110203747 prinsip kerja physical vapor deposition dc sputtering

7/27/2019 110203747 Prinsip Kerja Physical Vapor Deposition Dc Sputtering

1/25

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Nanopartikel

Nanoteknologi adalah ilmu dan rekayasa dalam menciptakan material,

struktur fungsional, maupun piranti alam skala nanometer. Material berukuran

nanometer memiliki sejumlah sifat kimia dan fisika yang lebih unggul dari

material berukuran besar (bulk). Disamping itu material dengan ukuran nanometer

memilki sifat yang kaya karena menghasilkan sifat yang tidak dimiliki oleh

material ukuran besar. Sejumlah sifat tersebut dapat diubah-ubah dengan melaluipengontrolan ukuran material, pengaturan komposisi kimiawi, modifikasi

permukaan, dan pengontrolan interaksi antar partikel. Material nanopartikel

adalah material-material buatan manusia yang berskala nano, yaitu lebih kecil dari

100 nm, termasuk di dalamnya adalah nanodot atau quantum dot, nanowire dan

carbon nanotube. Selain nanopartikel juga dikembangkan material nanostruktur,

yaitu material yang tersusun oleh beberapa material nanopartikel. Untuk

menghasilkan material nanostruktur maka partikel-partikel penyusunnya harus

diproteksi sehingga apabila partikel-partikel tersebut digabung menjadi materialyang berukuran besar maka sifat individualnya dipertahankan. Sifat material

nanostruktur sangat bergantung pada (a) ukuran maupun distribusi ukuran, (b)

komponen kimiawi unsur-unsur penyusun material tersebut, (c) keberadaan

interface (grain boundary), dan (d) interaksi antar grain penyusun material

nanostruktur. Quantum dot adalah material berukuran kurang dari 100 nanometer

yang mengurung elektron secara 3-dimensi, baik arah x, y dan z. Hal ini

dimungkinkan karena diameter dari quantum dot tersebut sebanding dengan

panjang gelombang dari elektron. Nanowire adalah material berukuran nanometeryang dapat mengurung elektron secara 2-dimensi dan bebas bergerak di dimensi

yang ketiga, yaitu ke depan atau ke belakang.

Sintesis nanopartikel dapat dilakukan dalam fasa padat, cair, maupun gas.

Proses sintesis pun dapat berlangsung secara fisika atau kimia. Proses sintesis


2/25

7

secara fisika tidak melibatkan reaksi kimia. Yang terjadi hanya pemecahan

material besar menjadi material berukuran nanometer, atau penggabungan

material berukuran sangat kecil, seperti kluster, menjadi partikel berukurannanometer tanpa mengubah sifat bahan. Proses sintesis secara kimia melibatkan

reaksi kimia dari sejumlah material awal (precursor) sehingga dihasilkan material

lain yang berukuran nanometer. Contohnya adalah pembentukan nanopartikel

garam dengan mereaksikan asam dan basa yang bersesuaian.

Secara umum, sintesis nanopartikel akan masuk dalam dua kelompok

besar. Cara pertama adalah memecah partikel berukuran besar menjadi partikel

berukuran nanometer. Pendekatan ini kadang disebut pendekatan top-down.

Pendekatan kedua adalah memulai dari atom-atom atau molekul-molekul yangmembentuk partikel berukuran nanometer yang dikehendaki. Pendekatan ini

disebut bottom-up. Kedua kelompok besar dalam mensintesis nanopartikel telihat

pada gambar 2.1. (Abdullah, M. 2008)

Gambar 2.1. Sintesis nanopartikel top-down dan bottom-up


3/25

8

2.2.Material ZnO

Seng Oksida (Zn0) merupakan salah satu persenyawaan dari logam Zn

yang tergolong senyawa oksida. Secara umum, Zn0 dapat dibuat denganmereaksikan logam Zn dan oksigen pada suhu tinggi. Reaksi yang terjadi adalah

sebagai berikut :

Zn2+ + 02+ Zn0

Zn0 terjadi sebagai bubuk putih umumnya dikenal sebagai seng putih atau

sebagai zincite mineral. Mineral biasanya berisi sejumlah unsur mangan dan

lainnya dan kuning kewarna merah. Oksida seng kristal termo-kromat, berubah

dari putih ke kuning ketika dipanaskan dan di udara beralih ke putih pada

pendinginan. Perubahan warna seperti ini terjadi karena perbedaan temperatur,dikenal sebagai sifat termokromik. Perubahan warna seng oksida tersebut karena

pemanasan, beberapa atom oksigen hilang dari kisi kristalnya sehingga

meninggalkan kisi kristal dalam keadaan kelebihan muatan negatif dan ini

menghasilkan warna yang berbeda,kelebihan muatan negatif (elektron) dapat di

pindahkan melalui kisi kristal dengan perbedaan potensial. Jadi, seng oksida ini

bersifat sebagai semikonduktor. Pada pendinginan, atom-atom oksigen yang

keluar dari kisi pada pemanasan tersebut kembali lagi ke posisi semula sehingga

diperoleh warna semula.

