Analisis Mobilitas Pembawa Muatan Lapisan Tipis

ISSN:2089 – 0133
April 2014
Indonesian Journal of Applied Physics (2014) Vol.04 No.1 Halaman 14
Analisis Mobilitas Pembawa Muatan
Lapisan Tipis Klorofil Spirulina sp
Hasil Deposisi Spin Coating
Muhamad Mustain, Defi Sulistyana, Utari dan Budi Purnama
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret, Surakarta
[email protected]
Received 23-02-2013, Revised 17-05-2013, Accepted 08-06-2013, Published 30-04-2014
ABSTRACT
Analysis of carrier charge mobility of Spirulina sp thin films produced by spin coating have
been conducted. Measurement of carrier charge mobility has been done by I-V method.
Mobility of carrier charge decreased with an increased of the layer number. It indicates that a
threshold value of carrier charge of population number over flow on conduction band.
Keywords : Spirulina sp, spin coating, mobility
ABSTRAK
Analisis mobilitas pembawa muatan lapisan tipis Spirulina sp hasil deposisi spin coating telah
berhasil dilakukan. Pengukuran mobilitas pembawa muatan dilakukan dengan metode I-V.
Mobilitas pembawa muatan menurun dengan kenaikan jumlah perulangan lapisan tipis. Hal ini
menegaskan keberadaan ambang batas jumlah populasi pembawa muatan mengalir pada
kanal/pita konduksi.
Kata kunci : Spirulina sp, spin coating, mobilitas
PENDAHULUAN
Sejak diketahui potensi aplikasi bahan semikonduktor organik di bidang elektronika,
mekanisme transport mobilitas pembawa muatan adalah salah satu bidang kajian yang
banyak menjadi perhatian para peneliti[1,2,3]. Saat ini, salah satu pemanfaatan fenomena
transport di bidang elektronika adalah Organic Light Emitting Diode (OLED)[4]. Banyak
ragam metode penentuan mobilitas pembawa muatan seperti metode time-of-flight
(TOF), metode xerographic discharge, metode equilibrium charge carrier extraction,
metode current drift, metode space-charge-limited-current (SCLC), metode
conductivity/ concentration (s/n), metode field effect transistor (FET), dan metode
surface acousto-electric traveling wave (SAW)[5,6].
Pada makalah ini akan ditentukan mobilitas pembawa muatan lapisan tipis Spirulina sp
hasil deposisi spin coating. Metode current drift (I-V)dipilih untuk penentuan nilai
mobilitas ini mengingat kemudahan dan tingkat realisasinya lebih tinggi. Akhirnya
ketergantungan nilai mobilitas dengan jumlah perulangan lapisan tipis akan diklarifikasi.
Analisis Mobilitas Pembawa Muatan.... Halaman 15
METODE
Transport elektronika dideskripsikan sebagai induksi medan listrik yang mengakibatkan
pembawa muatan bergerak dengan kecepatan v dan ber-superposisi dengan kecepatan
akibat rerata hamburan dan panas yang dinyatakan sebagai rapat arus j
(1)
dengan e adalah muatan elektron, n adalah rapat pembawa muatan lokal. Hubungan
antara
dan medan listrik E merefleksikan hukum Ohm yang dinyatakan
(2)
dengan  adalah mobilitas pembawa muatan yang merupakan besaran transport intrinsik
dari bahan semikonduktor tertentu. Substitusi persamaan (2) ke persamaan (1) diperoleh
persamaan
(3)
Dari persamaan (3) maka mobilitas pembawa muatan dapat ditentukan.
Prosedur eksperimen, diawali dengan isolasi dye klorofil Spirulina sp dari serbuk
Spirulina sp. Mula-mula dilakukan ekstraksi, yaitu serbuk Spirulina sp dicampur aceton
dengan perbandingan 1 : 5. Kemudian dilakukan proses evaporasi untuk memisahkan
campuran larutan ekstraksi dengan pelarutnya. Prosedur selanjutnya adalah
kromatografi dengan N-Heksan. Silika gel digunakan untuk mempercepat laju
pemisahan dye klorofil Spirulina sp. Kemudian sampel diklarifikasi tipikal
serapan/absorbansi dengan menggunakan Spektrometer Uv-Vis. Tahapan berikutnya
adalah penumbuhan lapisan tipis. Untuk keperluan pengujian serapan, lapisan tipis
dideposisi pada substrat kaca. Sedangkan untuk kepentingan pengukuran mobilitas,
lapisan tipis ditumbuhkan pada substrat PCB berpola elektrode. Kecepatan putar
deposisi keseluruhan sampel adalah ω = 2500 rpm. Proses heating setelah deposisi
dilakukan pada suhu 60C selama 60 detik. Modifikasi sampel dilakukan dengan
memvariasi jumlah lapisan yaitu 3, 5, 7, dan 9 lapis. Tahapan terakhir adalah
karakterisasi sampel. Karakteristik absorbansi lapisan tipis diukur dengan uv-vis.
