efek doping indium terhadap sensitivitas sensor...

Volume 10, Oktober 2008 ISSN 1411-1349

EFEK DOPING INDIUM TERHADAP SENSITIVITAS SENSOR GAS ZnO Sayono, dkk

139

EFEK DOPING INDIUM TERHADAP SENSITIVITAS SENSOR GAS ZnO

Sayono, Tjipto Sujitno, Lely Susita RM P3TM - BATAN

ABSTRAK EFEK DOPING INDIUM TERHADAP SENSITIVITAS SENSOR GAS ZnO. Telah dilakukan penelitian efek doping Indium dengan variasi berat 0,0370; 0,0485 dan 0,0702 gram terhadap permukaan lapis tipis ZnO sebagai bahan sensor gas menggunakan DC sputtering. Doping indium pada lapisan tipis ZnO dilakukan dengan parameter proses sputtering tegangan elektroda 3 kV, arus 20 mA, tekanan vakum 1,8 × 10-1 torr, waktu deposisi 120 menit dan suhu 200 0C. Untuk mengetahui keberhasilan efek doping indium pada permukaan lapis tipis ZnO dilakukan pengukuran resistansi, sensitivitas dan waktu tanggap sebagai fungsi suhu operasi sensor dengan gas uji karbon monoksida (CO), Amoniak (NH3) dan aceton (CH3COCH3). Dari percobaan dengan doping indium seberat 0,0485 gram dengan konsentrasi 106853,12 ppm diperoleh nilai resistansi, suhu operasi, sensitivitas dan waktu tanggap optimum untuk gas CO masing-masing: 13,5 kΩ; 120 °C; 54,05%; dan 7 detik.

Kata kunci : Sputtering, deposisi, doping, resistansi, sensitivitas dan waktu tanggap

ABSTRACT EFFECT OF INDIUM DOPING ON THE SENSITIVITY OF ZnO GAS SENSOR. Research on the effect of weight variations indium in order at 0.0370; 0.0485 and 0.0702 grams into ZnO thin film gas sensor has been done using sputtering DC. Deposition of thin film ZnO was carried out with the following sputtering parameter i.e : electrode voltage of 3 kV, current 20 mA, vacuum pressure 1,8 × 10-1 torr, deposition time 120 minutes and temperature at 200 oC. The measurement of resistance, sensitivity and respon time for various temperature for detecting of carbon monoksida (CO), Amoniak (NH3) and aceton (CH3COCH3) gas has been done. It’s found the optimum resistancy, working temperature, sensitivity and responce time for detecting of CO gas are 13,5 kΩ; 120 °C; 54,05%; and 7 second respectively. This conditions was achieved at the weight of indium doping in order at 0,0485 grams with concentration 106853,12 ppm.

Key word : Sputtering, depotition, doping, resistance, sensitivity, and respon time

PENDAHULUAN roses pembangunan disegala bidang selain membawa kemajuan terhadap kehidupan manusia, tetapi juga akan membawa dampak negatif bagi lingkungan hidup seperti

penurunan kualitas udara akibat pencemaran gas karbon monoksida (CO) dan karbondioksida (CO2) dari asap kendaraan bermotor dan limbah dari industri. Kehadiran berbagai jenis gas tersebut pada tingkat tertentu telah semakin mengkhawatirkan bagi kehidupan makhluk hidup. Terkait dengan fenomena tersebut, diperlukan suatu upaya melalui penelitian yang mampu menghasilkan produk teknologi yang dapat digunakan untuk mendeteksi gas-gas pencemar lingkungan tersebut. Alat deteksi gas lingkungan yang mempunyai sensitivitas terhadap gas-gas lingkungan adalah sensor gas yang terbuat dari bahan semikonduktor[1]

.

Sensor gas semikonduktor merupakan sensor elektro kimia, yaitu perangkat yang merespon perubahan lingkungan kimia disekitarnya dengan menghasilkan sinyal listrik[2] dan dikembangkan

tidak hanya untuk mendeteksi gas-gas beracun tetapi juga dapat memonitor campuran gas berbau dalam konsentrasi kecil yang dihasilkan dari bermacam–macam sumber, selain itu mampu difabrikasi dalam bentuk lapisan tipis dengan menggunakan bahan oksida logam[1].

Berbagai penelitian telah dilakukan dalam mengembangkan penggunaan lapisan tipis oksida logam seperti TiO2, ZnO, CeO2, CrO2 dan SnO2 sebagai bahan sensor gas semikonduktor[1,2]. Diantara lapisan tipis yang dikembangkan adalah lapisan tipis ZnO karena memiliki sifat fisis yang menarik diantaranya mempunyai celah pita yang lebar, sifat anisotropinya akan menimbulkan gejala piezoelektrik, dan sifat non stoikiometrinya menye-babkan paduan ini dapat menjadi semikonduktor tipe-n. Selain itu ZnO memiliki perubahan konduktivitas permukaan dalam merespon gas-gas yang diserap dan mudah difabrikasi dalam bentuk lapisan tipis melalui sputtering[1]. Permasalahan yang masih muncul dalam pembuatan sensor gas dengan lapisan tipis ZnO adalah ketidakstabilan resistansi. Pemberian doping unsur-unsur golongan

P


Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 10, Oktober 2008 : 139 - 147

140

III seperti aluminium, indium, atau galium pada bahan ZnO dapat meningkatkan stabilitas dan sensitivitas untuk sensor gas dengan pengaruh resistansi yang kecil[3].