ZnO mempunyai kisi kristal dengan struktur wurtzit dan memiliki lattice

hexagonal terdiri dari Zn2+ dan 02+ ,setiap ion seng dikelilingi oleh ion 02 yang

berbentuk tetrahedral.Struktur sangat dipengaruhi oleh pita energi dan

dinamika (lattice) kisi.Besarnya band gap semikonduktor zinc Oxide

adalah 3,37 eV dan besar eksitasi energi ikat 60 meV.Sifat fisika dari

material keramik semikonduktor Zinc Oxide (ZnO) adalah memiliki band

gap yang bagus jika dibandingkan dengan material lainnya.sifat kimia dari

marerial keramik semikonduktor Zinc Oxide (ZnO) adalah memiliki laju

reaksi yang cepat.

Zinc Oxide (ZnO) sebagai material keramik semikonduktor

merupakan bahan dengan konduktivitas yang berada diantara isolator

(penghantar listrik yang buruk) dan konduktor (penghantar listrik yang


4/25

9

baik).Material semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperatur

yang sangat rendah namun pada temperature ruangan bersifat sebagai

konduktor. Semikonduktor sangat berguna karena sifat konduktifitasnyadapat dirubah dan dikontrol dengan memberi materi lain atau

menambahkan ketidakmurnian (doping).Doping merupakan pengotor

bahan semikonduktor.

Dalam semikonduktor terdapat band gap(pita energi) dimana range

energi dalam suatu zat padat dimana tidak ada elektron yang berada pada

keadaan stabil. Struktur pita elektron dari padatan umumnya pita energy

terdapat perbedaan energi dalam elektron volt diantara pita valensi dan

pita konduksi dimana ditemukan isolator dan semikonduktor.Pada suhu yang rendah,electron dalam semikonduktorhanya

menempati tingkat energi pada pita valensi.Jika mendapat energy yang

cukup,maka elektron yang berada pada pita valensi dapat meloncat kepita

konduksi. Loncatan tersebut akan meninggalkan keadaan kosong di pita

valensi yang dikenal dengan hole.Dalam bulk material semikonduktor

tingkat energy sangat berdekatan satu dengan yang lainnya. Sehingga

tingkat energinya digambarkan continue,yang berarti pada daerah tersebut

tidak ada perbedaan energi. Daerah dimana keberadaan elektron tidak

diijinkan disebut dengan bandgap (Putri,R.2011).

Gambar 2.2 Tingkat Energi Pada Semikomduktor


5/25


6/25


7/25

12

2.008, 2.029(69)

Density 5676 kg/m3(67) 5606 kg/m3(69)

Static dielectric constant 11.0(67) 8.656(69)Intrinsic carrier

concentration < 106 /cm3(69)

Exciton binding energy 60 meV(69)

Electron effective mass 0.24(69)

Hole effective mass 0.59(69)

2.4.Metoda Sol-Gel

Proses Sol-gel menggunakan prekursol inorganik atau logam organik. Di

dalam air (aqueous) dan larutan organik, prekursor akan mengalami reaksi

hidrolisis dan kondensasi. Pada umumnya prekursor yang digunakan yaitu logam

alkoksida M (OR)n dimana R adalah senyawa alkyl. Alkoksida dilarutkan dalam

paren alkohol dan dihidrolisis dengan penambahan air. Dari larutan prekursor

tersebut akan terbentuk sol. Perubahan bentuk sol menjadi bentuk gel terjadi

melalui reaksi hidrolisis dan reaksi kondensasi. Reaksi hidrolisis mengganti ligan

alkoksida menjadi ligan hidroksil. Pada reaksi hidrolisis terjadi penempelan ion

hidroksil pada atom logam dengan pemutusan pada salah satu ikatan logam

alkoksida atau garam anorganik. Kemudian molekul yang telah terhidrolisis dapat

bergabung membentuk hasil reaksi kondensasi, dimana dua logam digabungkan

melalui rantai oksigen. Polimer-polimer besar terbentuk saat reaksi hidrolisis dan

kondensasi berlanjut, yang akhirnya menghubungkan polimer-polimer tersebut ke

dalam bentuk gel.Untuk mendapatkan produk oksida, ada satu tahap lanjutan pada

proses sol-gel yaitu perubahan bentuk gel menjadi produk oksida melalui drying

dan firing. Gel biasanya tersusun atas material amorf yang terdapat pori-pori

berisi cairan. Cairan ini harus dihilangkan sehingga gel menjadi xerogel atau dry

gel melalui proses drying. Selama firing, xerogel atau dry gel mengalami

densifikasi dan perubahan bentuk struktur kristal (menjadi glass atau kristalin).

Metode Sol-Gel dikenal sebagai salah satu metode sintesis nanopartikel

yang cukup sederhana dan mudah. Metode ini merupakan salah satu wet


8/25

13

method karena pada prosesnya melibatkan larutan sebagai medianya. Pada

metode Sol-Gel, sesuai dengan namanya larutan mengalami perubahan fase

menjadi sol (koloid yang mempunyai padatan tersuspensi dalam larutannya) dankemudian menjadi gel (koloid tetapi mempunyai fraksi solid yang lebih besar dari

pada sol).Metode sintesis menggunakan sol-gel untuk material berbasis oksida

berbeda-beda bergantung prekursor dan bentuk produk akhir, baik itu powder,

film, aerogel, atau serat. Struktur dan sifat fisik gel sangat bergantung pada

beberapa hal, diantaranya :

Pemilihan bahan baku material

Laju hidrolisis dan kondensasi

Modifikasi kimiawi dari sistem sol-gel

Metode sol-gel cocok untuk preparasi thin film dan material berbentuk powder.

