Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY 241

ISSN 0853-0823

Kajian Fenomena Surface Plasmon Resonance pada Lapisan Tipis PEDOT:PSS sebagai Sensor Gas Ammonia

Muhammad Arifin1, Kamsul Abraha2

Jurusan Fisika FMIPA UGM Sekip Utara, Yogyakarta 55281 1slarongman@yahoo.com, 2kamsul@ugm.ac.id

Abstrak Telah dilakukan pengembangan sensor optik berbasis surface plasmon resonance (SPR) untuk mendeteksi gas ammonia (NH3) dengan lapisan tipis PEDOT:PSS sebagai lapisan aktifnya. Surface plasmon dibangkitkan dengan prisma terkopling dalam konfigurasi Kretschmann. Ketika cahaya laser HeNe (= 632.8 nm) disinarkan pada sistem prisma-Au-PEDOT:PSS, intensitas reflektansi akan menjadi nol saat terjadi kopling antara konstanta gelombang surface plasmon dan konstanta gelombang evanescent dari cahaya laser, dinamakan sudut SPR yang sangat sensitif terhadap perubahan indeks refraksi. Analisis perubahan intensitas reflektansi dapat dijelaskan sebagai akibat perubahan konduktivitas dan permitivitas lapisan tipis PEDOT:PSS. Kata kunci: surface plasmon resonance, sensor gas, PEDOT:PSS, amonia

I. PENDAHULUAN

Amonia atau NH3 adalah gas dengan bau tajam yang khas (disebut bau amonia). Walaupun amonia memiliki sumbangan penting bagi keberadaan nutrisi di bumi, amonia sendiri adalah senyawa kaustik dan dapat merusak kesehatan. Administrasi Keselamatan dan Kesehatan Pekerjaan Amerika Serikat memberikan batas 15 menit bagi kontak dengan amonia dalam gas berkonsentrasi 35 ppm volum, atau 8 jam untuk 25 ppm volume. Kontak dengan gas amonia berkonsentrasi tinggi dapat menyebabkan kerusakan paru-paru dan bahkan kematian [1].

Semikonduktor organik termasuk polimer yang memiliki potensial yang sangat besar, harga rendah dan fleksibel digunakan dalam elektronika [2]. Poli (3,4-ethylenedioxythiophene): poli (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS), salah satu polimer konduktif, telah digunakan dalam berberapa aplikasi seperti antistatic coating, lapisan transport-hole dalam OLED (organic light-emitting diode) dan sebagai tinta konduktif [2,3]. Secara khusus, PEDOT: PSS dan polimer konduktif lain telah diteliti sebagai sensor kimia dan biologi, karena memiliki biokompatibilitas tinggi, sifat kimia dan fisika yang mudah disintesis, sensitifitas tinggi dan waktu respon pendek, dan fabrikasi suhu rendah pada substrat yang fleksibel [4-7].

Salah satu metode untuk mendeteksi gas berbasis optik adalah surface plasmon resonance (SPR). Gelombang surface plasmon (SP) adalah gelombang elektromagnetik terpolarisasi-p atau transverse magnetic (TM) yang merambat sepanjang interface logam dan dielektrik. Gelombang SP menjalar paralel pada interface dan meluruh secara eksponensial dalam arah normal logam dan dielektrik. Konfigurasi untuk mengeksitasi gelombang SP dalam permukaan logam dengan metode prisma terkopling telah didemonstrasikan oleh Otto dan Kretschmann menggunakan prinsip attenuated total reflection (ATR). Gelombang SP dapat digambarkan sebagai osilasi muatan bersama rapat elektron pada interface logam dan dielektrik. Saat terjadi resonansi SP, pantulan cahaya akan menurun tajam pada lapisan logam yang dideposisikan pada permukaan prisma. Kondisi resonansi terjadi ketika komponen tangensial vektor gelombang datang (evanescent

wave) sama dengan bagian real vektor gelombang surface plasmon atau

12

1 2

1 2

2 2sinp SPRn

+ (1)

dengan pn adalah indeks bias prisma, SPR adalah sudut SPR dimana terjadi dip (penurunan) intensitas pantulan, 1 dan 2 adalah konstanta dielektrik lapisan logam dan dielektrik [8].

Pantulan untuk sistem 4 layer dalam konfigurasi Kretschmann (prisma-Au-PEDOT:PSS-udara) berdasarkan formula Fresnel untuk polarisasi p diberikan oleh [9]

2 2

2 2

2212 234

212 2341

z

z

i K d

i K d

r r eRr r e+= + (2)

3 3

3 3

223 34

234 223 341

z

z

i K d

i K d

r r err r e+= + (3)

zj zjzi ziij

i j i j

K KK Kr = +

(4)

( )1 22 22 sinzi i pK n = (5) dengan rij adalah koefisien pantulan pada interface medium i dan medium j, Kzi adalah komponen vektor gelombang datang yang tegak lurus permukaan, di dan i (i=1,2,3,4) adalah ketebalan dan konstanta dielektrik medium ke-i.

Dalam penelitian ini, lapisan tipis PEDOT:PSS akan dideposisikan pada lapisan logam. Karena keberadaan lapisan sensing PEDOT:PSS, sudut resonansi (sudut SPR) akan berubah sebanding dengan kenaikan ketebalan lapisan PEDOT:PSS. Pada sudut resonansi, terjadi perubahan intensitas pantulan sudut datang yang nilainya melemah. Apabila diberikan gas analit, kurva pantulan minimum akan bergeser, yang mengindikasikan keberadan gas analit [10].