Pada penelitian ini dilakukan pendopingan indium pada bahan ZnO yang akan digunakan sebagai bahan sensor gas. Deposisi lapisan tipis ZnO yang didoping indium (ZnO:In) dilakukan dengan menggunakan teknik DC Sputtering. Teknik yang dikenal untuk membuat lapisan tipis (thin film) berupa Physical Vapour Deposisiton (PVD) yang meliputi evaporasi dan sputtering, serta Chemical Vapour Deposition (CVD)[4]. Namun cara yang mudah dilakukan adalah sputtering, karena memiliki tahap yang lebih sederhana dan mudah dalam mengontrol ketebalan lapisan dengan melakukan pengaturan waktu deposisi, serta hemat dalam penggunaan target[5].

Hasil lapisan tipis ZnO yang didoping indium (ZnO:In) sebagai sensor gas dikarakterisasi terhadap pengaruh pengukuran resistansi yang meliputi suhu operasi, sensitivitas dan waktu tanggap. Lapisan tipis yang diperoleh diharapkan dapat meningkatkan kinerja sensor gas yang terkait dengan penambahan indium pada bahan ZnO.

Manfaat dari penelitian ini dapat memberikan informasi pengaruh doping indium pada lapisan tipis ZnO terhadap kinerja sensor gas dari bahan ZnO, sehingga dapat menjadi acuan bagi penelitian selanjutnya dalam pengembangan pembuatan sensor gas berbasis lapisan tipis untuk memenuhi kebutuhan sensor gas di masa mendatang.

DASAR TEORI

Lapisan Tipis ZnO sebagai Bahan Sensor Gas

Lapisan tipis ZnO merupakan salah satu bahan semikonduktor oksida logam (metal oxide) tipe-n dengan lebar celah pita (bandgap) 3,37 eV pada suhu kamar, memiliki energi ikat eksitasi yang besar yaitu 60 MeV serta memiliki struktur heksagonal dengan parameter kisi a = b = 3,253 Å dan c= 5,211 Å[6]. Selain itu sifat anisotropinya akan menimbulkan gejala piezoelektrik dan sifat non stoikiometrinya menyebabkan paduan ini dapat menjadi semikonduktor tipe-n. Oksida ini juga memiliki transmisi optik yang tinggi serta dapat menghantarkan listrik. Sifat tersebut membuat lapisan tipis ZnO menjadi pilihan utama untuk berbagai aplikasi konduktor transparan, seperti layar datar komputer laptop, sel surya, serta aplikasi lain seperti sensor gas dan transduser piezoelektrik.

Sifat listrik dalam kristal ZnO dapat ditimbulkan karena komposisi nonstoikiometri yang disebabkan oleh kelebihan ion-ion seng (Zn++). Karena kristal bersifat netral, maka kelebihan ion ini diimbangi oleh muatan negatif dengan jumlah yang sama yaitu dua elektron. Elektron-elektron ini bebas bergerak di dalam kristal di bawah pengaruh medan luar. Sifat fisik (struktur kristal) lapisan tipis ZnO bergantung pada parameter deposisi dan kondisi deposisi, seperti pada saat annealing[7].

Lapisan tipis ZnO dapat digunakan sebagai sensor gas semikonduktor, karena adanya perubahan konduktivitas permukaan yang ditunjukkan melalui oksidasi gas, memiliki sensitivitas terhadap radikal gas, stabilitas yang tinggi, kesesuaian terhadap doping, tidak beracun dan harga relatif murah[7]. ZnO merupakan material yang baik untuk mendeteksi gas reduktan seperti H2, CH4, dan CO [1].

Ketidakmurnian Semikonduktor

Resistansi suatu semikonduktor dapat diubah dengan memberikan dopan (ketidakmurnian) ke dalam bahan semikonduktor. Penambahan dopan ke dalam bahan semikonduktor disebut doping [8].

Peningkatkan kestabilan sensor gas dapat dilakukan dengan pendopingan terhadap lapisan tipis ZnO[3]. Dopan (ketidakmurnian) seperti indium, aluminium, atau galium dapat digunakan. Pengaruh konsentrasi doping dapat meningkatkan kualitas lapisan tipis. Doping juga dapat meningkatkan konduktivitas listrik dan transparansi yang diinginkan[7]. Efek doping indium pada lapisan ZnO (indium doped ZnO (IZO)) berpengaruh pada struktur, sifat listrik dan optik lapisan IZO. Resistansi yang kecil pada lapisan IZO dapat terjadi karena efek stoikiometri dan doping [9].

Ketika indium didoping ke dalam ZnO, atom In+3 mengganti atom Zn+2 dan bereaksi sebagai donor. Jika y adalah jumlah indium yang digabung-kan ke dalam kisi ZnO sebagai In+3 dan memper-timbangkan peluang oksigen (oxygen vacancies) bahan, maka dapat dituliskan sebagai berikut[9].

( ) yxxOxy eeVInOZn 211 &&−− (1)

dengan VO dilambangkan sebagai muatan ganda peluang oksigen dan e adalah elektron.