Tujuan preparasi ini agar suatu material keramik dapat memiliki fungsional

khusus (elektrik, opik, magnetik, dll). Metode sol-gel memiliki keuntungan antara

lain:

Untuk partikel halus, rentang ukuran 0,1 sampai beberapa micron

Mudah dalam kontrol komposisi (kehomogenan komposisi kimia baik)

Temperatur proses rendah

Biaya murah

Diagram proses tersebut dapat dilihat pada gambar

katalis

Larutan

awal

Larutan dan

katalis

Pemisahan padatan

dengan larutan

Dipanaskan pada tempeatur tertentuSelama beberapa jam kadang-kadangjuga di rebus

Karakterisasi produk


9/25

14

2.5 .Pelapisan (coating)

Coating atau pelapisan, pada dasarnya adalah proses untuk melapisi suatu

bahan dasar (substrat) dengan maksud dan tujuan tertentu.Hal yang menentukansifat-sifat suatu coating adalah komposisi dari coating itu sendiri. Umumnya

coating mengandung empat bahan dasar, yaitu binder, pigmen, solven dan aditif.

Sangatlah penting bagi formulator untuk memahami fungsi dari bahan-bahan

dasar ini dan mengetahui bagaimana mereka saling berinteraksi.

1.Binder

Binder berfungsi sebagai pengikat antara komponen coating dan juga

bertanggung jawab terhadap gaya adhesi coating terhadap substrat. Terdapat

banyak binder yang telah dikenal, diantaranya alkyd, vinyl, resin alam, epoxy danurethane. Hal yang perlu diketahui tentang binder adalah bagaimana mereka

mengalami curing. Pada umumnya binder dapat mengalami curing dengan dua

cara. Pertama adalah melalui evaporasi solven. Binder yang mengalami curing

seperti ini disebut binder thermoplastic atau non-covertible. Kedua adalah lewat

reaksi kimia selama atau setelah proses pengecatan. Binder ini dikenal sebagai

binder thermosetting. Selain itu, hal yang harus dipahami dari binder adalah

viskositas.

2.Pigmen

Pigmen merupakan pemberi warna dari coating. Selain berfungsi dalam

hal estetika, pigmen juga mempengaruhi ketahanan korosi dan sifat fisika dari

coating itu sendiri. Pigmen dapat dikelompokkan menjadi pigmen organik dan

anorganik. Pigmen anorganik contohnya adalah titanium oksida dan besi oksida.

Ti02 merupakan pigmen putih yang paling banyak digunakan, biasanya untuk

coating eksterior. Ti02 mempunyai indeks refleaksi yang tinggi dan stabil

terhadap sinar ultraviolet dari sinarmatahari yang dapat mendegradasi binder

coating. Besi oksida merupakan pigmen merah yang digunakan untuk coating

primer atau topcoat. Terdapat juga extender pigmen yang memberikan sedikit

pengaruh terhadap warna dan ketahanan korosi namun banyak mempengaruhi

sifat-sifat coating seperti densitas, aliran, hardness dan permeabilitas. Contohnya

adalah kalsium karbonat, kaolin, talc dan brium sulfat,


10/25

15

3. Solven

Kebanyakan coating memerlukan solven untuk melarutkan binder dan

memodifikasi viskositas. Hal terpenting yang harus diperhatikan dalam penentuansolven adalah kemampuannya dalam melarutkan binder dan komponen coating

yang lain. Prinsip kelarutan sangatlah sederhana, yaitu like dissolves like. Artinya

solven polar akan melarutkan senyawa yang polar juga. Selain itu laju penguapan

solven juga perlu diperhatikan. Solven yang mempunyai tekanan uap tinggi

sehingga menguap dengan cepat disebut fast atau hot solvent, sedangkan yang

lambat disebut slow solvent. Laju penguapan mempengaruhi sifat-sifat coating

dan beberapa cacat dapat disebabkan karena ketidakcocokan dalam pemilihan

solven. Jika solven menguap terlalu cepat, coating tidak cukup waktu untukmembentuk lapisan halus dan kontinu

4. Aditif

Aditif adalah senyawa-senyawa kimia yang biasanya ditambahkan dalam

jumlah sedikit, namun sangat mempengaruhi sifat-sifat coating. Contoh bahan

additive antara lain drters untuk mempercepat pengeringan di udara, anti oxidant

untuk mencegah proses oksidasi coating selama disimpan ditempatnya,

dispersant untuk mendispersikan pigmen dalam coating agar homogen,

thickeners untuk menambah viskositas coating, filter untuk meningkatkan volume

coating.Dari campuran bahan-bahan tersebut coating memiliki beberapa sifat

tertentu, antara lain :

1. Adhesion, yaitu daya ikat antara permukaan coating dengan substrat.

2. Flexibility, yaitu kelenturan caoting atau kemampuan lapisan coating untuk

tidak merobek ketika diberi rengangan.

