SINTESIS DAN SIFAT OPTIK MATERIAL

SEMIKONDUKTOR

I. Pendahuluan

A. Latar Belakang

Dalam teknik material khususnya lapisan tipis, ZnO adalah salah satu bahan yang

menarik untuk digunakan dalam bidang sensor, sel surya, serta nanodivice, karena sifat

emisinya yang dekat dengan sinar UV, memiliki konduktivitas dan transparansi tinggi,

fotokatalis (Guanglong, 2007). ZnO adalah material semikonduktor tipe-n golongan II-IV

dengan lebar band gap 3,2 eV pada suhu kamar (Yaoming, 2010).

Lapisan tipis ZnO dapat dibuat dengan berbagai macam teknik, seperti molecular

beam epitaxy (Changzheng W, 2009), RF magnetron sputtering (Sungyeon Kim, 2006),

pulsed laser deposition (Zhu, 2010), spray pyrolysis (Prasada, 2010), chemical vapor

deposition (Preetam Singh, 2007), physical vapor deposition (George, 2010), dan sol-

gelspin coating (Davood, 2004). Pembuatan lapisan tipis dengan metode sol-gel spin

coating memiliki beberapa keuntungan, antara lain biayanya murah, tidak menggunakan

ruang dengan kevakuman tinggi, komposisinya homogen, ketebalan lapisan bisa dikontrol

dan struktur mikronya cukup baik, sehingga metode ini banyak digunakan sebagai

alternatif lain dalam pembuatan lapisan tipis (Ceng, 2004).

Berbagai macam cara digunakan untuk menghasilkan ZnO berkualitas tinggi, agar

ukuran dan bentuk film tipis ZnO dapat dikendalikan sehingga dapat diaplikasikan

sebagai perangkat optoelektronik . menurut penelitian sebelumnya, untuk meningkatkan

kualitas ZnO dapat dilakukan dengan cara doping. Sampai saat ini , ZnO didoping dengan

Ce ( George, dkk. 2011 ) , Eu ( Badalawa, dkk. 2011 ) , Gd (Murmu, dkk. 2009 ), Tb

( Yang, dkk. 2008 ), Yb ( Jiang, dkk. 2010 ) dan Er ( Jang, dkk. 2011 ) telah dipelajari

secara intensif ( Fenglin, dkk. 2012)

Sol-gel spin coting adalah metode untuk membuat lapisan dari bahan polimer

photoresist yang dideposisikan pada permukaan silikon dan material lain yang berbentuk

wafer. Setelah larutan (sol-gel) diteteskan di atas wafer, kecepatan putar diatur oleh gaya

sentrifugal untuk menghasilkan lapisan tipis yang homogen. Metode sol-gel spin coating

ini menggabungkan meteode fisika dan kimia biasa, dimana metode ini sangat mudah dan

efektif untuk membuat lapisan tipis dengan hanya mengatur parameter waktu dan

kecepatan putar serta viskositas larutan. Namun metode ini tidak dapat di aplikasikan

untuk membuat lapisan metal, karena bahan dasar metal susah untuk dibuat dalam fase

cair ( Ahzan, dkk. )

B. Rumusan Masalah

Ruang lingkup permasalahan yang akan dibahas dalam makalah ini adalah aplikasi

metode sol-gel untuk sintesis film tipis ZnO:Nd. Kemudian, bagaimana interaksi antara

Neodimium dengan seng oksida dan sifat optik yang terjadi pada film ZnO dengan

adanya doping neodimium.

C. Tujuan

Makalah ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memenuhi tugas mata kuliah ilmu

material, dan untuk memahami sifat optik pada suatu material.

D. Landasan Teori

Sifat optik material berkaitan dengan interaksi antara material dengan radiasi

elektromagnetik, khususnya cahaya tampak. Pada gambar 1. Tampak spektrum

elektromagnetik, dan dari gambar tersebut diketahui bahwa panjang gelombang untuk

gelombang radio bervariasi dari 104 m hingga 10−4 m untuk gelombang sinar gamma dan

energi foton bervariasi dari 10−10 eV hingga 108eV.

Gambar 1. Spektrum gelombang elektromagnetik.

Foton yang jatuh pada metrial dapat dipantukan, diabsorpsi atau ditransmisikan.

