Pembuatan Dan Penentuan Celah Pita Optik Film - HFI DIY

86
Bilalodin / Pembuatan Dan Penentuan Celah Pita Optik Film Tipis TiO2
Pembuatan Dan Penentuan Celah Pita Optik Film Tipis TiO2
Bilalodin
Program Studi Fisika, Jurusan MIPA Fakultas Sains dan Teknik
Jl. Dr. Soeparno No. 61 Karangwangkal Purwokerto
[email protected]
Abstrak – Film tipis titanium dioksida (TiO2) telah berhasil ditumbuhkan dengan baik menggunakan metode spin
coating pada temperatur annealing 500oC. Karakterisasi optik film tipis menggunakan spektrometer UV-VIS. Uji
transmitansi lapisan tipis TiO2 diukur pada rentang panjang gelombang 300 nm-700 nm. Energy celah optik film tipis
TiO2 dihitung menggunakan metode Touc Plot dan diperoleh nilai celah pita optik sebesar 3,59 eV.
Kata kunci: Film tipis TiO2, sifat optik, celah pita optik.
Abstract – Thin film titanium dioxide (TiO2) was well grown using spin coating method at annealing temperature
500oC. The optical properties of the film were characterized using UV-VIS spectrometer. Transmmittance test of of
TiO2 thin film were measured with range wavelength of 300 nm-700 nm. The energy band gap was counted using
Touc Plot method was yielded the value of band gap of 3,59 eV.
Key words: TiO2 thin film, optical properties, band gap.
I. PENDAHULUAN
Lapisan tipis TiO2 yang bersifat semikonduktor
tetap sangat menarik untuk diteliti karena bermacam
macam pengunaan diantaranya: sebagai elektrokhromik,
photokatalistik dan sensor[1]. TiO2 yang didoping
dengan logam Fe, Nb, dan Ce dapat dimanfaatkan
sebagai sensor gas[2]. Pembuatan atau fabrikasi TiO2
yang paling dasar untuk aplikasi tersebut adalah dalam
bentuk film tipis. Fabrikasi film tipis pada saat ini
memungkinkan kegunaannya yang begitu luas,
mengingat sifat-sifat bahan dari film tipis dapat
dimodifikasi sesuai dengan divais yang diinginkan. Oleh
sebab itu pembuatan lapisan tipis TiO2 terus dilakukan
guna mendapatkan karakteristik film yang lebih baik.
Beberapa metoda yang dapat digunakan pembuatan
lapisan tipis TiO2 adalah seperti : Pulsa Laser Ablation
(PLAD), puttering, dan Chemicel Deposition Solution
(CDS) [3]. Metode CDS cukup baik karena kontrol
yang baik pada stoikiometri, mudah dibuat dan dapat
dilakukan pada suhu kamar[4].
Pada penelitian ini lapisan tipis TiO2 ditumbuhkan
dengan metode CDS kemudian diproses lebih lanjut
dengan teknik
Spin coating. Lapisan tipis
dikarakterisasi sifat optik menggunakan Spektrometer
UV-VIS dan data transmitransinya diolah menggunakan
metode Tauc Plot untuk menentukan celah pita optic.
II. METODE PENELITIAN
Penelitian dilaksanakan dalam tiga tahap. Tahap awal
adalah menyiapkan bahan yang digunakan yaitu serbuk
TiO2, substrat kaca (corning),
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 TiO2. Larutan
TiO2 dibuat dengan konsentrasi 0,5 M. 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.
Tahap ketiga pembuatan film tipis. Subtrat
dibersihkan menggunakan ethanol dan selanjutnya
dikeringkan menggunakan hotplate selama 5 menit
dengan temperatur 100 oC. Proses pembuatan lapisan
tipis dilakukan dengan cara mengambil 4 tetes larutan
TiO2 untuk diteteskan pada substrat yang sudah
ditempatkan pada alat spin coating. Kemudian substrat
yang telah ditetesi larutan TiO2 diputar dengan
kecepatan putar 137O rpm., langkah berikutnya adalah
pemanasan awal (pre annealing) dengan menggunakan
hotplate dengan suhu 150 oC selama 30 menit.
Kemudian pemanasan (annealing) dilakukan dengan
menggunakan furnace dengan suhu 500oC selama 8 jam.
Proses annealing berfungsi untuk memperbaiki struktur
kristal.
Film Tipis TiO2 yang dihasilkan kemudian dilakukan
pengukuran transmitasi menggunakan Spektrometer UVVIS. Selanjtnya spektrum transmitansi diolah
menggunakan metode Tauc Plot untuk menentukan
celah pita optik.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
Bilalodin / Pembuatan Dan Penentuan Celah Pita Optik Film Tipis TiO2
Tabel 1. Data transmitansi film tipis TiO2 pada berbagai nilai
panjang gelombang.
