urea, etanol, akuades. Sedangkan alat yang digunakan
adalah gelas ukur 100 ml, pengaduk, pipet, crucibel
alumina, Spin Coating, Hotplate, Furnace dan,
Spektrometer UV-Vis 1240 Shimadzu.
Tahap kedua adalah menyiapkan larutan nitrogen dan
TiO2. Larutan nitrogen dibuat dengan variasi konsentrasi
10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% dan 50%
menggunakan aquades. Kemudian larutan TiO2 dibuat
dengan konsentrasi 0,5 M. Konsentrasi 0,5 M didapat
dari 0,39 gram bubuk TiO2 yang dicampur dengan 0,01
L akuades. Larutan TiO2 diaduk menggunakan magnetic
stirer selama 3 jam dengan laju putaran 700 rpm. Selama
pengadukan gelas ukur yang berisi larutan TiO2 ditutup
dengan alumunium foil. Hal ini dilakukan untuk
mengurangi penguapan ketika pemutaran. Setelah
larutan nitrogen dan TiO2 selesai dibuat, kedua larutan
tersebut dicampur dengan cara menuangkan larutan
nitrogen ke dalam larutan TiO2. Campuran larutan
diaduk selama 30 menit menggunakan magnetic stirer,
kemudian dibiarkan selama 24 jam..
Tahap ketiga pembuatan lapisan tipis. Subtrat
dibersihkan menggunakan etanol dan selanjutnya
dikeringkan menggunakan hotplate selama 5 menit
dengan temperatur 100 oC untuk menghilangkan uap
air yang tertinggal. Proses pembuatan lapisan tipis
dilakukan dengan cara mengambil 4 tetes larutan TiO2:N
untuk diteteskan pada substrat yang sudah ditempatkan
pada alat spin coating. Kemudian substrat yang telah
ditetesi larutan TiO2:N diputar dengan tegangan 7 volt
selama 15 detik (kecepatan putar 1371 rpm). Setelah
dilakukan proses pemutaran menggunakan spin coating,
langkah berikutnya adalah pemanasan awal (pre
annealing) dengan menggunakan hotplate pada suhu 150
o
C selama 30 menit. Pre annealing berfungsi untuk
menghilangkan uap air pada lapisan tipis. Kemudian
pemanasan (annealing) dilakukan dengan menggunakan
furnace pada suhu 500 oC selama 8 jam. Proses
annealing berfungsi untuk memperbaiki struktur kristal.
Pengukuran transmitansi menggunakan UV-Vis
bertujuan untuk mengetahui pengaruh doping nitrogen
terhadap sifat optik dan energy gap lapisan TiO2 doping
nitrogen. Penentuan celah pita optik lapisan dapat
ditentukan melalui spektrum transmitansi UV-Vis
dengan metode Tauc Plot yaitu dengan menarik
ekstrapolasi pada daerah linier dari grafik hubungan
dan
hingga memotong sumbu energi[9].
Perhitungan tersebut menggunakan persamaan
107
0,6
TiO2:N(20%)
TiO2:N(40%)
TiO2:N(10%)
0,5
0,4
0,3
TiO2:N(25%)
0,2
0,1
0,0
-0,1
300
Gambar 1.
400
500
600
700
Panjang gelombang (nm)
Transmitansi lapisan tipis TiO2 dan TiO2 doping
nitrogen dengan suhu annealing 500oC.
B. Perhitungan Nilai Celah Optik (band gap)
Ilustrasi penghitungan nilai energy gap ditampilkan
pada Gambar 2. Sedangkan rekapitulasi perhitungan
energy gap TiO2 doping nitrogen dengan konsentrasi
10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% dan 50%
diperlihatkan pada Tabel 1.
Lebih lanjut, plotting pengaruh konsentrasi doping
terhadap energy gap langsung dan tidak langsung (Tabel
1) ditampilkan pada Gambar 3.
Nitrogen adalah unsur golongan V yang berfungsi
sebagai donor atau pengotor. Dengan demikian, hampir
semua elektron donor akan masuk ke pita konduksi pada
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April
ISSN : 0853-0823
2012
108
Mukhtar Effendi, dkk/Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin
Coating
dikarenakan oleh tidak ada-nya korelasi linier antara
banyaknya nitrogen dan kemampuan nitrogen untuk
mensubstitusi oksigen [12] pada TiO2. Jadi, walaupun
nitrogen yang di doping banyak, nitrogen yang mampu
mensubstitusi oksigen pada TiO2 tetap pada jumlah
tertentu saja, atau dengan kata lain terjadi kejenuhan
doping nitrogen pada lapisan TiO2.
Lebih jauh, konsentrasi doping nitrogen yang
optimum untuk mendapatkan energy gap lapisan tipis
TiO2 yang paling sempit adalah pada saat konsentrasi
doping nitrogen sebesar 25 % yaitu nilai energy gap
sebesar 3,37 eV. Penyempitan energy gap ini disebabkan
oleh munculnya level energy baru di antara pita valensi
dan pita konduksi yang disebabkan oleh adanya doping
nitrogen [11]. Level energy baru ini terletak di dekat
(sedikit di atas) pita konduksi [5].
suhu kamar, Sehingga jika prosentase doping nitrogen
meningkat, maka jumlah atom donor meningkat
pula[11]. Namun demikian, hasil penilitian ini (Gambar
3) menunjukkan bahwa tidak ada hubungan linieritas
antara konsentrasi doping nitrogen terhadap penurunan
energy gap lapisan tipis TiO2. Meskipun terlihat bahwa
doping nitrogen pada lapisan tipis TiO2 cenderung
menyempitkan energy gap-nya.
