BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Material Organik Material organik

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Material Organik
Material organik adalah material yang terdiri dari karbon dan hidrogen
dengan sedikit heteroatom seperti sulfur, oksigen atau nitrogen. Sementara
sifatnya menunjukkan kesesuaian dengan semikonduktor konvensional dalam hal
absorbsi cahaya, emisi cahaya dan konduksi muatannya (Bassler & Kohler, 2011).
Karakteristik semikonduksi bahan organik hadir jika molekul-molekulnya
terdelokalisasi di HOMO (highest occupied molecular orbital) dan LUMO
(lowest unoccupied molecular orbital) sebagai orbital π dan π* (Kohler & Bassler,
2009). Sifat ikatan dalam semikonduktor organik secara fundamental berbeda
dengan ikatan pada semikonduktor inorganik. Kristal molekular organik
merupakan padatan dengan ikatan van der Waals yang menyiratkan bahwa ikatan
intermolekular lebih lemah dibanding ikatan kovelen pada semikonduktor
konvensional seperti Si atau GaAs. Akibatnya terlihat dari sifat mekanik dan
termodinamiknya seperti kekerasan yang berkurang atau titik leleh yang lebih
rendah, yang juga penting dampak langsung bagi sifat optik dan transport muatan
pembawa (Brutting, 2005).
Transport pembawa muatan pada bahan organik berlangsung melalui proses
lompatan atau hopping dari satu molekul ke molekul selanjutnya. Molekul yang
terlokalisasir ini berpotensi untuk terjadinya tumbukan, hamburan dan delay yang
berkontribusi terhadap mobilitas dari transport material organik yang rendah,
secara khas nilainya antara 10 7 cm 2 / V .s hingga 10 cm 2 / V .s (Wallace, 2009).
Fenomena transport pembawa muatan salah satunya ditunjukkan dengan
karakteristik konduktivitas. Konduktivitas semikonduktor organik merupakan
hasil dari injeksi muatan pada elektroda, dari pemberian doping secara sengaja
maupun tidak sengaja dan dari disosiasi pasangan elekton-hole yang terikat oleh
tarikan Coulomb. Dua hasil karakteristik utama pada material organik yaitu
absorbsi dan emisi yang menempati rentang 2-3 eV(sekitar 600-400nm), yang
5
6
menghalangi pembuatan konsentrasi muatan pembawa yang signifikan oleh
eksitasi termal pada suhu ruang (Köhler & Bässler, 2015).
2.2 Spirulina sp.
Spirulina termasuk dalam bakteri fotosintetik aksigenik yang meliputi
kelompok Cynobacteria dan Prochlorales. Diameter sprulina sekitar 3-12 μm dan
mudah dikumpulkan dengan filtrasi maupun dengan pemisahan lain (Ali & Saleh,
2012). Pigmen photosintetik Spirulina adalah phycocyanin, yang berwarna biru.
Mikroalga ini juga mengandung klorofil a dan karetenoid (Ahsan et al., 2008).
Sprulina merupakan semacam algae biru-hijau dengan efisiensi fotosintetik
yang bagus, sehingga dapat digunakan sebagai sel surya organik. Wang et al.,
(2014) melaporkan pengguaaan Spirulina sebagai fotosensitizer untuk biosolar
cell, dengan perolehan arus photocurrent sebesar 70 𝜇A.
2.3 Klorofil
Klorofil merupakan salah satu senyawa bioaktif penting yang dapat
diekstraksi dari biomassa mikroalga. Terdapat dua tipe utama klorofil yaitu
klorofil a dan b. Kerangka molekul klorofil adalah porphyrinmacrocycle yang
terdiri dari empat cincin pyrrole. Penyertaan cincin isocyclic tunggal terhadap
salah satu cincin pyrrole memberikan struktur phorbin. Tiap cincin pyrrole terdiri
dari empat atom carbon dan satu atom nitrogen. Semua atom nitrogen yang
menghadap masuk membuat pusat hole dimana ion logam Mg2+ mudah berikatan.
Dalam klorofil b, kelompok methyl pada cincin II pada klorofil a diganti dengan
kelompok formyl. Perbedaan inilah yang membuat pigmen biru/hijau dengan
absorbansi maksimum dari 660 hingga 665 nm (Hosikian et al., 2010).
2.4 Transport Muatan
Karakteristik transport muatan dari organik semikonduktor merupakan salah
satu kunci yang berdampak pada performa peralatan elektronik dan optoelektronik
7
organik yang digunakan. Karakterisasi transport muatan pada semikonduktor
organik sangat penting dalam perspektif sains dan teknologi. (Jingyao, 2010).
Semikonduktor organik biasanya mempunyai struktur
molekular yang
menonjolkan ikatan ganda dan tunggal bolak-balik yang meningkat terhadap
orbital π yang tumpang tindih. Sifat optoelektronik dari material ini tidak hanya
diatur oleh struktur molekular saja tapi juga oleh interaksi intermolekular.
Kenaikan transport muatan listrik pada material ini merupakan konsekuensi
langsung dari delokalisasi elektron π. (Kokil et al., 2012)
Untuk material semikonduktor, konduktivitas listrik tinggi dapat dicapai
dengan tingkat dopan yang tinggi, yang juga berhubungan dengan densitas
pembawa muatan yang tinggi (Kokil et al., 2012).
Jika rapat muatan
bergerak pada kecepatan hanyut (drift velocity) rata-rata
yang diakibatkan oleh medan listrik eksternal, maka rapat arus hanyut adalah:
(2.1)
Dengan J dalam satuan
.
Persamaan gerak hole bermuatan positif dengan adanya medan listrik adalah:


F  m*p a  eE
(2.2)
Dengan
adalah besanya muatan elektron,
listrik dan
adalah percepatan,
adalah medan
adalah massa efektif hole. Jika medan listrik konstan, maka
kecepatan meningkat secara linear terhadap waktu. Bagaimanapun partikel
bermuatan dalam semikonduktor dilibatkan dalam dua tumbukan, yaitu dengan
atom tak murni yang terionisasi dan dengan atom kisi tervibrasi secara termal.
Tumbukan atau peristiwa hamburan ini
mengubah
karakteristik kecepatan
partikel.
Sebagaimana hole kristal dipercepat dengan medan listrik yang diberikan
mengakibatkan kecepatannya juga meningkat. Saat pembawa muatan menumbuk
atom kristal, maka pembawa muatan akan kehilangan energi. Pembawa muatan
akan mulai lagi untuk mempercepat dan memperoleh energi sampai terlibatkan
dalam proses hamburan barikutnya. Hal ini berlangsung berulang. Sepanjang
8
proses ini, pembawa muatan akan memperoleh kecepatan hanyut rata-rata yang
dapat ditulis dengan:

v  E
Dengan
(2.3)
disebut dengan mobilitas (Neamen, 2003).

J p|drf  (ep)vdp  e p pE
(2.4)
Dengan p adalah populasi hole. Arus hanyut pada hole yang searah dengan
medan listrik yang diberikan.
Sementara untuk elektron adalah:

J n|drf  vdn  (en)vn  e n nE
Dengan
adalah rapat arus hanyut untuk elektron;
(2.5)
adalah kecepatan
hanyut rata-rata elektron dan n adalah populasi elektron.
Karena baik hole maupun elektron berkontribusi untuk muatan hanyut, rapat arus
hanyut total adalah penjumlahan rapat arus hanyut hole dan elektron. Menurut
Neamen (2003) rapat arus :