Sedangkan, ketebalan dihitung dengan metode graviti. Akhirnya, pengukuran mobilitas
menggunakan metode I-V berbasis persamaan (3) pada suhu ruang.
(a)
(b)
Gambar 1. (color online) (a) Skematik substrat print circuit board (PCB) dan (b) diagram skematik pengukuran
mobilitas dengan metode I-V
Gambar 1. (a) menunjukkan ukuran skematik substrat printed circuit board (PCB) berelektroda Cu sebagai tempat menumbuhkan lapisan tipis klorofil. Dimensi panjang dan
3.5
0.4 |r|=
Slope
3.5
Analisis Mobilitas Pembawa Muatan.... Halaman 16
3
0.3
lebar PCB keseluruhan 15000
dan
10000
dengan
2.5 , jarak antar celahnya 250
a*x+b
tebal 80
dan tebal elektrodanya
35
. Sedangkan Gambar 1b adalah diagram
a=4.32500759e-01
b=2.27495138e-01
skematik pengukuran mobilitas pembawa
muatan dengan metode I-V.
2.02082904e-01
0
2
|r|=9.78858279e-01
HASIL DAN PEMBAHASAN
4
6
8
Jumlah Lapisan, N
3
a*x+b
a=1.62500008e-01
b=2.37249995e+00
9.19238816e-02
|r|=9.44911187e-01
400
(b)
Mobilitas (cm /V.s)
0.06
0.04
0.02
400 500 600 700 800
Panjang Gelombang λ(nm)
2
5 lapis
7 lapis
4
14
0.08
(a)
-3
0.1
n (×10 cm )
Absorbansi (abs)
0.12
3
2
1
0
2
4
6
8
Jumlah Lapisan, N
300
200
10
Gambar 2. (a) (color online) Grafik absorbansi lapisan tipis klorofil Spirulina sp dengan 2 variasi
jumlah lapisan dan (b) perhitungan populasi pembawa muatan berdasar kurva serapan.
Gambar 2. (a) memperlihatkan tipikal kurva absorbansi lapisan tipis Spirulina sp untuk
N = 5 lapis dan N = 7 lapis. Teramati dengan jelas bahwa jumlah lapisan meningkatkan
absorbansi sampel. Nilai absorbansi pada  = 675 nm untuk N = 5 adalah 0,014 dan N =
7 adalah 0,032. Tinggi puncak kurva serapan uv-vis mengindikasikan konsentrasi
klorofil sebagai pembawa muatan pada lapisan tipis yang terbentuk[7] dan dapat dihitung
dengan persamaan (4).
mg/L
(4)
Dengan mengetahui massa relatif molekul chlorophyll a, maka nilai kerapatan pembawa
muatan dapat dihitung seperti ditunjukkan Gambar 2b. Teramati dengan jelas bahwa
kenaikan jumlah perulangan lapisan tipis akan meningkatkan konsentrasi pembawa
muatan (dalam hal ini klorofil) terdeposisi.
Berdasar persamaan (3), rapat arus J = I/A dengan I adalah arus yang mengalir pada
sampel dan A adalah luas tampang lintang. Sedangkan medan listrik E = V/d dengan V
adalah tegangan antara dua elektrode dan d adalah jarak antara dua elektrode. Dengan
asumsi fenomena transport dibawah pengaruh medan listrik E mengikuti hukum Ohm,
maka hasil pengukuran dapat diplotkan I sebagai fungsi V dan konstanta mobilitas 
dapat ditentukan dari nilai gradient/kemiringan kurva. Tipikal kurva I-V lapisan tipis
Spirulina Sp ditunjukkan pada Gambar 3. Dari Gambar dapat diamati bahwa perbedaan
jumlah lapisan menentukan kemiringan kurva yang dibentuk.
100
2
Arus I (nA)
5
4
200 400 600 800 1000
Tegangan
(mV)
0.5 Va*x+b
(a)
a=6.60000005e-02
b=3.56666640e-02
3.58267436e-02
5
(b)
0.4 |r|=9.48944752e-01
a*x+b
3
2
0.3
1
6
3
a*x+b
a=3.90285714e-13
b=1.10000000e-10
1.14785811e-11
|r|=9.95315003e-01
a=3.25054546e-13
b=2.43632034e-11
1.24883133e-11
|r|=9.92044872e-01
3
N=9 Lapis
2
o
5
0
0
6
N= 5 LAPIS
T=60
7
a*x+b
200
T= 60o400 600 800 1000
a=-4.36388561e+01
Tegangan V (mV)
b=4.78793675e+02
9.19238816e-02
Gambar
3 (a) Grafik I-V lapisan tipis klorofil Spirulina sp2.21230546e+01
untuk N = 5 lapis dan (b) N = 9
|r|=9.44911187e-01
lapis. Garis tegas adalah tren grafik garis lurus.