3. Hardness, yaitu kekerasan pada permukaan coating.

4. Abration resistance, yaitu ketahanan terhadap abrasi.

5. Permeability, yaitu sifat untuk melewatkan molekul atau ion pada lapisan

coating.

6. Ristance to microorganism, yaitu ketahanan terhadap pertumbuhan

mikroorganisme seperti jamur dan bakteri pada permukaan coating.

7.Ageing offaintfcCm, yaitu umur coating pada lingkungan


11/25

16

2.5.1. Spin coating (Pelapisan Putaran)

Spin coating berasal dari dua kata yaitu spin dan coating. Bila

diterjemahkan dalam bahasa Indonesia, spin berarti putaran, dan coating

berarti pelapisan. Maka secara singkat spin coating diartikan sebagai suatu metode

pelapisan dengan menggunakan putaran. Spin coating merupakan prosedur yang

digunakan untuk menerapkan film tipis seragam untuk substrat datar. Sejumlah

bahan pelapis ditempatkan pada subtrat, yang kemudian diputar dengan kecepatan

tinggi dalam untuk menyebarkan cairan dengan gaya sentrifugal. Sejumlah mesin

yang digunakan untuk coating spin disebut coater spin atau spinner.

Metode spin coating adalah suatu proses yang mudah dan umum dilakukan

untuk pelapisan polimer atau photoresist pada wafer silicon. Setelah penetesanpelapisan pada wafer, tingkat pelapisan dikendalikan oleh gaya sentrifugal dari

putaran yang tegak lurus dengan wafer. Pada kecepatan putaran yang randah,

bahan pelapis menyebar pada wafer, pada kecepatan putaran yang tinggi (2.000-

4000 rpm) akan membentuk film tipis. Metode spin coating adalah suatu cara

yang sederhana dan efektif untuk membuat film tipis dengan variasi ketebalan

dikendalikan parameter waktu dan kecepatan putaran juga kekentalan dan

kerapatan dari bahan pelapis yang digunakan. Semakin tinggi kecepatan sudut

putar, lapisan yang diperoleh akan semakin tipis. Ketebalan film ini juga

tergantung pada konsentrasi larutan. Spin coating secara luas digunakan dalam

microfabrication, dimana dapat digunakan untuk membuat film tipis dengan

ketebalan dibawah 10 nm. Hal ini digunakan secara intensif dalam

photolithography, untuk lapisan photorisest dengan tebal sekitar 1 micromete.

Gambar 2.4.Spincoater


12/25

17

2.5.2.Proses Spincoating.

Secara umum proses spin coating terdiri dari tiga tahap, yaitu :

a. Tahap penetesan cairan (dispense)Pada bagian ini cairan dideposisikan di atas permukaan substrat, kemudian

diputar dengan kecepatan tinggi. Kemudian lapisan yang telah dibuat akan

dikeringkan sampai pelarut pada lapisan tersebut benar-benar sudah menguap.

Proses ini dibagi menjadi dua macam, yaitu: Static dispense merupakam proses

disposisi sederhana yang dilakukan pada larutan di atas pusat substrat dan

dynamic dispense merupakan proses deposisi dengan kecepatan putar yang kecil

kira-kira 500 rpm.

Gambar 2.5.Tahap penetesan sol

b. Tahap percepatan spin coating

Setelah tahap penetesan cairan, larutan dipercepat dengan kecepatan yang

relatif tinggi. Kecepatan yang digunakan pada substrat ini akan mengakibatkan

adanya gaya sentrifugal dan turbulensi cairan. Kecepatan yang digunakan antara

1500-6000 rpm dan tergantung pada sifat cairan terhadap substrat yang

digunakan. Waktu yang digunakan kira-kira 10 -20 detik bahkan sampai 10

menit.

c. Tahap pengeringanTahap ini merupakan tahap yang sangat penting untuk menghasilkan film

tipis. Proses ini akan menghilangkan sisa-sisa pelarut dan bahan tambahan lain

yang ada pada bahan pelapis.Pada tahap ini terbentuk lapisan tipis murni dengan

suatu ketebalan tetentu. Tingkat ketebalan lapisan yang terbentuk bergantung pada


13/25

18

tingkat kelembaban dasar substrat. Adanya kelembaban yang kecil menyebabkan

ketebalan lapisan murni yang terbentuk akan menjadi semakin besar.

2.5.3. Substrat

Pada penumbuhan film tipis diperlukan substrat sebagai tempat untuk

tumbuhnya film tipis. Substrat yang digunakan adalah yang memiliki parameter

kisi dan koefisien termal yang hampir sama dengan film tipis. Fungsi substrat

dalam pembuatan film tipis adalah

a. Sebagai penunjang interkoneksi dan perakitan devais

b. Sebagai isolator dan tempat pelapisan serta pembentukan pola jalur

konduktor dan komponen pasifc. Media panas penyalur rangkaian

d. Sebagai lapisan dielektrik untuk rangkaian-rangkaian frekuensi tinggi

Kaca adalah bahan yang tidak padat, karena molekul-molekunya disusun secara

acak seperti zat cair, namun kohesinya membuat bentuknya menjadi stabil.