J drf  e( n n   p p) E
(2.6)
Sementara konduktivitas listrik σc pada material dinyatakan dengan:
(2.7)
Dengan n adalah jumlah pembawa muatan (yang dapat diatur), e merupakan
muatan elektronik dan μ menandakan mobilitas pembawa muatan (Kokil et al.,
2012).
Kuantitas penting pada karakterisasi transport muatan adalah mobilitas
pembawa muatan. Mobilitas mengindikasikan seberapa cepat pembawa muatan
mengalir pada medium tertentu sebagai fungsi medan yang diberikan. Aliran
pembawa muatan inilah yang disebut arus listrik.
Pemberian medan listrik luar berakibat pembawa muatan mengalir
memenuhi kaidah drift current, sehingga mobilitas dapat juga diartikan sebagai
perbandingan kecepatan muatan v dan luas medan listrik yang diberikan .
9
Menurut Coropceanu et al., (2007) besar nilai mobilitas adalah:
v
  d
(2.8)
E
Mobilitas
pembawa
merupakan
parameter
yang
penting
dalam
menentukan performa devais elektronik dan nilai mobilitas elektron maupun hole
untuk lapisan tipis semikonduktor organik yang sudah diketahui memang sedikit
lebih rendah dibanding semikonduktor inorganik (Kwok, 2003).
2.5 Faktor yang Mempengaruhi Mobilitas Muatan
Transport muatan yang efisien mensyaratkan bahwa muatan mampu untuk
bergerak dari satu molekul ke molekul lain atau tidak terperangkap (trap).
Menurut Coropceanu et al. (2007) mobilitas pembawa muatan dipengaruhi oleh
banyak faktor antara lain; molecular packing, disorder, adanya impuritas, suhu,
medan listrik, densitas pembawa muatan, ukuran atau berat molekul, tekanan.
Seberapa cepat pembawa muatan bergerak juga salah satunya diakibatkan
pembawa muatan yang saling bertumbukan satu sama lain. Antara tumbukan,
pembawa muatan bergerak dengan kecepatan konstan sepanjang garis lurus. Ratarata jarak antar tumbukan dinamakan dengan mean free path (Serway & Jawett,
2004). Lintasan pembawa muatan yang random ditunjukkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1. Pembawa muatan yang berpindah-pindah melalui tumbukan
dengan pembawa muatan lain pada keadaan random. Keadaan ini mengacu pada
proses random-walk (Serway & Jawett, 2004).
10
2.6 Magneto-conductance
Perubahan arus saat medan magnetik eksternal diberikan terhadap devais
organik
yang
tidak
mempunyai
material
magnetik
disebut
dengan
magnetoconductance (Bloom et al., 2010). Magnetoconductance dengan arus
yang sensitif terhadap medan magnet umumnya berhubungan dengan pasangan
dari partikel yang membawa spin. Contohnya, model yang serupa dapat
menggabungkan mekanisme spin-blocking antara polaron dengan muatan yang
sama atau rekombinasi yang bergantung dari spin dari hole dan elektron (Cox et
al., 2014).
Efek magnetoconductance ini hadir pada suhu ruangan dan medan
karakteristik yang diperlukan untuk mengamati efek ini adalah pada kisaran mT.
Berdasarkan penelitian Bloom et al., (2010) besarnya magnetoconductance
adalah:
MC ( H ) 
I H  I0
I0
(2.8)
MC (H ) = magnetoconductance (%)
I H = Arus yang diperoleh setelah diberi medan magnet (A)
= Arus yang diperoleh sebelum diberi medan magnet (A)
Nilai +MC diperoleh dengan kenaikan arus, sementara –MC diperoleh dari
arus yang kecil.
Terdapat beberapa mekanisme
yang dapat
menjelaskan
fenomena
magnetoconductance, antara lain: mekanisme eksiton, mekanisme bipolaron dan
mekanisme pasangan e-h. Pada mekanisme pasangan e-h, elektron dan hole
berada dalam keadan yang cukup jauh sehingga interaksi dapat diabaikan. Oleh
karena itu, pasangan e-h triplet dan singlet dihasilkan, begitu juga semua keadaan
tingkat triplet (T−1,T0,T+1) dapat diubah satu sama lain menjadi pasangan e-h
singlet.
Dalam model ini, pasangan e-h singlet berekombinasi ke keadaan dasar atau
ground state lebih cepat daripada triplet, oleh karena itu sejumlah eksiton triplet
11
berlebih dan intersystem crossing yang muncul pada pasangan e-h triplet akan
diubah ke pasangan e-h singlet. Dengan demikian intersystem crossing secara
efektif dapat menaikkan rekombinasi karena pasangan e-h singlet berekombinasi
lebih cepat. Dengan pemberian medan magnetik eksternal keadaan pasangan e-h
T−1 and T+1 menjadi pecah atau split sebagaimana mereka tidak menghasilkan
pasangan e-h singlet. Oleh karena itu hanya pasangan e-h T0 saja yang dapat
berekombinasi lebih cepat dengan mengubah pasangan e-h singlet melalui medan
hyperfine. Rekombinasi yang sedikit akan menyebabkan pemisahan atau disosiasi
yang lebih sehingga arus yang dihasilkan juga lebih banyak.
Gambar 2.2 Pasangan e-h singlet dan triplet pada intersystem crossing (ISC)
(a) tanpa medan magnet (b) dengan medan magnet (Bloom, 2010).