Indium (In) merupakan logam golongan III. Indium mempunyai struktur kristal tetragonal dan mempunyai massa jenis 7.31 g/cm³. Unsur indium memiliki konduktivitas listrik 0,116/ Ωcm dan konduktivitas panasnya 0.816 cmKW , serta



141

memiliki titik lebur 156,60 °C dan titik didih 2072°C [10].

Prinsip Kerja Sensor Gas Semikonduktor

Sensor gas merupakan suatu alat yang mampu mendeteksi perubahan kondisi lingkungan dengan menghasilkan sinyal listrik yang besarnya sebanding dengan konsentrasi dan jenis gas. Cara kerja sensor gas adalah dengan memanfaatkan perubahan konduktivitas bahan ketika menyerap suatu gas[1]. Konduktivitas bahan sensor semi-konduktor berubah seiring dengan terdeteksinya gas tertentu.

Lapisan tipis oksida logam, seperti ZnO akan bereaksi terhadap oksidasi dan reduksi gas melalui perubahan konduktivitas. Pada suhu rendah dibawah 400°C, terjadi penyerapan gas sehingga menye-babkan perubahan konduktivitas pada permukaan dan konduktivitas batas butiran (grain boundary). Reaksi permukaan dalam semikonduktor tipe-n, melibatkan jenis oksigen molekuler (O2

-) atau atomik (O-) dan mampu mendeteksi berbagai gas pada suhu yang rendah. Perubahan resistansi ditunjukkan pada gas yang digunakan sebagai parameter pengukuran sensor gas semikonduktor[1].

Serapan Gas

Permukaan semikonduktor oksida logam akan berinteraksi dengan molekul-molekul oksigen yang terdapat di udara pada suhu kamar. Proses ini meliputi penyerapan fisika, yang kemudian diikuti penyerapan kimia dengan menangkap elektron dari daerah dekat permukaan semikonduktor. Proses serapan oksigen dan penangkapan elektron disajikan pada Gambar 2.4 dan dapat ditulis dalam persamaan sebagai berikut [2] .

( )adsOO ⇔221 (2)

( ) ( )adsads OeO −− ⇔+ 22 (3)

Proses oksidasi oleh molekul oksigen pada persamaan (2) dan (3), dengan mengambil elektron dan terikatnya ion oksigen pada permukaan lapisan tipis dapat dipandang sebagai proses pembentukan cacat (defect) permukaan, yaitu terjadinya interstisi atom oksigen ke dalam kisi kristal semikonduktor oksida. Hasil dari interstisi ini akan menghasilkan hole yang jumlahnya sesuai dengan tingkat ionisasi atom oksigen. Terbentuknya hole pada permukaan lapisan tipis adalah sebanding dengan penangkapan elektron. Atom oksigen yang ter-adsorpsi pada permukaan dapat menarik elektron dari dalam bulk jika suhu dinaikkan hingga mencapai kesetimbangan termodinamik. Atom-atom oksigen

yang ter-adsorpsi akan mengikat elektron bebas pada permukaan bahan semikonduktor oksida logam[11].

Pengikatan elektron bebas menyebabkan terbentuknya lapisan deplesi (daerah kosong muatan bebas) pada daerah antara gas dan butir kristal. Pembentukan lapisan deplesi (depletion layer) disertai pula dengan pembentukan potensial penghalang (potensial barrier) di daerah batas butiran. Pembentukan lapisan deplesi dan potensial penghalang akan menentukan sifat kelistrikan semikonduktor oksida logam[2].

Sensitivitas Sensor Gas

Sensitivitas sensor gas didefinisikan sebagai kemampuan dari sensor untuk merespon kehadiran gas yang berhubungan dengan besar/banyaknya yang datang mengenai sensor. Respon ini ditunjukkan dengan perubahan resistivitas akibat terserapnya gas pada permukaan elemen sensitif. Nilai nisbah serapan (S) didefinisikan sebagai perbandingan antara besar perubahan resistansi sensor pada saat diberi gas (Rg) dan resistansi sensor sebelum diberi gas (Rg), dapat dituliskan dalam bentuk untuk semikonduktor bertipe n, sebagai berikut[12].

n

ng

n RRR

RRS

−=

Δ= (3)

dengan Rg adalah resistansi saat tabung diberi gas uji, Rn adalah resistansi dalam kondisi normal (tanpa gas), dan pengukuran kedua resistansi dilakukan pada suhu operasi yang sama.

Waktu Tanggap

Waktu tanggap (response time) didefinisikan sebagai waktu minimal yang dibutuhkan sensor gas untuk merespon kehadiran gas yang diterimanya dengan ditandai perubahan nilai resistansi yang stabil. Waktu tanggap sensor diantaranya ditentukan oleh suhu operasi, konsentrasi gas dan volume gas.

TATA KERJA PENELITIAN Untuk membuat lapisan ZnO yang didoping

dengan indium dilakukan dengan teknik DC sputtering. Dalam proses pembentukan lapisan tipis dengan teknik DC sputtering terdapat beberapa parameter yang mempengaruhi, diantaranya : suhu substrat, tekanan, tegangan, jarak antar elektroda dan waktu deposisi[13]. Skema alat DC sputtering disajikan pada Gambar 1.



142

Gambar 1. Skema alat DC sputtering

Bahan penelitian

Target ZnO dan indium dalam bentuk pelet, bahan pembersih berupa (detergen, alkohol 70% dan tissu), substrat alumina (Al2O3), gas argon (Ar) dan gas uji yaitu amoniak (NH3), karbon monoksida (CO) dan aceton (CH3COCH3).

