106 Mukhtar Effendi, dkk/Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin Coating

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012

ISSN : 0853-0823

Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin Coating

Mukhtar Effendi* dan Bilalodin Program Studi Fisika, Universitas Jenderal Soedirman, Jl. Dr. Soeparno No. 61 Purwokerto, Kode Pos 53123, Indonesia *Corresponding author. E-mail: mukhtar.effendi@unsoed.ac.id, telp./fax: +62 281 638793

Abstrak Penelitian mengenai pengaruh konsentrasi doping nitrogen pada lapisan tipis TiO2 yang ditumbuhkan dengan metode spin coating terhadap energy gap nya telah dilakukan. Karakterisasi spektrum transmitansi dilakukan menggunakan spektrometer UV-Vis pada rentang panjang gelombang 300 nm-700 nm. Telaah karakteristik spektrum transmitansi menunjukkan bahwa penambahan doping nitrogen dapat mempersempit energy gap. Energy gap langsung dan tidak langsung paling sempit yang berhasil dicapai pada lapisan tipis TiO2 doping nitrogen dengan suhu annealing 500oC berturut-turut adalah 3,56 eV dan 3,37eV yaitu pada konsentrasi nitrogen sebesar 25%. Kata kunci: TiO2 doping nitrogen, transmitansi, Energy gap, spektrometer UV-Vis Abstract Nitrogen doped Titanium dioxide (TiO2) thin films have been successfully grown by using spin coating method with in variation concentration of nitrogen. Transmittance spectra were examined by using Uv-Vis spectrometer in the wavelength range of 300 nm 700 nm. Analysis of the transmittance spectra shows that nitrogen doping narrows the energy gap of TiO2 thin films. Moreover, the narrowest energy gap of Nitrogen doped TiO2 thin films under annealing temperature of 500oC yielded by the nitrogen doping concentration of 25%. Key words: Nitrogen doped TiO2, transmittance, energy gap, UV-Vis Spectrometer

I. PENDAHULUAN Titanium dioksida atau titania (TiO2) merupakan

semikonduktor yang memiliki titik leleh dan konstanta dielektrik yang tinggi. TiO2 dapat digunakan sebagai bahan utama dalam pembuatan alat-alat elektronik dan sensor. TiO2 murni memiliki energy gap yang lebar (3,2 eV-3,8 eV) sehingga hanya memiliki efisiensi fotokatalitik sebesar 5% dari energi matahari[1]. Agar penggunaan energi matahari dapat efektif, maka perlu dilakukan usaha untuk memperkecil energy gap dan memperbesar penyerapan cahaya yang salah satu caranya adalah menggunakan doping. Doping dapat diartikan sebagai penambahan pengotor pada material dengan tujuan untuk memodifikasi karakteristik elektroniknya[2].

Metode doping yang umum digunakan adalah menambahkan berbagai senyawa dye organik[3] dan mendoping semikonduktor dengan logam. Penambahan senyawa dye dapat mempersempit energy gap namun dapat memperkecil energi pita konduksi, sehingga dapat menurunkan aktivitas fotokatalitik. Doping semikonduktor dengan logam sangat berbahaya karena peka terhadap korosi dan mengandung racun[4].

Doping yang tidak membahayakan adalah menggunakan menggunakan doping non logam. Doping non logam yang ditambahkan umumnya adalah N, C, S, P dan F pada TiO2[5]. Dari berbagai unsur non logam tersebut, nitrogen adalah dopan yang paling efektif karena ukurannya yang tidak jauh berbeda dengan oksigen dan energi ionisasinya yang kecil. Selain itu, nitrogen juga dapat memperbaiki sifat optik TiO2

sehingga dapat meningkatkan kualitas lapisan tipis[6]. Dalam pendopingan nitrogen, para peneliti menggunakan amonia (NH3) ataupun bahan lain yang lebih sederana [5-7]. Dalam hal ini kami mencoba menggunakan urea yang memiliki rumus kimia CO(NH2)2 untuk di-doping-kan pada TiO2, dengan harapan bahwa elektron-elektron pada urea lebih leluasa bergerak dari satu atom ke atom yang lain sehingga berhasil mempersempit energy gap secara lebih signifikan.