Karena susunannya acak seperti zat cair itulah maka kaca terlihat transparan.

2.6.Film Tipis

Deposisi film tipis telah menjadi subjek studi intensif selama hampir satu

abad, banyak metode yang telah dikembangkan dan ditingkatkan. Teknik seperti

yang telah dikembangkan dan banyak digunakan dalam industri, yang selanjutnya

memberikan kekuatan besar untuk pendorong pengembangan lebih lanjut dan

perbaikan teknik deposisi. Metode pertumbuhan film secara umum dapat dibagi

menjadi dua kelompok: fase uap deposisi dan pertumbuhan berbasis cairan.

Misalnya, penguapan, molekul epitaksi balok (MBE), sputtering, deposisi uap

kimia (CVD), dan deposisi lapisan atom (ALD). Contoh yang terakhir

elektrokimia deposisi, kimia deposisi solusi (CSD), Langmuir-Blodgett film dan

rakitan monolayers (SAM). Deposisi film melibatkan proses dominan yang

heterogen termasuk reaksi kimia yang heterogen, penguapan, absorbsi dan

desorbsi pada pertumbuhan permukaan , dan heterogen pertumbuhan permukaan

nukleasi. Selain itu, sebagian deposisi dan karakterisasi film yang proses. Apabila


14/25

19

lapisan tipis yang ditumbuhkan memiliki kesamaan sifat-sifat kimia, parameter

kisi dan struktur kristal, dan struktur kristal dengan substrat maka proses

penumbuhannya disebut proses homoepitaksi, contoh: Si di atas Si. Sehinggatidak memiliki ketidaksesuaian kisi dan regangan kisi. Sedangkan apabila lapisan

tipis yang ditumbuhkan tidak memiliki kesamaan dalam sifat-sifat kimia,

parameter kisi, dan struktur kristal dengan substrat maka proses penumbuhannya

disebut Heteroepitaksi, contoh: Si di atas substrat Al2O3 sehingga memiliki

ketidaksesuaian kisi, regangan kisi dan akan muncul cacat kristal.

Ada beberapa teknik yang digunakan dalam penumbuhan film tipis, yaitu:

1. reaksi fisika yaitu: Sputtering (DC atau RF) dan Pulsed Laser Deposition

(PLD).2. Metoda Chenical Vapor Deposition (CVD) merupakan deposisi uap

dengan reaksi kimia, yaitu: Metal Organic Chemical Vapor Deposition

(MOCVD), Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) dan

Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD)

2.7. Sifat Optik Film Tipis ZnO

Karakterisasi sifat optik film tipis bertujuan untuk melihat spektrum

absorbansi dan reflektansi film tipis sehingga dapat ditentukan sumber cahaya

yang akan digunakan saat film tipis ZnO dijadikan sensor. Bahan transparan

dengan tingkat keionikan yang tinggi, polarisasi yang terjadi akan semakin besar

karena adanya ion-ion terdapat dalam bahan transparan yang turut andil dalam

mempengaruhi besarnya polarisasi, sedangkan untuk bahan dengan tingkat

keelektrolitan rendah dan nonelektrolit, polarisasi yang terjadi hanya dipengaruhi

oleh sifat-sifat optik dari bahan.Sifat optik film tipis sangat dipengaruhi oleh

struktur pita energi. Sifat optik film tipis ZnO terletak diantara 1,9 eV sampai 3,44

eV dan dikenal sebagai band gap. Sifat optik film tipis ZnO dikaji berdasarkan

transmisi optik dan koefiensi spektrum dari film tipis. Koefiesien obsorbsi ZnO

diperoleh dengan mengkaji karakteristik spektrum transmisi film tipis ZnO,

dengan mengukur transmisi sebagai punsi gelombang yang persamaannya sebagai

berikut : (Ilican,dkk.2008)


15/25

20

(hv)2 =CD(hv-Eopt) (2.4)

dan

=(1/T)ln(1/T) (2.5)

dengan: = koefisien absorsi optik

t = ketebalan

T = transmisi

H=konstanta Plank

V=frekuensi poton inside

CD=Konstanta

2.8.. Karakterisasi Nanopartikel ZnO

2.8.1. XRD (X-Ray Diffraction

Penentuan struktur kristal suatu padatan dapat ditentukan dengan

menggunakan difraksi sinar- X sehingga diperoleh derajat kespesifikan dan

ketelitian yang tinggi. Difraksi sinar- X akan terjadi jika sinar tersebut dijatuhkan

pada sejumlah kisi,dimana jarak kisi hampir sama dengan panjang gelombang

sinar tersebut.Pada atom-atom kristal jarak antar atom beraturan dan mendekati

panjang gelombang sinar-X,maka Von Laue mengemukakan bahan atom-atom

tersebut menbentuk sebuah kisi difraksi. Untuk memperoleh interferensi

kontruktif di dalam sinar yang didifraksikan dari keseluruhan bidang dalam arah

maka sinar dari bidang-bidang terpisah haruslah saling memperkuat,seperti

dilukiskan pada gambar


16/25

21

Gambar 2.6. Peristiwa Difraksi Sinar- X

Hal ini berarti perbedaan jalan untuk sinar-sinar dari bidang-bidang yang

berdekatan haruslah kelipatan bulat dari panjang gelombangnya dan mengikuti

aturan Bragg yaitu persamaan :

dengan : d = jarak antar kristal

= sudut pengukuran (sudut difraksi)