Absorpsi atau transmisi foton oleh material bergantung pada senjang energi antara pita

valensi dan pita konduksi foton dan energi foton itu sendiri. Pada struktur pita logam

tidak terdapat senjang energi sehingga foton dengan energi berapapun diabsorpsi dengan

eksitasi elektron dari pita valensi dan elektron memasuki level energi yang lebih tinggi

dalam pita konduksi. Dengan demikian logam memiliki sifat “tidak tembus” radiasi

elektromagnetik, mulai dari gelombang radio, infra merah, cahaya tampak, hingga

ultraviolet, tetapi transparan terhadap sinar-X energi tinggi dan sinar gamma. Sebagian

besar radiasi yang diabsorpsi disebarkan balik sebagai radiasi dengan panjang gelombang

sama ( atau refleksi ). Logam bersifat tidak tembus dan dapat memantulkan dan yang kita

lihat adalah distribusi panjang gelombang terefleksi, yang menentukan warna logam. Jadi

tembaga dan emas hanya memantulkan rentang panjang gelombang tertentu dan

mengabsorpsi sisa foton, artinya tembaga memantulkan cahaya merah yang lebih besar

panjang gelombangnya dan mengabsorpsi biru yang lebih pendek panjang gelombangnya.

Aluminium dan perak dapat memantulkan rentang spektrum tampak secara lengkap dan

berwarna keperak-perakan.

Karena memiliki kesenjang dalam pita strukturnya, material nonlogam bersifat

transparan. Jadi apabila energi foton tidak cukup untuk mengeksitasi elektron material ke

level energi lebih tinggi, foton diteruskan dan tidak diabsorbsi dan material bersifat

transparan. Pada keramik dan polimer dengan kemurnian tinggi, senjang energi besar dan

material tersebut transparan terhadap cahaya tampak. Pada semikonduktor, elektron

tereksitasi memasuki level akseptor atau meninggalkan level donor dan foton yang

mempunyai cukup energi untuk memacu transisi tersebut akan diabsorbsi. Oleh karena

itu, semikonduktor tidak tembus panjang gelombang pendek dan transparan terhadap

panjang gelombang panjang. Struktur pita dipengaruhi oleh kristalitas sehingga material

seperti gelas dan polimer dapat bersifat transparan dalam keadaan amorf tetapi tidak

tembus cahaya apabila kristalin.

Nonmetalik kemurnian tinggi seperti gelas, intan atau safir ( Al2 O3) tidak berwarna

tetapi berubah warna apabila tercampur pengotor. Sebagai contoh, penambahan sejumlah

kecil ion Cr3 (Cr2O3 ) pada Al2 O3 menghasilkan warna manikam dengan menambahkan

level pengotor dalam celah pita safir yang meningkatkan absorpsi panjang gelombang

tertentu pada spektrum cahaya tampak. Pewarnaan gelas dan keramik dilakukan dengan

menambah pengotor logam transisi yang memiliki kulit-d yang kosong. Foton dengan

mudah berinteraksi dengan ion tersebut dan terabsorpsi ; Cr3 memberikan warna hijau,

M n2+¿ ¿ warna kuning dan Co2+¿ ¿ warna ungu biru.

pada kacamata fotokromatik energi kuanta cahaya dimanfaatkan untuk mengubah

struktur ionik gelas. Gelas mengandung ion perak ( Ag+¿¿) sebagai dopan yang

terperangkap dalam jaringan ion silikon dan oksigen dari gelas tak tertata : ion tersebut

tereksitasi oleh kuanta berenergi tinggi (foton) dan berubah menjadi perak metalik

sehingga gelas berubah menjadi gelap ( energi cahaya di absorpsi ). Karena intensitas

cahaya berkurang, atom perak terionisasi-ulang. Proses ini memerlukan waktu singkat

bergantung pada absorpsi dan nonabsorpsi dari cahaya.

( Smallman, 2000 ).

E. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penyusunan makalah adalah studi literatur.