Peralatan

Satu unit mesin sputtering, jangka sorong, ultrasonic cleaner, oven, pinset, hair dryer, plastik klip, timbangan digital, multimeter digital, stopwatch, gelas ukur, alat suntik 12 ml, meter suhu dan sumber daya DC.

Prosedur Penelitian

Preparasi substrat Bahan untuk substrat adalah alumina yang

telah dipotong dengan ukuran 20×10×0,75 mm. Sebelum digunakan sebagai substrat, kepingan alumina tersebut harus dicuci secara bertahap menggunakan ultrasonic cleaner. Pencucian bertahap dimaksudkan untuk melarutkan kotoran dan minyak yang melekat pada alumina.

Pencucian tahap pertama, memasukkan alumina ke dalam campuran air dengan deterjen pada gelas ukur, kemudian digetarkan dengan ultrasonic cleaner. Setelah 30 menit, substrat dikeringkan dengan hair dryer, kemudian dengan cara yang sama dilanjutkan pencucian tahap kedua menggunakan alkohol. Setelah 30 menit, substrat dikeringkan lagi dengan hair dryer dan diletakkan dalam cawan lalu dioven selama 1 jam pada suhu 100ºC. Setelah dingin, substrat dimasukkan dalam

plastik klip dan pengambilannya selalu menggunakan pinset. Substrat alumina yang telah bersih kemuadian dibuat pola elektroda dan sistem pemanas sensor dari bahan emas dengan metode lithography.

Proses Pembentukan Lapisan Tipis Untuk membuatan lapisan tipis ZnO yang

didoping indium (ZnO:In) dengan berat indium divariasi: 0,0370; 0,0485 dan 0,0702 gram dilakukan dengan teknik DC sputtering. Langkah-langkah deposisi lapisan tipis dengan teknik DC sputtering adalah sebagai berikut: Memasang target ZnO:In pada katoda dan meletakkan substrat alumina yang telah ada pola elektrodanya pada anoda, kemudian tabung reaktor plasma ditutup dan dilakukan penvakuman dengan pompa rotari dan turbomolekul hingga dicapai tekanan 1,3 × 10-5 torr. Menghidupkan pendingin target dan pemanas substrat pada suhu 200°C. Selanjutnya gas Ar dimasukkan ke dalam tabung reaktor sebagai penghasil plasma dan mengatur aliran gas melalui kran mikrometer hingga mencapai tekanan operasi yang diinginkan, yaitu 1,8 × 10-1 torr. Proses deposisi lapisan ZnO:In dimulai dengan menghidupkan sumber daya tegangan tinggi DC hingga mencapai 3 kV dan arus 20 mA, tekanan 1,8 × 10-1 torr dan waktu deposisi selama 120 menit pada suhu 200°C, maka proses sputtering akan terjadi pada reaktor plasma yang terlihat pada jendela reaktor plasma. Proses sputtering dapat dihentikan setelah waktu deposisi telah dicapai. Dengan mengulangi cara yang sama kemudian dilakukan deposisi ZnO:indium dengan berat 0,0485 dan 0,0702 gram.

Karakterisasi Sensor Gas

Penentuan Suhu Operasi Sensor Penentuan suhu operasi sensor dilakukan

dengan memberi suhu pada lapisan tipis ZnO dan ZnO:In mulai suhu kamar sampai dengan suhu tertentu dengan kenaikan 10ºC. Pada setiap kenaikan suhu, setelah dicapai kondisi relatif stabil/purunan resistansi sudah sangat kecil terhadap perubahan suhu dicatat resistansinya. Pada kondisi stabil tersebut disebut suhu operasi sensor. Dari hasil pengukuran resistansi sebagai fungsi suhu selanjutnya dibuat grafik suhu operasi sensor. Suhu operasi sensor ini menjadi acuan untuk mengoperasikan sensor gas dalam menentukan karakterisasi berikutnya seperti: sensitivitas dan waktu tanggap (respon time) dari sensor gas.



143

Pengujian Sensitivitas dan Waktu Tanggap Sensor Gas

Pengukuran sensitivitas ditentukan dengan menggunakan gas uji karbon monoksida (CO). Amoniak (NH3) dan aceton (CH3COCH3) dengan volume divariasi mulai 2 cc s/d 20 cc dengan interval 2 cc. Langkah penentuan sensitivitas sebagai berikut;

Memasang sensor ZnO yang belum didoping indium sebagai sensor standar pada alat karakterisasi, mengatur suhu operasi sensor pada suhu yang telah ditentukan sesuai dengan hasil penentuan suhu operasi sensor, setelah dicapai kondisi yang stabil resistansi sensor sebelum diberi gas dicatat sebagai (Rn). Kemudian gas uji CO dimasukkan ke dalam tabung karakterisasi dengan volume divariasi mulai 2 cc s/d 20 cc dengan interval 2 cc dan stopwatch dihidupkan serta dicatat nilai resistansinya sebagai (Rg). Setelah kondisinya yang relatif stabil. Ketika resistansi relatif stabil dikatakan bahwa sensor telah tanggap terhadap gas yang diberikan dan mencatat waktu yang diperlukan oleh sensor hingga dicapai resistansi yang stabil sebagai waktu tanggap. Dari hasil pengukuran resistansi sebelum diberi gas (Rn) dan sesudah diberi gas (Rg) selanjutnya ditentukan sensitivitasnya menggunakan persamaan (3) dan dibuat grafik hubungan konsentrasi terhadap sensitivitas. Dengan cara yang sama dilakukan perhitungan untuk menentukan sensitivitas sensor untuk gas uji yang lain.