= panjang gelombang sinarX

n = 1 (bilangan bulat positif)

a = nilai rata-rata parmeter kisi

dhkl = jarak antar atom dalam kisi kristalXRD (X- Ray Diffraction) juga merupakan teknik analisis yang cepat yang

digunakan untuk identifikasi maretial berupa srtuktur kristal ,pengaturan jarak

antar atom dan mengetahui informasi tentang dimensi sel satuan.Kelebihan

mengunakan XRD yaitu dapat mengidentifikasikan kandungan material yang

belum diketahui,penafsiran data secara luas,tidak menimbulkan kerusakan pada

2

2

s i n4

.

s i n2

sa

s

ad

nd

h k l

h k l


17/25

22

sampel yang diuji,digunakan untuk mengidentifikasikan fasa-fasa kristal yang

terdapat dalam suatu material,dan dapat digunakan untuk analisa kuantitatif dari

suatu fraksi campuran.Aplikasi umumnya identifikasi suatu senyawa asing berdasarkan puncak

kristal, studi variable temperatur, pengukuran tepat dari konstanta-konstanta kisi

dan pemurnian dari koordinat atomic.Sampel biasanya berupa bubuk, padatan,

film,atau pita dengan minimum bahan yang diperlihatkan hanya mg namun

sampel dengan jumlah gram yang besar didapatkan juga keakuratan yang lebih

baik.

Pengukuran data difraksi menghasilkan keluaran,posisi sudut 2 dan

intensitas pada sudut yang bersesuaian. Tinggi intensitas difraksi dipengaruhi olehfaktor-faktor berikut:

1.Faktor polarisasi- Lorentz

Polarisasi Lorentz berisi faktor koreksi polarisasi dan faktor koreksi

serbuk. Untuk difraksi sinar- x, sinar datang dapat dipolarisasikan atau tidak dapat

dipolarisasikan.Apabila sinar datang tidak terpolarisasi maka intensitas difraksi

dinyatakan:

I

2.Faktor Struktur

Pengaruh pola atau susunan atom pada intensitas difraksi dinamakan

faktor struktur F(hkl) dan nilai koreksi intensitas dinyatakan F2. Faktor struktur

didefenisikan sebagai rasio amplitudo terhambur oleh bidang hkl relatif terhadap

amplitude terhambur oleh sebuah electron.Faktor struktur dinyatakan dengan

persamaan berikut:

F(hkl)=

dengan fN adalah faktor hamburan atomik,f untuk atom jenis N dan adalah

faktor fase.dengan kata lain persamaan faktor struktur dinyatakan:

F(hkl) = .


18/25

23

dengan hkl adalah indeks miller dan xyz adalah koordinat fraksional suatu atom.

3.Faktor Multiplisitas

Pada beberapa pengukuran difraksi, berkas difraksi dari beberapa bidang

kristal bersuperposisi dan menghasilkan satu puncak saja, sehingga puncak

tersebut memiliki intensitas yang lebih tinggi apabila hanya dihasilkan dari bidang

tunggalnya. Kenaikan intensitas ini disebut faktor pelipatan (j). Pada difraksi

serbuk,nilai j hanya bergantung pada simetri kristal.

4.Faktor absorbsi

Radiasi mengalami absorbsi selama interaksi dengan kristal. Berkas

difraksi dari kristal tidak lebih kuat dibanding dengan berkas terdifraksi oleh

material yang bersifat tidak menyerap (non-absorbing). Dalam perhitungan

intensitas difraksi dari kristal, faktor absorbsi dinyatakan dengan hubungan

dengan adalah koefisien absorpsi massa.(Putri. 2011 )

5.Faktor Suhu

Beberapa teori dan eksperimen dilakukan untuk mengetahui pengaruh

suhu terhadap hasil pengukuran difraksi.Gerakan atom atau molekul karena

pengaruh suhu terjadi dalam kristal,atom bergetar terhadap posisi seimbang pada

kisi ruangnya.Menurut teori zat padat diketahui bahwa intensitas difraksi

dipengaruhi suhu sesuai hubungan ,dengan M = B( ),sedangkan nilai B

adalah:

B = [ ]


19/25

24

Dengan m adalah massa atom, h tetapan Planck, k tetapan Boltzman, X = (suhu

karakteristik dalam kelvin) dan ) adalah fungsi Debye.

Prinsip-prinsip diatas merupakan masukan ketika sebuah sampel diukur

dengan Difraktometer Sinar X,yang salah satu tipenya adalah Phillips Xpert

MPD (Multi Purpose Diffracvtometer)sytem.Skema peralatan ditunjukkan pada

(gambar 2.7).