9000
8000
(ahv) (m eV)
1/2
7000
-1
6000
1/2
5000
4000
3000
3,37eV
2000
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
hv(eV)
Gambar 2.
Energy gap TiO2 : N(25%) dengan suhu
annealing 500 oC.
Tabel 1. Energy gap TiO2 dan TiO2 doping nitrogen
dengan suhu annealing 500oC.
Konsentrasi
Direct gap
Indirect Gap
doping (%)
(eV)
(eV)
0
3,59
3,57
10
3,57
3,47
15
3,57
3,57
20
3,57
3,55
25
3,56
3,37
30
3,58
3,52
35
3,58
3,46
40
3,58
3,39
45
3,58
3,49
50
3,58
3,57
direct gap
3,60
3,55
Eg (eV)
3,50
3,45
indirect gap
3,40
3,35
0
10
20
30
40
50
Konsentrasi N (%)
Gambar 3. Pengaruh konsentrasi doping nitrogen terhadap
energy gap TiO2 langsung dan tidak langsung
dengan suhu annealing 500 oC.
Tidak adanya hubungan linieritas konsentrasi doping
nitrogen terhadap penurunan energy gap mungkin
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil dan pembahasan penelitian yang telah
dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa:
1. Telah berhasil dibuat lapisan tipis TiO2 doping
nitrogen di atas substrat kaca menggunakan teknik
spin coating.
2. Energy gap langsung lapisan tipis TiO2 doping
nitrogen dengan suhu annealing 500oC paling
sempit sebesar 3,56 eV dan energy gap tidak
langsung sebesar 3,37 eV dapat dicapai pada
konsentrasi doping 25%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih diucapkan kepada Vita Efelina atas
bantuannya dalam penelitian dan Nasrokhah atas
bantuan penyiapan peralatan sehingga penelitian dapat
terlaksana.
PUSTAKA
[1]. Indah, A. A., “Distribusi Celah Pita Energi Titania
Kotor”, Jurnal Nanosains dan Nanoteknologi,.
ISSN 1979-0880, 2009, hal 38-42.
[2]. Hendri Widiyandari, Maman Budiman. Pengaruh
laju aliran gas N2 terhadap sifat optik film tipis
GaN yang ditumbuhkan dengan teknik Pulsed
Laser Deposition (PLD). Berkala Fisika Vol 7, No.
1, 2004, hal 28-34.
[3]. Fotini Kiriakidou, Dimitris I. Kondarides. The
effect of operational and TiO2 doping on the
photocatalityc degradation of azo-dyes. Catalysis
today, 54, 1999, pp. 119-130. .
[4]. Choi W.Y., Termin A., Hoffmann M.R, ”The Role
of Metal Ion Dopants in Quantum-Sized TiO2:
Correlation between Photoreactivity and Charge
Carrier Recombination Dynamics” , J. Phys Chem,
Volume 98. 1994, pp.13669–13679,.
[5]. Adriana Zaleska. Doped- TiO2, Recent Patents on
Engineering, Vol 2, 2008, No.3. pp.157-164,.
[6]. LI Jin-long, MA Xin-xin, SUN Ming-ren, LI Xiaomin, SONG Zhen-lun, “Structure and visible
photocatalytic of nitrogen-doped meso-porous
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April
ISSN : 0853-0823
2012
Mukhtar Effendi, dkk/Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin
Coating
[7].
[8].
[9].
[10].
[11].
[12].
TiO2 layer on Ti6A14V substrate by plasma-based
ion implantation”, Non ferous. Met. Soc. China 19,
2009, pp. s665-s668.
Lei Zhao, Qing Jiang, Jianshe Lian, “Visible-light
photocatalytic activity of nitrogen-doped TiO2 thin
film prepared by pulsed laser deposition”, Applied
Surface Science 254, 2008, pp. 4620-4625.
Bilalodin. 2004. Pembuatan dan Karakterisasi
Film Tipis PbTiO3. Makalah Seminar Hasil
Penelitian Dosen. Purwokerto.
J. Tauc et al. Optical Properties and electronic
structure of Ge phys. Stat. Sol. 15, 1966, p. 627..
Pimpabute, N. Burinprakhon,T. Somkhunthot, W.
Determination of optical constants and thickness
of amorphous GaP thin film. Optica Applicata,
Vol. XLI, No. 1, 2011.
Takeshi morikawa, Ryoji Asahi, Takasi ohwaki,
Koyu aoki. Visible-light Photocatalyst-Nitrogendoped Titanium Dioxide. R&D Review of Toyota
CRDL Vol.40 No. 3. 2003, hal 45-49.
Fessenden,
Fessenden.
Kimia
Organik.
(Terjemahan Aloysius Hadyana Pudjaatmaka).
Edisi ketiga. Jakarta: Penerbit Erlangga, 1992.
109
TANYA JAWAB
Moh. Toifur, UAD
? Jelaskan sekali lagi proses doping
? Metode spin coating I-V meragukan,
bukan polinon orde banyak
seharusnya
Mukhtar E, UNSOED
√
Proses
doping
dilakukan
dengan
cara
mencampurkan larutan TiO2 dan larutan dopant baru
setelah itu deteteskan di substrate dan dilakukan
proses Spin Coating.
√ Pertanyaan tidak relevan, karena tidak ada fitting
I-V pada presentasi saya.
Friansyah Virgo, UGM
Komentar : Hanya mengoreksi ungkapan penyaji
bahwa garis pada kurve crossplot adalah tegak lurus
dan berpotongan dengan absis. Padahal yang betul
garis tersebut adalah garis singgung yang
dipotongkan dengan absis.
Mukhtar E, UNSOED
√ Terimakasih, memang yang saya maksudkan
adalah garis singgung.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April
ISSN : 0853-0823
2012