|r|=9.75249555e-01
Mobilitas μ (×10-4cm2/V.s)
mlah Lapisan, N
4
6
8
mlah Lapisan, N
4
0 a*x+b
0 200 400 600 800 1000
a=1.62500008e-01
Tegangan V (mV)
b=2.37249995e+00
8
4
1
10
5
3
2
1
0
0
Arus I (nA)
4
Analisis Mobilitas Pembawa Muatan.... Halaman 17
Arus I (nA)
0
0
(a)
4
3
a*x+b
a=3.25054546e-13
b=2.43632034e-11
1.24883133e-11
|r|=9.92044872e-01
2
1
0
2
4
60 200
8 400
10 600 800 1000
Tegangan V (mV)
Jumlah Lapisan, N
Gambar 4 Grafik mobilitas  pembawa muatan sebagai fungsi jumlah lapis N
Dari nilai gradien yang diperoleh pada analisis sebelumnya, dengan asumsi tidak
membedakan mobilitas pembawa muatan positif dan negatif, maka  mobilitas rerata
dapat dihitung seperti ditunjukkan Gambar 4. Dari Gambar menunjukkan bahwa 
menurun dengan kenaikan jumlah lapisan. Peningkatan jumlah lapisan dari N = 3
menjadi N = 9 menurunkan nilai  hingga ~
. Seperti telah diketahui bahwa, nilai 
dipengaruhi oleh masa efektif pembawa muatan dan suhu. Dengan asumsi massa
efektif pembawa muatan tidak berubah dengan kenaikan jumlah lapisan (N), maka
peningkatan N akan menambah populasi pembawa muatan (n). Jika arus hanyut
diasumsikan mengalir pada pita konduksi, maka peningkatan populasi akan
menyebabkan mobilitas pembawa muatan menurun. Hal ini juga menunjukkan
keberadaan ambang batas jumlah populasi pembawa muatan mengalir pada kanal/pita
ini. Nilai  yang diperoleh pada penelitian ini se-orde dengan mobilitas pembawa
muatan yang telah dipublikasikan[8,9,10].
N= 5 LAPIS
T= 60o
Analisis Mobilitas Pembawa Muatan.... Halaman 18
KESIMPULAN
Analisis mobilitas pembawa muatan lapisan tipis Spirulina sp dengan metode I-V telah
dilakukan. Hasil yang diperoleh mennunjukkan bahwa mobilitas pembawa muatan
menurun dengan kenaikan jumlah perulangan lapisan tipis. Hal ini menegaskan
keberadaan ambang batas jumlah populasi pembawa muatan mengalir pada kanal/pita
konduksi.
DAFTAR PUSTAKA
1. Podzorov, V., Menard, E., Borissov, A., Kiryukhin, V., Rogers, J.A., dan
Gershenson, M.E. 2004. Intrinsic Charge Transport on the Surface of Organic
Semiconductor, Physics Review Letter, Vol. 93, No. 8, 086602.
2. Bässler, H. dan Köhler, A. 2012. Charge Transport in Organic Semiconductors. Top
Curr.Chem, Vol. 312. Hal. 1-66.
3. Coropceanu,V., Cornil, J., Demetrio A., Filho, S., Olivier, Y., Silbey, R. dan Brédas,
J. 2000. Charge Transport in Organic Semiconductors. Chemical Review, Vol. 107.
Hal. 926-952.
4. Chen, P., Lei, Y. L., Liu.R., Zang, Q.M., Zhang, Y. dan Xiong, Z.H. 2010.
Influence of DCM Dye Doping on The Magnetic Field Dependent
Electroluminescence in Organic Light Emitting Diodes. Science China Physics,
Mechanics and Astronomy, Vol. 53, No. 1. Hal. 24-29.
5. Karl, N. 2003. Charge Carrier Transport in Organic Semiconductors. Synthetic
Metals, Vol. 133–134. Hal. 649–657.
6. Tiwari, S. dan Greenham, N.C. 2009. Charge Mobility Measurement Ttechniques
in Organic Semiconductors. Opt. Quant. Electron, Vol. 41, No. 2, Hal. 69–89.
7. Porra, R.J., Thompson, W.A. dan Kriedemann, P.E. 1989. Determination of
Accurate Extinction Coefficients and Simultaneous Equations for Assaying
Chlorophylls a and b Extracted with Four Different Solvents: Verification of The
Concentration of Chlorophyll Standards by Atomic Absorption Spectroscopy.
Biochimica et Biophysica Acta, Vol. 975, Hal. 384-394
8. Kwok, H.L. 2003. Carrier Mobility in Organic Semiconductor Thin Films. Rev.
Adv.Mater. Sci.,Vol 5, Hal. 62-66.
9. Kim, J.Y., Chung, I.J., Lee, C., Kim, Y.C., Kim, J.K. dan Yu, J.W. 2005. Mobility
of Electrons and Holes in an n-Type Organic Semiconductor Perylene Diimide Thin
Film, Current Applied Physics, Vol. 5, Hal. 615–618.
10. Wang, Z.B., Helander, M.G., Greiner, M.T., Qiu, J. dan Lub, Z.H. 2010. Carrier
Mobility of Organic Semiconductors Based on Current-Voltage Characteristics.
Journal of Applied Physics, Vol. 107, 034506.