Untuk fabrikasi lapisan tipis TiO2, beberapa metode sudah pernah digunakan, antara lain adalah Chemical Vapor Deposition (CVD), Solution Gelation (Sol-Gel), radio-frequency (r-f) sputtering dan Pulse Laser Deposition (PLD) [7]. Metode-metode tersebut memerlukan persyaratan-persyaratan yang cukup komplek. Sebagai alternatifnya, Spin coating merupakan metode fabrikasi yang dapat digunakan untuk menumbahkan lapisan tipis dengan kualitas yang baik dan murah, sehingga metode ini banyak digunakan[8].

Dalam mengkaji besarnya energy gap lapisan tipis yang diperoleh, akan digunakan metode optis, yaitu dengan melihat spektrum serapannya. Berdasarkan pemaparan di atas, maka tujuan penelitian adalah melakukan analisis optis terhadap lapisan tipis TiO2 didoping nitrogen yang ditumbuhkan dengan metode spin coating. II. METODE EKSPERIMEN

Penelitian ini dilaksanakan dalam tiga tahap. Tahap awal penelitian adalah menyiapkan bahan yang

Mukhtar Effendi, dkk/Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin Coating

107

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012

ISSN : 0853-0823

digunakan yaitu serbuk TiO2, substrat kaca (corning), urea, 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 nitrogen dan TiO2. Larutan nitrogen dibuat dengan variasi konsentrasi 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% dan 50% menggunakan aquades. Kemudian larutan TiO2 dibuat dengan konsentrasi 0,5 M. Konsentrasi 0,5 M didapat dari 0,39 gram bubuk TiO2 yang dicampur dengan 0,01 L akuades. 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. Setelah larutan nitrogen dan TiO2 selesai dibuat, kedua larutan tersebut dicampur dengan cara menuangkan larutan nitrogen ke dalam larutan TiO2. Campuran larutan diaduk selama 30 menit menggunakan magnetic stirer, kemudian dibiarkan selama 24 jam..

Tahap ketiga pembuatan lapisan tipis. Subtrat dibersihkan menggunakan etanol dan selanjutnya dikeringkan menggunakan hotplate selama 5 menit dengan temperatur 100 oC untuk menghilangkan uap air yang tertinggal. Proses pembuatan lapisan tipis dilakukan dengan cara mengambil 4 tetes larutan TiO2:N untuk diteteskan pada substrat yang sudah ditempatkan pada alat spin coating. Kemudian substrat yang telah ditetesi larutan TiO2:N diputar dengan tegangan 7 volt selama 15 detik (kecepatan putar 1371 rpm). Setelah dilakukan proses pemutaran menggunakan spin coating, langkah berikutnya adalah pemanasan awal (pre annealing) dengan menggunakan hotplate pada suhu 150 oC selama 30 menit. Pre annealing berfungsi untuk menghilangkan uap air pada lapisan tipis. Kemudian pemanasan (annealing) dilakukan dengan menggunakan furnace pada suhu 500 oC selama 8 jam. Proses annealing berfungsi untuk memperbaiki struktur kristal.

Pengukuran transmitansi menggunakan UV-Vis bertujuan untuk mengetahui pengaruh doping nitrogen terhadap sifat optik dan energy gap lapisan TiO2 doping nitrogen. Penentuan celah pita optik lapisan dapat ditentukan melalui spektrum transmitansi UV-Vis dengan metode Tauc Plot yaitu dengan menarik ekstrapolasi pada daerah linier dari grafik hubungan dan hingga memotong sumbu energi[9]. Perhitungan tersebut menggunakan persamaan mEghvAh )( = (1)

Dan dihitung dengan persamaan

T

dln1=

(2)

Indek bias lapisan tipis TiO2:N dapat dihitung menggunakan persamaan (3) dan (4), sedangkan ketebalan lapisan tipis menggunakan persamaan (5)[10].

22snNNn += (3)

21

22 +

+= smM

mMs

nTTTT

nN (4)

)(2 122121

nnd

= (5)

dengan d ketebalan lapisan (nm), 1 dan 2 adalah panjang gelombang pada masing-masing puncak, n1 dan n2 adalah indeks bias lapisan tipis pada masing-masing panjang gelombang 1 dan 2. III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Karakteristik Transmitansi Lapisan Tipis TiO2

doping Nitrogen Hasil pengukuran transmitansi optik dengan

spektrometer UV-Vis ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar tersebut 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 serapan optik yang cukup tinggi pada panjang gelombang tersebut.