Gambar 2.7 Skema Difraktometer

Selain sebagai alat identifikasi, alat ini telah dilengkapi dengan perangkat

lunak yang sangat membantu dalam proses analisis lebih lanjut. Artinya dari

setiap sampel yang diukur selain diperoleh spectrum sinar X terdifraksi pada

sudut 2 tertentu, akan bisa langsung dicocokkan (search match) dengam data

standartnya.Setelah diperoleh kesesuaian dengan data standartnya analisis dapat

dilanjutkan hingga diperoleh 3 karakter utama yang memberi gambaran tentang

kondisi pengukuran,sifat-sifat kristal yaitu posisi,tinggi serta lebar dan bentuk

puncak difraksi,yang akan memberikan informasi penting yang terangkum dalam

Tabel (Pratapa,2004)

Pola difraksi suatu bahan adalah khas dari setiap bahan dan membentuk

semacam fingerprint yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi bahan. Jika

terdapat suatu pola difraksi dari yang tidak diketahui dapat digunakan metodeHanawait (1936) telah membuat kartu yang berkaitan dengan pengklasifikasian

dari fase yang teramati. Ia menggambarkan setiap pola dengan daftar harga jarak

atom (d) dan intensitas (I).Kartu tersebut kemudian dikenal dengan sebutan

Powder Diffraction File (PDF) yang sejak 1969 publikasikan oleh The Joint

Committee On Powder Diffraction Standart (JCPDS).


20/25

25

Gambar 2.8.XRD (X-Ray Difraction)Tabel 2.2. Informasi yang terkandung dalam karakter tinggi,posisi serta lebar dan

bentuk puncak difraksi

No Karakter Informasi dari sampel Informasi dari instrumen

1 Posisi puncak 1. Fasekristal/Identifikasi

2. Struktur kristal

3. Parameter kisi

4. Regangan seragam

1. Kesalahan 2

2. Ketidaktepatan

penempatan

sampel

2 Tinggi puncak 1. Identifikasi

2. Komposisi

3. Hamburan tak koheren

4. Fasa anti

5. Extinction

6. Preferred orientation

3 Lebar dan

bentuk

puncak

1. Ukuran kristal

2. Distribusi ukuran

kristal

3. Rengangan taak

seragam

4. Dislokasi,cacat kristal

1. Duplet radiasi

2. Divergensi aksial

3. Kedataran

permukaan

sampel.


21/25

26

2.8.2. Spektrofotometer Ultra Violet-Visibel (UV-Vis)

Spektrofotometer UV-Vis mempunyai rentang pengukuran pada panjang

gelombang 190-1100 nm. Gugusan atom yang mengabsorpsi radiasi UV-Visadalah gugus kromofor. Ketika suatu molekul sederhana dikenakan radiasi

elektromagnetik, molekul tersebut akan mengabsorbsi radiasi elektromagnetik

yang energinya sesuai. Pada molekul terjadi transisi elektronik dan absorbsi

tersebut menghasilkan garis spektrum.

Spektrofotometer Ultraviolet-Visible (UV-Vis) digunakan untuk

menentukan lebar celah pita energi dalam semikonduktor. Lebar celah pita energi

semikonduktor menentukan sejumlah sifat fisis semikonduktor tersebut. Beberapa

besaran yang bergantung pada lebar celah pita energi adalah mobilitas pembawamuatan dalam semikonduktor, kerapatan pembawa muatan, spektrum absorpsi,

dan spektrum luminisensi. Ketika digunakan untuk membuat divais

mikroelektronik, lebar celah pita energi menentukan tegangan cut off

persambungan semikonduktor, arus yang mengalir dalam devais, kebergantungan

arus pada suhu, dan sebagainya.

Dasar pemikiran metode penggunaan UV-Vis sederhana. Jika material

disinari dengan gelombang elektromagnetik maka foton akan diserap oleh

elektron dalam material. Setelah menyerap foton, elektron akan berusaha

meloncat ke tingkat energi yang lebih tinggi. Jika elektron yang menyerap foton

mula-mula berada pada puncak pita valensi maka tingkat energi terdekat yang

dapat diloncati electron adalah dasar pita konduksi. Jarak ke dua tingkat energi

tersebut sama dengan lebar celah pita energi

Gambar 2.9. Eksitasi elektron saat di sinari dengan gelombang.