HASIL DAN PEMBAHASAN Telah berhasil dibuat lapisan tipis ZnO dan

ZnO doping indium (ZnO:In) diatas substrat alumina dengan teknik DC sputtering. Lapisan tipis tersebut ditandai dengan adanya lapisan warna kuning pada permukaan substrat alumina dan mempunyai nilai resistansi dalam orde puluhan hingga ratusan kΩ, kondisi ini dicapai pada parameter sputtering sebagai berikut: tegangan operasi 3 kV, arus 20 mA, waktu deposisi 120 menit, suhu substrat 200°C, dan tekanan 1,8 × 10-1 torr.

Bahan alumina (Al2O3) dipilih sebagai substrat karena mempunyai kelebihan diantaranya tahan panas hingga 1000°C, permukaan berpori sehingga lapisan tipis yang menempel pada permukaan tidak mudah terkelupas. Selain itu alumina tahan terhadap korosi, vakum tinggi dan merupakan bahan isolator yang baik dengan nilai resistansi ribuan Mega ohm (MΩ), sehingga diharapkan resistansi lapisan tipis yang diperoleh murni dari ZnO atau ZnO:Indium tanpa sumbangan

dari substrat, sedangkan kekurangan dari alumina adalah sangat keras, getas dan mudah patah sehingga diperlukan alat pemotong khusus/pisau intan dan harganya mahal.

Pengaruh Berat Doping Indium Terhadap Resistansi Lapisan Tipis

Doping indium pada bahan ZnO sebagai bahan dasar sensor gas dimaksudkan untuk mendapatkan lapisan tipis yang memiliki serapan gas yang tinggi, sehingga bila digunakan untuk sensor gas akan mempunyai sensitivitas yang tinggi. Penambahan bahan doping indium pada bahan ZnO bila masih sedikit maka perubahan respon sebagai bahan sensor masih sangat kecil, tetapi bila doping terlalu banyak maka bahan ZnO akan cenderung lebih bersifat konduktor akibatnya juga kurang respon terhadap kehadiran gas sehingga bila digunakan sebagai bahan sensor respon rendah. Agar dicapai kondisi doping indium yang optimum, maka berat indium divariasi masing-masing : 0,0370 gr; 0,0485 gr dan 0,0702 gr yang menghasilkan resistansi 6200 kΩ (ZnO tanpa indium), 13,5 kΩ (ZnO didoping In dengan berat 0,0370 gr), 0,85 kΩ (ZnO didoping In dengan berat 0,0485 gr) dan 0,533 kΩ (ZnO didoping In dengan berat 0,0702 gr). Hasil pengukuran resistansi lapisan tipis ZnO tanpa doping dan ZnO penambahan doping indium terhadap variasi berat indium ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Hubungan antara resistansi lapisan tipis

ZnO terhadap variasi berat indium

Gambar 2 menunjukkan bahwa semakin banyak atom indium maka nilai resistansi juga semakin turun. Nilai resistansi bahan ZnO tanpa doping indium sebesar 6200 kΩ dan setelah didoping turun menjadi 0,533 -13,5 kΩ. Hal ini disebabkan oleh adanya atom indium pada permukaan dapat meningkatkan kerapatan atom-atom pada permukaan sensor ZnO, sehingga jarak antar atom semakin pendek yang berpengaruh terhadap sifat kelistrikan bahan ZnO lebih konduktif



144

bila dibanding sebelum didoping. Dalam hal ini resistansi terendah sebesar 0,533 kΩ diperoleh pada doping indium 0,0702 gr.

Karakterisasi Sensor Gas

Penentuan Suhu Operasi Penentuan suhu operasi sensor sangat

diperlukan untuk mengetahui pada rentang suhu tertentu sensor gas dapat dioperasikan. Hasil pengamatan pengaruh suhu terhadap nilai resistansi pada lapisan tipis ZnO tanpa doping indium maupun yang didoping indium (ZnO:In) ditunjukkan pada Gambar 3a dan 3b.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200 250 300

Suhu (oC)

Res

ista

nsi (

kΩ)

Gambar 3a. Hubungan antara suhu terhadap

resistansi lapisan tipis ZnO tanpa doping indium

Gambar 3b. Hubungan antara suhu terhadap

resistansi lapisan tipis ZnO yang didoping indium (ZnO:In).

Gambar 3a dan 3b. menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu maka resistansinya semakin menurun, tetapi pada kondisi suhu tertentu (110 oC-140 oC) mulai stabil. Penurunan nilai resistansi disebabkan oleh adanya atom indium pada permukaan sensor, yang kalau ditinjau dari teori pita energi, posisi dari atom-atom indium menempati posisi pita dibawah pita konduksi sehingga elektron-

elektron akan mudah sekali pindah ke pita konduksi. Akibat dari peristiwa tersebut akan merubah sifat kelistrikan bahan ZnO lebih konduktif atau nilai resistansi semakin rendah. Selain itu adanya atom indium pada lapisan ZnO menimbulkan cacat titik.