Panjang Gelombang (nm)
Transmitansi TiO2
300
350
400
450
500
550
600
650
700
0.002686
0.643800
0.537960
0.671510
0.322140
0.619510
0.296630
0.690190
0.264160
TM1
TM2
0.7
0.6
0.5
Transmitansi
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Karakteristik Sifat Optik Film Tipis TiO2
Film Tipis TiO2 dapat ditumbuhkan dengan baik pada
temperature annealing 500 oC. Film yang terbentuk
transparan diatas subtrat kaca.
Hasil pengukuran transmitansi optik dengan
spektrometer UV-VIS Hasil pengukuran transmitansi
diperlihatkan pada Tabel1. Tabel 1 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
absorbsi yang cukup tinggi pada panjang gelombang
tersebut.
87
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
300
400
500
600
700
Panjang gelombang (nm)
Gambar 1. Grafik
hubungan transmitansi dan panjang
gelombang lapisan tipis TiO2 dibuat pada suhu
annealing 5000C.
B.1. Menentukan Tebal dan Koefisien Absobsi Film.
Nilai indeks bias dan ketebalan lapisan tipis
ditentukan dengan menggunakan persamaan Swanepoel
[5].
N 2 = 2n s
TM − Tm n s2 + 1
+
T M Tm
2
(1)
( 0 , 671510 ) − ( 0 ,30 ) (1,51 ) 2 + 1
= 2 (1,51 )
+
= 7 , 21
( 0 , 671510 ) ( 0 ,30 )
2
TM −Tm n s2 + 1
N 1 = 2n s
+
TM Tm
2
B. Menentukan Nilai Celah Pita Optik
Perhitungan celah pita optik dimulai dari penentuan
nilai transmitansi maksimum dan minimum, tebal dan
koefisien serapan lapisan tipis dan diakhiri perhitungan
dengan menerapkan metode Tauc Plot. Perhitungan
selengapnya dapat dijelaskan sebagai berikut.
Celah pita optik pada lapisan tipis TiO2 dapat
ditentukan dengan mengolah data transmitansi yang
diperoleh dari pengukuran transmitansi menggunakan
spektrometer UV-VIS. Pengukuran transmitansi
dilakukan pada panjang gelombang 300 nm -700 nm.
Yaitu dimulai dari cahaya ultraviolet sampai cahaya
tampak. Berdasarkan data Tabel 1 dapat dibuat grafik
seperti diperliharkan Gambar 1.
Berdasarkan grafik pada Gambar 1 dapat diketahui
data-data nilai transmitansi maksimum dan minimum.
Nilai transmitansi maksimum diperoleh TM1 0,69 dan
TM2 0,67,dan transmitansi minimum Tm1 0,30, dan
Tm2 0,32 dengan panjang gelombang 1 (λ1) 650 nm dan
panjang gelombang 2 (λ2) 450 nm.
(2)
( 0 , 690190 ) − ( 0 ,32 ) (1,51 ) 2 + 1
= 2 (1,51 )
+
= 6 , 70
( 0 , 690190 ) ( 0 ,32 )
2
ns menyatakan indeks bias kaca (1,51).
Indeks bias lapisan tipis TiO2 dapat ditentukan dengan
menggunakan persamaan 3
n 2 = N + N 2 − n s2
n2 =
7 , 21 +
( 7 , 21 ) − (1, 51 )
2
2
(3)
= 3 , 78 .
n1 = N + N 2 − ns2
n1 =
6 , 70 +
( 6 , 70 ) 2 − ( 1 , 51 )
2
= 3 , 64
Hasil perhitungan indek bias digunakan untuk
menghitung nilai tebal film menggunakan persamaan 4
d =
λ1 λ 2
2 ( λ1 n 2 − λ 2 n1 )
( 650 )( 450 )
d =
= 1 , 79 × 10
2 [( 650 )( 3 , 78 ) − ( 450 )( 3 , 64 ) ]
(4)
−7
m
Setelah ketebalan dari lapisan tipis diketahui, maka
koefisien serap lapisan tipis TiO2 untuk masing-masing
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
88
Bilalodin / Pembuatan Dan Penentuan Celah Pita Optik Film Tipis TiO2
panjang
gelombang
dapat
diketahui
menggunakan persamaan 5.
1
α = − ln T
d
dengan
Tabel 4. Nilai (α h υ ) n untuk transisi langsung dan
transisi tidak langsung.