1. Sintesis ZnO:Nd.

Larutan seng asetat ( Zn¿¿) dilarutkan dalam etanol anhidrat sehingga

terbentuk larutan ZnO dengan kelarutan diatur sebesar 0.3 mol/L, kemudian

ditambahkan monoethanolamine (MEA) sebanyak 0.3 mol/L. Monoethanolamine

(MEA) berfungsi sebagai larutan penyetabil ion logam. Larutan campuran

selanjutnya ditambahkan larutan neodimium nitrat ( Nd (NO¿¿3¿3 .6 H2O)¿

dengan variasi konsentrasi 0%, 1%, 3%, dan 5%. Larutan diaduk selama dua jam

menggunakan magnetik stirer dengan temperatur maksimal 600 C diatas hot plate,

pemanasan dilakukan secara bertahap. Larutan campuran selanjutnya didiamkan

pada temperatur kamar selama 24 jam hingga didapatkan larutan gel yang

transparan.

2. Preparasi Film ZnO:Nd Metode Sol-Gel.

Lapisan ZnO:Nd dibuat dengan alat spin coating yang dideposisikan di atas

substrat kaca. Substrat kaca yang digunakan terlebih dahulu dibersihkan dengan

detergen atau alkohol sambil digetarkan dengan ultrassonic cleaner masing

masing selama 30 detik, untuk menghilangkan kandungan minyak dan kotoran

yang melekat pada substrat. Selanjutnya proses pembuatan lapisan dengan spin

coating dilakukan selama 30 detik. Setelah gel diteteskan diatas substrat,

selanjutnya substrat diputar dengan putaran 1200 rpm selama 20 detik yang

bertujuan untuk menyebarkan gel ke seluruh permukaan substrat. Kemudian

substrat diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 20 detik, dengan tujuan untuk

membentuk lapisan yang datar dengan ketebalan homogen. Setelah proses spin

coating, sampel dikeringkan pada temperatur 3000 C selama 10 menit (pre-

heating) untuk menguapkan pelarut dan residu organik. Perlakuan spin coating

dan pre-heating dilakukan pengulangan beberapa kali untuk menghasikan lapisan

tipis pada substrat. Selanjutnya adalah pemanasan akhir pada temperatur 5000 C

selama 1 jam (post heating). Post heating ini berfungsi untuk membentuk partikel

ZnO:Nd dengan orientasi kristal yang seragam (Ahzan, dkk. ).

II. Pembahasan

1. Struktur dan Morfologi Film Tipis ZnO:Nd.

Struktur dan morfologi film diuji dengan difraksi sinar-X ( XRD ) pada tingkat

variasi dopan Nd. Pola XRD pada berbagai variasi doping Nd ditunjukkan oleh

gambar 1.

Semua puncak difraksi sampel menunjukkan bahwa struktur kristal heksagonal.

Tidak ada puncak yang menunjukkan cluster logam neodimium atau neodimium

oksida yang teramati dalam pola , Hal ini menunjukkan bahwa Nd telah

memasuki kisi ZnO tanpa mengubah struktur kristal . Hal ini dapat dilihat bahwa

semua film menunjukkan preferensial c - axis ( 002 ) orientasi tegak lurus

terhadap substrat . Hal ini disebabkan oleh energi bebas permukaan terendah ZnO

( 002 ). Dua puncak lainnya sesuai dengan ( 100 ) dan ( 101 ) fase ZnO . full-width

at half-maximum ( FWHM ) sesuai dengan ( 002 ) yang pertama menurun dan

kemudian meningkat dengan konsentrasi doping Nd meningkat ( masing-masing

0,22 ; 0,16 ; 0,24 dan 0,33 ) . Ini menunjukkan bahwa doping Nd sangat

mempengaruhi intensitas puncak ZnO ( 002 ). Ketika konsentrasi konsentrasi 1

% , (002 ) dari pola memiliki intensitas terkuat dan FWHM sempit, tidak ada

puncak lain , yang berarti bahwa doping 1% Nd secara efektif meningkatkan

kuantitas kristal film tipis ZnO. Sedangkan meningkatnya konsentrasi doping Nd

di atas 1%

Terbentuk puncak lain, hal ini menunjukkan intersisial Nd berlebihan sehingga

menekan pertumbuhan kristal ZnO. Menurut Nayak dkk. hal ini terkait dengan

konsentrasi doping Nd mempengaruhi stress pada film tipis ZnO. Kejadian serupa

juga telah diidentifikasi oleh Huang dkk pada tahun 2011.