Konduktivitas bahan semikonduktor tipe-n dipengaruhi oleh cacat titik berupa pengurangan komponen oksidan (pengurangan atom oksigen) atau interstisial komponen atom logam. Ketika suhu dinaikkan, maka cacat akan terionisasi dengan menghasilkan elektron bebas. Cacat ini akan membentuk level donor sedikit dibawah pita konduksi ketika diberikan pengaruh eksternal misalnya peningkatan suhu dan energinya melebihi energi gap, maka elektron pada level donor dapat tereksitasi dan naik ke dalam pita konduksi. Ketika cacat terionisasi, maka konduktivitas kristal semikonduktor oksida logam akan muncul dengan elektron bebas sebagai pembawa muatan.

Semakin banyak elektron bebas maka pembawa muatannya juga semakin banyak sehingga konduktivitas lapisan tipis akan meningkat (nilai resistansinya akan menurun), namun demikian bila suhu operasi terus dinaikkan maka yang terjadi bukannya penurunan resistansi tetapi justru resistansi mengalami kenaikkan, karena pada suhu yang tinggi atom-atom oksigen pada permukaan sensor dapat menarik elektron dari dalam bulk sehingga jumlah elektron pada permukaan akan berkurang hal ini sesuai pendapat Mrowec S, (1980) yang mengatakan atom oksigen yang ter-adsorpsi pada permukaan dapat menarik elektron dari dalam bulk jika suhu dinaikkan hingga mencapai kesetimbangan termo-dinamik[11].

Dengan turunnya resistansi sensor berpenga-ruh terhadap turunnya suhu operasi sensor yakni dari 240oC untuk ZnO sebelum didoping menjadi 120oC setelah ZnO didoping indium. Akibat turunnya suhu operasi merupakan suatu keuntungan karena dapat mempermudah dalam pembuatan pemanas sensor dan membutuhkan energi yang lebih rendah yang dapat disuplay dengan batu bateray sehingga sensor gas dapat dibuat lebih kecil dan portabel.

Untuk bahan ZnO yang didoping indium pada rentang suhu 120 – 1400C penurunan nilai resistansi telah menunjukkan yang stabil. Hal ini berarti bahwa nilai resistansi pada kondisi tertentu nilainya sudah tidak terpengaruh oleh kenaikan suhu, pada kondisi rentang suhu tersebut bahan ZnO:In berfungsi sebagai sensor gas karena perubahan nilai resistansi tidak dipengaruhi oleh suhu tetapi disebabkan adanya proses serapan gas yang mengenai permukaan bahan sensor.



145

Penentuan Sensitivitas Sensor Gas

Sensitivitas Sensor Gas ZnO sebelum didoping Indium

Sensitivitas sensor didefinisikan sebagai kemampuan dari sensor untuk merespon kehadiran gas yang ditunjukkan dengan perubahan resistivitas akibat terserapnya gas pada permukaan elemen sensitif. Nilai nisbah serapan (S) didefinisikan sebagai perbandingan antara besar perubahan resis-tansi sensor pada saat diberi gas (Rg) dan resistansi sensor sebelum diberi gas (Rg), dapat dituliskan dalam bentuk untuk semikonduktor bertipe n, sebagai berikut[12].

n

ng

n RRR

RRS

−=

Δ=

Sensitivitas lapisan tipis ZnO sebagai sensor gas sebelum didoping indium dioperasikan pada suhu 240oC dengan gas uji CO, NH3 dan CH3COCH3. Hasil perhitungan sensitivitas lapisan tipis ZnO tanpa doping indium terhadap berbagai macam gas uji ditunjukkan pada Gambar 4.

0,00

10,00

20,00

30,00

0 30000 60000 90000 120000

Konsentrasi gas (ppm)

Sens

itivi

tas

(%)

COCH3COCH3NH3

Gambar 4. Hubungan konsentrasi gas-gas uji terha-

dap sensitivitas lapisan tipis ZnO sebe-lum didoping indium

Gambar 4 menunjukkan bahwa lapisan ZnO sebelum didoping indium mempunyai sensitivitas sebesar 24,59% untuk gas CO dan 12,50% untuk gas NH3 pada konsentrasi 106853,12 ppm. Sedang sensitivitas terhadap gas aceton (CH3COCH3) sebesar 11,45% konsentrasi 53425,05 ppm. Hal ini menunjukkan bahwa lapisan ZnO mempunyai karakteristik yang khusus terhadap serapan masing-masing gas tertentu. Selain itu setiap gas yang teradsorbsi pada permukaan lapisan ZnO mempunyai kemampuan adsorbsi yang berbeda, adsorbsi optimum dicapai terhadap gas CO sebesar 24,59%. Sehingga dapat dikatakan lapisan ZnO sebagai sensor gas sensitif terhadap gas CO, tetapi kurang sensitif terhadap gas CH3COCH3.

Sensitivitas Sensor Gas ZnO Didoping Indium (ZnO:In)

Untuk sensor gas yang didoping indium dioperasikan pada suhu 120oC. Hasil perhitungan sensitivitas lapisan tipis ZnO yang didoping (ZnO:In) dengan variasi berat indium terhadap gas uji CO, NH3 dan CH3COCH3 ditunjukkan pada Gambar 5a., 5b. dan 5c.