Panjang gelombang
(nm)
300
Direct gap(m-1.eV)2
350
7.55 x 1013
400
1.146 x 1014
450
3.735 x 1013
500
2.448 x 1014
= 6,63x10 J.s , c = 3x10 m/s dan = 300x10 m –
700x10-9 m. Sehingga di peroleh nilai seperti
diperlihatkan Tabel 3.
550
3.615 x 1013
600
2.188 x 1014
650
1.552 x 1013
Tabel 2. Nilai koefisien serap lapisan tipis TiO2u
700
1.725 x 1014
( 5)
Nilai koefisien serap lapisan tipis TiO2 untuk masingmasing panjang gelombang ditunjukkan pada Tabel 2.
Setelah koefisien serap dari lapisan tipis diketahui,
-9
Panjang gelombang (nm)
α ( m-1)
300
350
400
450
500
550
600
650
700
33092660
2461765,8
3465797,9
2226187,9
6332470,7
2676763,1
7183896,9
2072802,4
7441752,5
2.00E+016
1.50E+016
2
λ
-1
8
dengan h
2
-34
c
(ahv) (m eV)
kemudian menentukan hv dimana hv = h
1.857 x 1016
1.00E+016
5.00E+015
3.59 eV
0.00E+000
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
hv (eV)
Gambar
2.
Tabel 3. Nilai energi serap lapisan tipis TiO2.
λ x
10-9(m)
300
350
400
450
500
550
600
650
700
hv x
10-9
(J.s)
6,63
5,68
4,97
4,42
3,98
3,62
3,32
3,06
2,84
hv (eV)
4,12
3,53
3,09
2,75
2,47
2,25
2,06
1,90
1,76
Menentukan Celah Pita Optic Menggunakan Metode
Touc Plot[6]
Metode Tauc plot yaitu metode penentuan celah
optikdengan cara melakukan ekstrapolasi dari grafik
hubungan ( h υ ) sebagai absis dan (α h υ ) n sebagai
ordinat hingga memotong sumbu energi sehingga
diperoleh nilai celah pita optik. Nilai (α h υ ) n untuk
transisi langsung ( n = 1 2 ) ditunjukkan pada Table 4.
Penentuan celah pita optik langsung ( n = 1 2) untuk
lapisan tipis TiO2 disajikan pada Gambar 2.
Penentuan celah pita optik TiO2
menggunakan metode Touc Plot.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil dan pembahasan yang telah dilakukan
dapat diambil kesimpulan sebagai berikut. Film tipis
titanium dioksida (TiO2) telah berhasil ditumbuhkan
dengan baik menggunakan metode spin coating pada
temperatur annealing 500oC.Energy celah pita optik film
tipis TiO2 dapat dihitung menggunakan metode Touc
Plot diperoleh nilai sebesar 3,59 eV.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih diucapkan kepada Vita Efelina atas
bantuannya dalam penelitian dan Mbak Nana atas
bantuan penyiapan peralatan sehingga penelitian dapat
terlaksana.
PUSTAKA
[1] Fujishima, R.C. Biochemical application of TiO2
photochatilysis. Tokyo: The University Of Tokyo. 1997.
[2] Sotter, E., X. Vilanova, E. Liobet, M. Stankova.. Correig,
Niobium Doped Titanium Nanopowder for gas sensor
Applications. Journal of Optoelectronics and Advanced
Material Vol.7. 2005, No.3. pp. 1395-1398.
[3] Iriani, Y., M. Hikam, dan Irzaman.. Analisa Struktur
Kristal dan Komposisi Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 yang disiapkan
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
4.5
Bilalodin / Pembuatan Dan Penentuan Celah Pita Optik Film Tipis TiO2
dengan spin coating – 3th Kentingan Physics Forum,
2005, hal. 125-127.
[4] Bilalodin.. Pembuatan dan Karakterisasi Film Tipis
PbTiO3. Makalah Seminar Hasil Penelitian Dosen.
Purwokerto, 2004.
[5] Pimpabute, N. Burinprakhon,T. Somkhunthot, W.
Determination of optical constants and thickness of
amorphous GaP thin film. Optica Applicata, Vol. XLI,
2011, No. 1.
[6] J. Tauc et al. Optical Properties and electronic structure
of Ge phys. Stat. Sol. 15, 627,1966.
89
TANYA JAWAB
Harsoyo , UGM
? Mengapa data pengukuran energy gap didekat yang
ada perubahan drastic mengapa sedikit?
Bilalodin, UNSOED
√ Data terbatas dikarenakan keterbatasan alat ukur yang
hanya mampu diatur panjang gelombang 300 – 700 nm.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823