Berdasarkan analisis tersebut dapat dikatakan konsentrasi doping Nd yang

tepat dapat meningkatkan kualitas film tipis kristal ZnO. Namun ketika

konsentrasi doping Nd diatas 1% kualitas kristal terdegradasi.

Gambar 2. menunjukkan morfologi mikrograf film tipis ZnO:Nd.

Hal ini menunjukkan bahwa semua sampel memiliki butiran padat. Butiran

tersebut pada dasarnya bulat, yang tumbuh secara istimewa sepanjang orientasi

sumbu-c tegak lurus terhadap substrat . Untuk Film tipis ZnO murni pada gambar

2. ( a ) , ukuran butiran rata-rata sekitar 59,85 nm dan distribusi ukuran lateral yang

tidak seragam. Adanya doping Nd akan memperkecil butiran. Doping 1 % Nd

pada film tipis ZnO meningkatkan keseragaman butiran, yang berarti bahwa

penggabungan 1 % Nd efektif meningkatkan sifat kristal film ZnO . Hasil ini

memperkuat hasil analisis difraksi sinar-X (XRD). Sedangkan pada konsentrasi

doping Nd diatas 1% tidak terjadi keseragaman besar butiran. Penelitian

sebelumnya mengungkapakan hal serupa oleh Chakraraboti dkk. pada tahun 2011.

2. Sifat Optik Film Tipis Zn:O.

Menurut Ahzan, dkk. pada film lapisan ZnO murni indeks bias dan band gap

sangat dipengaruhi oleh temperatur penumbuhan lapisan serta keseragaman

butiran kristal pada lapisan tipis. Kenaikan temperatur efektif meningkatkan nilai

transmitansi, hal ini disebabkan oleh hamburan optik oleh adanya pemadatan dan

penambahan butir yang terbentuk. Oleh sebab itu untuk mendapatkan kualitas

lapisan yang baik diperlukan pemanasan pada temperatur yang tinggi ( 5000 C ¿ .

Spektrum absorbansi film ZnO:Nd ditunjukkan pada Gambar . 3.

Berdasarkan gambar tersebut menunjukkan bahwa semua film memiliki

absorbansi tinggi di daerah ultraviolet. Ketika konsentrasi doping sebnyak 1 %.

Sampel memiliki intensitas absorbansi tertinggi. Sedangkan peningkatan

konsentrasi doping Nd tingkat absorbansi secara bertahap menurun. Sehingga

dapat dijelaskan bahwa, dengan meningkatnya konsentrasi doping Nd, puncak

absorbansi sampel bergeser ke arah panjang gelombang pendek. Optical band-gap

film Zn:O ditentukan oleh rumus berikut [ Lv dkk. ] :

( αhv ¿2=A (hv−Eg)

Dimana : A = Konstanta

α = Koefisien penyerapan optik

hv = Energi foton

Eg = Band gap optik

Dari fungsi α dapat diplot nila-nilai di daerah sekitar band gap semikonduktor

dalam sebbuah grafik yang sumbu vertikalnya adalah ( αhv ¿2 atau ¿) dan sumbu

datarnya adalah hv atau hc⋀

( Ahzan, dkk.). Berdasarkan perhitungan diperoleh

band gap sebesar 3.23 eV. Ketika konsentrasi doping Nd meningkat dari 1 %

menjadi 5 % , band gap secara bertahap meningkat . Hal ini terkait dengan efek

ukuran kuantum serta kuat interaksi antara Zn oksida dan Nd . Penelitian

sebelumnya mengungkapkan bahwa efek doping Nd pada optical band gap ZnO

sangat berbeda . Misalnya, Zhou, dkk. pada tahun 2010. Preparasi nanopartikel

ZnO:Nd dengan berbagai konsentrasi doping Nd dengan metode gel-gel dan

menemukan bahwa band gap secara bertahap meningkat dengan konsentrasi

doping Nd yang meningkat . Tapi menurut Liu, dkk. pada tahun 2010

menemukan bahwa doping Nd secara efektif dapat menurunkan band gap ZnO.