300 400 500 600 700-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

TiO2:N(50%)

TiO2:N(45%)

TiO2:N(15%)

TiO2:N(30%)TiO2TiO2:N(35%)TiO2:N(20%)TiO2:N(40%)TiO2:N(10%)

TiO2:N(25%)

Tran

smita

nsi

Panjang gelombang (nm) Gambar 1. Transmitansi lapisan tipis TiO2 dan TiO2 doping

nitrogen dengan suhu annealing 500oC. B. Perhitungan Nilai Celah Optik (band gap)

Ilustrasi penghitungan nilai energy gap ditampilkan pada Gambar 2. Sedangkan rekapitulasi perhitungan energy gap TiO2 doping nitrogen dengan konsentrasi 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% dan 50% diperlihatkan pada Tabel 1.

Lebih lanjut, plotting pengaruh konsentrasi doping terhadap energy gap langsung dan tidak langsung (Tabel 1) ditampilkan pada Gambar 3.

Nitrogen adalah unsur golongan V yang berfungsi sebagai donor atau pengotor. Dengan demikian, hampir semua elektron donor akan masuk ke pita konduksi pada

108 Mukhtar Effendi, dkk/Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin Coating

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012

ISSN : 0853-0823

suhu kamar, Sehingga jika prosentase doping nitrogen meningkat, maka jumlah atom donor meningkat pula[11]. Namun demikian, hasil penilitian ini (Gambar 3) menunjukkan bahwa tidak ada hubungan linieritas antara konsentrasi doping nitrogen terhadap penurunan energy gap lapisan tipis TiO2. Meskipun terlihat bahwa doping nitrogen pada lapisan tipis TiO2 cenderung menyempitkan energy gap-nya.

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,52000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

3,37eV

(ahv

)1/2 (m

-1eV

)1/2

hv(eV) Gambar 2. Energy gap TiO2 : N(25%) dengan suhu

annealing 500 oC.

Tabel 1. Energy gap TiO2 dan TiO2 doping nitrogen dengan suhu annealing 500oC.

Konsentrasi doping (%)

Direct gap (eV)

Indirect Gap (eV)

0 3,59 3,57 10 3,57 3,47 15 3,57 3,57 20 3,57 3,55 25 3,56 3,37 30 3,58 3,52 35 3,58 3,46 40 3,58 3,39 45 3,58 3,49 50 3,58 3,57

Gambar 3. Pengaruh konsentrasi doping nitrogen terhadap

energy gap TiO2 langsung dan tidak langsung dengan suhu annealing 500 oC.

Tidak adanya hubungan linieritas konsentrasi doping

nitrogen terhadap penurunan energy gap mungkin

dikarenakan oleh tidak ada-nya korelasi linier antara banyaknya nitrogen dan kemampuan nitrogen untuk mensubstitusi oksigen [12] pada TiO2. Jadi, walaupun nitrogen yang di doping banyak, nitrogen yang mampu mensubstitusi oksigen pada TiO2 tetap pada jumlah tertentu saja, atau dengan kata lain terjadi kejenuhan doping nitrogen pada lapisan TiO2.

Lebih jauh, konsentrasi doping nitrogen yang optimum untuk mendapatkan energy gap lapisan tipis TiO2 yang paling sempit adalah pada saat konsentrasi doping nitrogen sebesar 25 % yaitu nilai energy gap sebesar 3,37 eV. Penyempitan energy gap ini disebabkan oleh munculnya level energy baru di antara pita valensi dan pita konduksi yang disebabkan oleh adanya doping nitrogen [11]. Level energy baru ini terletak di dekat (sedikit di atas) pita konduksi [5].

IV. KESIMPULAN Berdasarkan hasil dan pembahasan penelitian yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa:

1. Telah berhasil dibuat lapisan tipis TiO2 doping nitrogen di atas substrat kaca menggunakan teknik spin coating.

2. Energy gap langsung lapisan tipis TiO2 doping nitrogen dengan suhu annealing 500oC paling sempit sebesar 3,56 eV dan energy gap tidak langsung sebesar 3,37 eV dapat dicapai pada konsentrasi doping 25%.

UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih diucapkan kepada Vita Efelina atas bantuannya dalam penelitian dan Nasrokhah atas bantuan penyiapan peralatan sehingga penelitian dapat terlaksana. PUSTAKA [1]. Indah, A. A., Distribusi Celah Pita Energi Titania

Kotor, Jurnal Nanosains dan Nanoteknologi,. ISSN 1979-0880, 2009, hal 38-42.

[2]. Hendri Widiyandari, Maman Budiman. Pengaruh laju aliran gas N2 terhadap sifat optik film tipis GaN yang ditumbuhkan dengan teknik Pulsed Laser Deposition (PLD). Berkala Fisika Vol 7, No. 1, 2004, hal 28-34.

[3]. Fotini Kiriakidou, Dimitris I. Kondarides. The effect of operational and TiO2 doping on the photocatalityc degradation of azo-dyes. Catalysis today, 54, 1999, pp. 119-130. .

[4]. Choi W.Y., Termin A., Hoffmann M.R, The Role of Metal Ion Dopants in Quantum-Sized TiO2: Correlation between Photoreactivity and Charge Carrier Recombination Dynamics , J. Phys Chem, Volume 98. 1994, pp.1366913679,.

[5]. Adriana Zaleska. Doped- TiO2, Recent Patents on Engineering, Vol 2, 2008, No.3. pp.157-164,.

[6]. LI Jin-long, MA Xin-xin, SUN Ming-ren, LI Xiao-min, SONG Zhen-lun, Structure and visible photocatalytic of nitrogen-doped meso-porous

0 10 20 30 40 503,35

3,40

3,45

3,50

3,55

3,60

indirect gap

direct gap

Eg (e

V)

Konsentrasi N (%)

Mukhtar Effendi, dkk/Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin Coating

109

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012

ISSN : 0853-0823

TiO2 layer on Ti6A14V substrate by plasma-based ion implantation, Non ferous. Met. Soc. China 19, 2009, pp. s665-s668.

[7]. Lei Zhao, Qing Jiang, Jianshe Lian, Visible-light photocatalytic activity of nitrogen-doped TiO2 thin film prepared by pulsed laser deposition, Applied Surface Science 254, 2008, pp. 4620-4625.

[8]. Bilalodin. 2004. Pembuatan dan Karakterisasi Film Tipis PbTiO3. Makalah Seminar Hasil Penelitian Dosen. Purwokerto.

[9]. J. Tauc et al. Optical Properties and electronic structure of Ge phys. Stat. Sol. 15, 1966, p. 627..

[10]. Pimpabute, N. Burinprakhon,T. Somkhunthot, W. Determination of optical constants and thickness of amorphous GaP thin film. Optica Applicata, Vol. XLI, No. 1, 2011.

[11]. Takeshi morikawa, Ryoji Asahi, Takasi ohwaki, Koyu aoki. Visible-light Photocatalyst-Nitrogen-doped Titanium Dioxide. R&D Review of Toyota CRDL Vol.40 No. 3. 2003, hal 45-49.

[12]. Fessenden, Fessenden. Kimia Organik. (Terjemahan Aloysius Hadyana Pudjaatmaka). Edisi ketiga. Jakarta: Penerbit Erlangga, 1992.

TANYA JAWAB Moh. Toifur, UAD ? Jelaskan sekali lagi proses doping ? Metode spin coating I-V meragukan, seharusnya

bukan polinon orde banyak Mukhtar E, UNSOED Proses doping dilakukan dengan cara mencampurkan larutan TiO2 dan larutan dopant baru setelah itu deteteskan di substrate dan dilakukan proses Spin Coating. Pertanyaan tidak relevan, karena tidak ada fitting I-V pada presentasi saya.

Friansyah Virgo, UGM Komentar : Hanya mengoreksi ungkapan penyaji bahwa garis pada kurve crossplot adalah tegak lurus dan berpotongan dengan absis. Padahal yang betul garis tersebut adalah garis singgung yang dipotongkan dengan absis. Mukhtar E, UNSOED Terimakasih, memang yang saya maksudkan adalah garis singgung.