22/25

27

Jika energi foton yang diberikan kurang dari lebar celah pita energi maka

elektron tidak sanggup meloncat ke pita valensi. Elektron tetap berada pada pita

valensi. Dalam keadaan ini dikatakan elektron tidak menyerap foton. Radiasi yangdiberikan pada material diteruskan melewati material (transmisi). Elektron baru

akan meloncat ke pita konduksi hanya jika energi foton yang diberikan lebih besar

daripada lebar celah pita energi. Elektron menyerap energi foton tersebut. Dalam

hal ini dikatakan terjadi absorpsi gelombang oleh material. Ketika kita mengubah-

ubah frekuensi gelombang elektromagnetik yang dijatuhkan ke material maka

energi gelombang dimana mulai terjadi penyerapan oleh material bersesuaian

dengan lebar celah pita energi material. Lebar celah pita energi semikonduktor

umumnya lebih dari 1 eV. Energi sebesar ini bersesuaian dengan panjanggelombang dari cahaya tampak ke ultraviolet. (Mikrajuddin, 2008)

Spektrometer UV-Vis memungkinkan kita menentukan intensitas absorpsi

sebagai fungsi frekuensi atau panjang gelombang. Gambar 4.22 adalah contoh

spektrum absorpsi UV-Vis partikel ZnO yang diambil dengan spektroskop UV-

Vis. Dari kurva tersebut kita dapat menentukan koefisien absorbsi yang

bergantung pada frekuensi dari daerah tampak hingga ultraviolet.

Gambar 2.10. Kurva spektrum absorbsi UV-Vis)


23/25

28

Dari kurva spektrum absorbsi ZnO yang dikarakterisasi dengan menggunakan

UV-VIS diperoleh puncak tertinggi dengan panjang gelombang sebesar 298 nm

dengan absorbsi 0,9 dan puncak dengan panjang gelombang 301 nm memilkiabsorbs sebesar 0,5.

Spektrum UV-Vis secara ideal diambil dari larutan encer. Apabila radiasi

atau cahaya putih dilewatkan melalui larutan berwarna maka radiasi dengan

panjang gelombang tertentu akan diserap (absorpsi) secara selektif sedangkan

radiasi lainnya akan diteruskan (transmisi). Instrumentasi UV-Vis seperti pada

Gambar 2.11.

Gambar 2.11. Instrumentasi UV-Vis

Pengukuran larutan dengan UV-Vis spektrofotometer dilakukan pada nilai

absorbansi. Absorbansi dengan simbol A dari larutan merupakan logaritma dari

(1/T atau logaritma lo/l). Absorbansi yang diukur sesuai dengan hukum Lambert-

Berr :

A = . b . C

Dengan : A = Absorbansi = Absorpivias molar (M-1cm-1)

b = Tebal larutan (cm)

C = Konsentrasi larutan (M)


24/25

29

Spektrofotometer UV-Vis terdiri dari lima komponen pokok, yaitu :

a. Sumber radiasi : lampu hidrogen, deuterium atau wolfram.

b. Tempat sampel/kuvet : kuarsa, kaca atau plastik dengan panjang lintasanc. Monokromator

d. Detektor

e. Rekorder (Sumio, 2010)

Secara eksperimen celah pita energi dapat ditentukan dari kurva koefisien

absorbsi terhadap frekuensi cahaya yang digunakan untuk mengeksitasi material .

Untuk semikonduktor yang memiliki direct band gap, hubungan antara koefisien

absorbsi dengan frekuensi cahaya dapat didekati dengan persamaan :

2 = A ( h-Eg )

Dimana : 2 = koefisien absorbsi

h = frekuensi cahaya

Eg = energi gap

Untuk semikonduktor direct band gap dapat dibuat kurva dengan sumbu vertikal

2 dan sumbu horizontal adalah h. Jika titik-titik pengamatan dihubungkan

dengan garis lurus, maka perpotongan garis tersebut dengan sumbu horizontal

menyatakan celah pita energi (Eg). Tabel 2.3 adalah lebar celah pita energi dalam

ukuran besar (bulk) dan massa effektif elektron dan hole dalam beberapa material

semikonduktor.


25/25

30

Tabel 2.3. Lebar celah pita energi dalam ukuran besar (bulk) serta massa effektif

elektron dan hole dalam beberapa material. Data massa efektif ditampilkan dalam

satuan massa elektron (9,1 10-31 kg)

Material Eg dalam

Ev

Massa efektif

electron

Massa

efektif hole

GaAs 1,4 0,07 0,09

GaP 2,3 0,12 0,50

GaSb 0,7 0,20 0,39

InAs 0,4 0,03 0,02

InP 1,3 0,07 0,69

InSb 0,2 0,01 0,18

CdS 2,6 0,21 0,80

CdSe 1,7 0,13 0,45

CdTe 1,5 0,14 0,37

ZnS 3,6 0,40 5,41

ZnSe 2,7 0,10 0,60

ZnTe 2,3 0,10 0,60

ZnO 3,44 0,24 0,45

PbS 0,4 0,25 0,25

PbSe 0,3 0,33 0,34

PbTe 0,3 0,22 0,29

(Abdullah,2008)

Ada beberapa istilah transisi serapan elektronik pada pengukuran dengan

Spektrofotometer UV-Vis, diantaranya adalah pergeseran batokromik dan

pergeseran hipsokromik. Pergeseran batokromik yaitu pergeseran serapan ke arahpanjang gelombang yang lebih tinggi. Sedangkan pergeseran hipsokromik

merupakan pergeseran serapan ke arah panjang gelombang yang lebih pendek.

Baik pergeseran batokromik, maupun hipsokromik dapat disebabkan oleh

subtitusi atau pengaruh pelarut.

110203747 prinsip kerja physical vapor deposition dc sputtering

Documents