Perbedaan tersebut terkait erat dengan temperatur dan lingkungan tempat

penumbuhan kristal. Gambar 3. menunjukkan doping 1% Nd pada film tipis ZnO

memiliki transmisi sangat baik pada wilayah cahaya visible.

Spektra foto luminescense dari film tipis ZnO:Nd menunjukkan pada panjang

gelombang 325 nm pada temperatur kamar.

Berdasarkan grafik tersebut menandakan bahwa kristal memiliki emisi sinar UV

yang kuat berpusat pada 377 nm dan emisi cahaya hijau yang kuat berpusat di 511

nm. Terlihat jelas bahwa intensitas emisi ultraviolet meningkat ketika film tipis

ZnO didoping dengan 1 % Nd . Hal ini karena doping 1 % Nd meningkatkan

kualitas Kristal ZnO , sehingga meningkatkan kepadatan free exciton. Terlebih

lagi , doping 1 % Nd pada ZnO - memiliki rasio terbesar antara intensitas emisi

ultraviolet dengan intensitas emisi visible, yang menegaskan bahwa doping 1 %

Nd secara efektif mengurangi cacat pada kristal ZnO , sehingga meningkatkan

kualitas kristal . Namun, ketika doping Nd di atas 1 % , intensitas emisi ultraviolet

berkurang . Kemungkinan alasannya adalah karena penurunan kualitas kristal film

tipis ZnO . Hasil yang sama juga ditemukan pada doping Mg ( Hammad, dkk.

2011 ) dan doping Al ( Cao, dkk. 2011 ) yang diolah menjadi struktur nano ZnO.

Adanya peningkatan emisi sinar hijau oleh doping Nd dapat dijelaskan bahwa

adanya kekosongan pada atom oksigen sehingga peluang terjadinya perpindahan

elektron meningkat.

Menurut Zhen, dkk. pada tahun 2013 bubuk ZnO:Nd memiliki efek fotokatalik,

Gambar 5. menunjukkan efek fotokatalik pada berbagai konsentrasi doping Nd.

Terlihat bahwa doping Nd meningkatkan aktifitas katalitik ZnO terhadap larutan

metil orange. Akan tetapi, aktivitas fotokatalik terlihat sangat signifikan pada

konsentrasi doping Nd sebanyak 3% .

III. Penutup

A. Kesimpulan

Film tipis ZnO:Nd dapat dibuat dengan metode sol - gel. Spektrum XRD

menunjukkan bahwa semua film struktur kristal heksagonal. Karakterisasi morfologi

permukaan dilakukan dengan scanning probe mikroskop. Hasil penelitian menunjukkan

bahwa kepadatan partikel permukaan meningkat.

Temperatur penumbuhan lapisan film sangat memengaruhi hasil permukaan dimana

kualitas kristal terbentuk dengan baik pada temperatur 5000 C.

Band gap film bergeser ke panjang gelombang pendek, yang menunjukkan bahwa

band gap film meningkat. Pengukuran spektrum fotoluminesen menunjukkan bahwa

semua sampel memiliki emisi ultraviolet berpusat di 377 nm dan emisi hijau berpusat di

511 nm. Intensitas emisi ultraviolet meningkat dengan baik ketika doping Nd sebesar 1 %

dan intensitas emisi hijau secara bertahap meningkat dengan meningkatnya konsentrasi

doping Nd. Bubuk ZnO memiliki sifat fotokatalitik dimana efektifitasnya meningkat

dengan adanya doping Nd

Daftar Pustaka

Ahzan, S., dkk, Sintesis Lapisan ZnO Metode Sol – Gel Spincoating dan

Karakterisasi Sifat Optiknya, Fisika MIPA Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya.

Smallman, R. E. dan Bishop, R. J. (2000), Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa

Material, Erlangga, Jakarta.

Xian, F., dan Li, X., ( 2012 ), Effect of Nd doping level on optical and structural properties of ZnO:Nd thin films synthesized by the sol–gel route. Elsevier Optics and laser technology 45 ( 2013 ) 508 – 5012.

Zhao, Z., dkk, ( 2013 ), Optical properties and photocatalytic activity of Nd-doped ZnO powders. Elsevier Trans. Nonferrous Met. Soc. China 24(2014) 1434-1439.