0,00

10,00

20,00

30,00

0 30000 60000 90000 120000


Sens

itivi

tas

(%)

COCH3COCH3NH3

Gambar 5a. Hubungan konsentrasi gas uji terhadap

sensitivitas lapisan tipis ZnO yang didoping indium dengan berat 0,0370 gr

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

0 30000 60000 90000 120000


Sens

iitiv

itas

(%)

COCH3COCH3NH3

Gambar 5b. Hubungan konsentrasi gas uji terhadap


0,00

10,00

20,00

0 30000 60000 90000 120000


Sens

itivi

tas

(%)

COCH3COCH3NH3

Gambar 5c. Hubungan konsentrasi gas uji terhadap


Pada Gambar 5a., 5b. dan 5c. menunjukkan bahwa berat indium yang berbeda jika didopingkan pada permukaan ZnO sebagai bahan sensor gas akan menghasilkan sensitivitas sensor yang berbeda pula.



146

Pada Gambar 5a. Sensor ZnO yang didoping dengan berat indium 0,0370 gr memiliki sensitivitas tertinggi untuk gas CO sebesar 22,69% dan sensitivitas terendah sebesar 9,16% untuk gas CH3COCH3 pada konsentrasi 106853,12 ppm. Hal tersebut juga terjadi pada bahan sensor gas ZnO yang didoping indium dengan berat indium 0,0485 gr sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5b sangat sensitif terhadap keberadaan gas CO dengan sensitivitas tertinggi sebesar 54,05 % dan kurang sensitif terhadap NH3 yang memiliki sensitivitas terendah sebesar 6,81% pada konsentrasi 106853,12 ppm.

Sedangkan untuk doping indium dengan berat 0,0702 gr (Gambar 5c.) menunjukkan lapisan ZnO:In masih tetap sensitif terhadap gas CO tetapi nilai sensitivitasnya turun yakni 18,26% dan kurang respon terhadap gas aceton (H3COCH3) sebesar 9,04% pada konsentrasi 106853,12 ppm. Secara umum dari hasil variasi indium yang didopingkan pada bahan ZnO terjadi peningkatan sensitivitas bila dibandingkan dengan sensor ZnO tanpa indium. Peningkatan sensitivitas sensor untuk masing-masing gas uji adalah (24,59% menjadi 54,05%) untuk gas CO dan (10,83% menjadi 17,35%) untuk gas CH3COCH3 pada doping indium 0,0485 gr, serta (11,88% menjadi 19,20%.) untuk gas NH3 pada doping indium 0,0370 gr.

Peningkatan sensitivitas sensor ZnO setelah didoping indium disebabkan oleh kehadiran atom indium pada permukaan ZnO dapat meningkatkan serapan gas oksigen dari gas uji dan kehadiran atom indium pada permukaan sensor juga dapat memperpendek jarak antar/batas butir, hal ini akan mempermudah mekanisme trasport (mobilitas) pembawa muatan melewati daerah antar butir. Akibatnya konduktivitas bahan meningkat dan bahan sensor gas mempunyai sensitivitas yang lebih tinggi.

Namun demikian untuk menghasilkan sensor yang memiliki sensitivitas optimum dicapai pada berat indium tertentu 0,0485 gr (Gbr. 5b.), bila berat indium sebagai atom dopan ditambah, sensitivitas sensor bukannya bertambah tetapi justru menurun dan tidak stabil (Gbr 5c.) ini terjadi karena atom indium yang semakin banyak pada bahan ZnO akan menyebabkan resistansi turun sehingga sifat bahan cenderung berubah menjadi bersifat konduktor yang apabila digunakan sebagai bahan sensor kurang sensitif dan tidak stabil.

Sensitivitas lapisan tipis ZnO baik sebelum maupun sesudah didoping indium memiliki

karakteristik yang sesuai untuk mendeteksi gas CO, karena mempunyai sensitivitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan sensitivitas gas lainnya (CH3COCH3 dan NH3) ini berarti sensor gas dari bahan ZnO yang didoping indium cocok digunakan untuk deteksi gas CO. Ini sesuai dengan pendapat. Min. Y. (2003), bahwa ZnO merupakan material yang baik untuk mendeteksi reduksi gas, seperti H2, CH4, dan CO.

Waktu Tanggap

Waktu tanggap sensor gas (respon time) sangat diperlukan untuk mengetahui karakteristik sensor gas terhadap kehadiran gas yang dideteksi. Hasil pengukuran waktu tanggap terhadap pengaruh dopan indium ditunjukkan pada Gambar 6.

0

5

10

15

20

25

30

0 0.02 0.04 0.06 0.08Variasi berat indium (gr)

Wak

tu ta

ngga

p (d

etik

)

COCH3COCH3NH3

Gambar 6. Pengaruh variasi berat indium terhadap

waktu tanggap lapisan tipis ZnO

Gambar 6 menunjukkan bahwa doping indium pada lapisan tipis ZnO dapat mempercepat waktu tanggap gas bila dibandingkan dengan ZnO tanpa doping indium. Besarnya peningkatan waktu tanggap sensor pada lapisan tipis ZnO tanpa doping indium bila dibanding dengan doping indium untuk masing-masing gas : (19 detik menjadi 7 detik) untuk CO dan (22 detik menjadi 8 detik) untuk gas CH3COCH3 pada berat indium 0,0485 gr dan (28 detik menjadi 12 detik) untuk gas NH3 pada berat indium 0,0702 gr.

Bahan sensor gas memiliki kecenderungan waktu tanggap yang berbeda terhadap beberapa macam gas uji, tergantung dari sifat reversibilitas reaksi permukaan. Variabel yang menentukan tingkat reversibilitas adalah suhu permukaan semikonduktor oksida logam, konsentrasi dan macam gas yang teradsorbsi. Dari hasil variasi berat indium diperoleh waktu tanggap optimum sebesar 7 detik untuk gas CO pada doping 0,0485 gr.



147

KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian pengaruh

doping indium pada lapisan tipis ZnO terhadap sensitivitas sensor gas, maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Doping indium dapat menurunkan nilai resistansi

bahan ZnO dari 6200 kΩ menjadi 0,533 -13,5 kΩ yang berpengaruh terhadap turunnya suhu operasi sensor dari 240oC menjadi 120oC sehingga dapat memperbaiki sifat bahan ZnO sebagai sensor gas.

2. Bahan ZnO yang didoping indium mempunyai sensitivitas optimum terhadap gas CO sebesar 54,05% dan kurang respon terhadap gas NH3 sebesar 6,81% dengan konsentrasi 106853,12 ppm, kondisi ini dicapai dengan doping indium seberat indium 0,0485 gr.

3. Doping indium pada lapisan tipis ZnO mampu mempercepat waktu tanggap gas. Waktu tanggap terbaik pada lapisan tipis ZnO tanpa doping indium dan dengan doping indium untuk masing-masing gas yaitu 7 detik untuk gas CO, 8 detik untuk gas CH3COCH3, kondisi ini dicapai pada doping indium seberat 0,0485 gr dan untuk untuk gas NH3 sebesar 12 detik yang dicapai pada doping indium seberat 0,0702 gr.

UCAPAN TERIMA KASIH Dengan telah selesainya penelitian ini kami mengucapkan banyak terima kasih kepada Bapak : J. Karmadi, Slamet Riyadi dan Sumarmo atas segala bantuan dan kerjasamanya yang telah diberikan.

DAFTAR PUSTAKA [1] MIN, Y., Properties and Sensor Performance of

Zinc Oxide Thin Film, Massachusetts Institute of Technology, 2003.

[2] WANG, Z. L., Nanostructure of Zinc Oxide. School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332-0245 USA, 2004.

[3] GASKOV, A.M., RUMYANTSEVA, M.N., Materials for Solid-State Gas Sensors, Inorganic Materials, Vol.36, No.3, 2000. 239-301.

[4] CHOPRA K L, MAJOR S AND PANDYA D.K., Thin Solid Films 102 1, 1983.

[5] ABHIJITH. N., Semiconducting Metal Oxide Gas Sensor: Development and Related Instrumentation, A Thesis Submitted for Degree of Master of Science (Engg.) in the Faculty Engineering, 2006, hal 19-44.

[6] C. RINO, Pembuatan Lapisan Tipis ZnO:Al pada Substrat Alumina untuk Bahan Sensor Gas, Skripsi Program Studi Elektro Mekanik-Jurusan Teknofisika Nuklir, STTN BATAN, Yogyakarta. 2006.

[7] SUCHEA, M., CHRISTOULAKIS, S., MOSCHOVIS, K., KATSRAKIS, N., KIRIAKIDIS, G., ZnO transparent thin films for gas sensor applications, Thin Solid Films 515, 2006. 551–554,

[8] KITTEL, C., Introduction to Solid-State Physics. Edisi ketujuh. New York: John Willey and Sons, 1996.

[9] JOSEPH, B., MANOJ, P.K., AND VAIDYAN, V.K., Studies On Preparation And Characterization of Indium Doped Zinc Oxide Films by Chemical Spray Deposition, Bull. Mater. Sci., Vol. 28, No. 5, pp. 487–493. © Indian Academy of Sciences, 2005.

[10] KENNETH L BARBALACE (J.K. BARBALACE, INC), “Element Indium-In”, http://EnvironmentalChemistry.com, diakses 17 Mei 2008.

[11] MROWEC S., Cacat And Difusion in Solid, Elsevier scientific publishing company, Polandia, 1980.

[12] XU, C., TAMAKI, J., MIURA, N., YAMAZOE, N., Grain Size Effect on Gas Sensitivity of porous SnO2, Sensor and Actuator B, 147-155, 1991

[13] SUBRAMANYAM, T.K., S. NAIDU, B., UTHANNA, S., Physical Properties of Zinc Oxide Films Prepared by Dc Reactive Magnetron Sputtering at Different Sputtering Pressures, Crystal Research Tecnology, 2000, p. 1193-1202

TANYA JAWAB

Imam Kambali − Seandainya gas uji yang dipakai adalah CO2,

apakah sensitivitas akan sama dengan gas CO?.

Sayono − Bila gas uji yang dipakai menggunakan CO2

sensitivitasnya akan lebih rendah bila dibandingkan dengan gas CO karena sensor yang terbuat bahan lapisan tipis ZnO mempunyai kecenderungan atau sensitivitas tinggi terhadap gas CO.

efek doping indium terhadap sensitivitas sensor...

Documents