II. METODE PENELITIAN A. Simulasi kurva SPR

Sebelum memulai eksperimen, digunakan simulasi kurva SPR untuk sistem prisma-Au-PEDOT:PSS pada panjang

242 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY

ISSN 0853-0823

gelombang 632 nm menggunakan program Matlab seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Simulasi kurva SPR digunakan pada beberapa variasi ketebalan lapisan PEDOT:PSS dengan indeks bias tetap. Berdasarkan hasil simulasi, sudut SPR meningkat sebanding dengan ketebalan lapisan tipis PEDOT:PSS.

Gambar 1. Simulasi kurva SPR.

B. Persiapan layer sensing SPR

Penumbuhan lapisan tipis Au, ( )1.8377 3.43125n i= +% sebagai pembangkit surface plasmon dilakukan pada prisma setengah silinder (n=1,5) menggunakan vacuum evaporator JEE-4X pada tekanan 32 10 Pa pada arus 55 A dengan digunakan massa 25 mg. PEDOT:PSS produk CLEVIOS PH 500 ( )1.492 0.029n i= +% dideposisi di atas lapisan emas sebagai lapisan sensing menggunakan spinner coat SPC2-5k pada kecepatan 2000 rpm dengan volume 0.1 ml.

C. Pengamatan fenomena SPR

Fenomena SPR dapat diamati menggunakan set-up seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Sinar laser HeNe (HRP005S dengan 632.8 nm = ) dilewatkan melalui polarisator untuk mendapatkan gelombang terpolarisasi-p atau transverse magnetic (TM). Beam splitter digunakan untuk memecah gelombang menjadi dua bagian yang salah satunya sebagai referensi kestabilan intensitas laser (detektor 1). Sinar kedua diarahkan menuju prisma yang sebelumnya difokuskan oleh lensa positif. Pantulan sinar dari prisma akan ditangkap detektor 2 (laser power meter, LP1). Untuk mengamati fenomena SPR, dilakukan pengamatan reflektansi sinar pada perubahan sudut datang sebesar 0.1 derajat.

Gambar 2. Set-up pengamatan fenomena SPR.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil penelitian ditunjukkan pada Gambar 3. Untuk sistem prisma-Au, resonansi terjadi sudut datang sebesar

45.80.1. Apabila dibandingkan dengan kurva hasil simulasi, sudut SPR 45,8 terjadi pada ketebalan Au sebesar 16 nm yang berarti ketebalan lapisan tipis Au hasil evaporasi kurang dari ketebalan optimum. Perbedaan intensitas pantulan (reflektansi) terjadi karena dalam simulasi menggunakan persamaan (2) yang tidak memperhitungkan adanya absorpsi pada sitem prisma-Au.

Gambar 3. Perbandingan kurva SPR hasil simulasi dan penelitian

sistem prisma-Au dalam konfigurasi Kretschmann. Setelah prisma-Au dideposisi PEDOT:PSS menggunakan

spinner coat, diamati reflektansi terhadap perubahan sudut datang dan kurva SPR yang didapat ditunjukkan pada Gambar 4. Lapisan tpis PEDOT:PSS hasil deposisi tidak menunjukkan keseregaman ketebalan lapisan. Untuk itu, diambil dua pengamatan pada titik yang berbeda.

Gambar 4. Kurva SPR sistem prisma Au-PEDOT:PSS.

Pada titik pengamatan pertama (TP1) diperoleh sudut

SPR sebesar 51.20.1 dan pada titik pengamatan kedua (TP2) sudut SPR yang diperoleh adalah 49.80.1. Keberadaan lapisan tipis PEDOT:PSS menyebabkan pergeseran sudut SPR yang terjadi karena perubahan konstanta gelombang surface plasmon dan pengaruh ketebalan lapisan tipis PEDOT:PSS. Pada TP1 kurva SPR cenderung lebih tebal dibandingkan dengan kurva SPR pada TP2 yang ditandai dengan pergeseran sudut SPR yang lebih besar yakni 5.4 untuk TP1 dan 4 untuk TP2. Adanya pergeseran sudut SPR pada sistem Au-PEDOT:PSS menunjukkan sensitifitas metode SPR.

IV. KESIMPULAN

Fenomena SPR dapat diamati pada lapisan tipis Au yang dideposisi pada prisma dalam konfigurasi Kretschmann. Adanya kopling antara vektor gelombang datang (evanescent wave) dan vektor gelombang (surface plasmon)

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY 243

ISSN 0853-0823

menyebabkan penurunan intensitas pantulan pada sudut SPR. Penambahan lapisan tipis PEDOT:PSS menyebabkan terjadinya pergeseran sudut SPR yang menunjukkan sensitifitas SPR. UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada Dr. Kuwat Triyana yang telah menyendiakan sampel PEDOT:PSS sebagai bahan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Toxic FAQ Sheet for Ammonia dipublikasikan oleh Agency for

Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR), 2004. [2] G.F. Jonas, D. Freitag, and H. Pielartzik, Poly(3,4-

ethylenedioxythiophene) and Its Derivatives: Past, Present, and Future J. Reynolds, Adv. Mater., vol. 12, pp. 481-494, 2000.

[3] S. Kirchmeyer, K. Reuter, Scientific importance properties and growing appllications of poly(3,4-ethylenedioxithiophene), J. Mater. Chem., vol. 15, pp. 2077-2088, February 2005.

[4] J.T. Mabeck, G.G. Malliaras, Chemical and biological sensors based on organic thin-film transistors, Anal. Bioanal. Chem., vol. 384, pp. 343-353, 2006.

[5] D. Bernards, R. Owens, G. Malliaras, Organic Semiconductors in Sensor Application, Springer Verlag, 2008.

[6] H. Bai and G. Shi, Gas Sensors Based on Conducting Polymers, Sensors, vol., 7, pp. 267-307, 2007.

[7] Y. Wang, Research progress on a novel conductive polymerpoly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), J. Phys. Conf. Ser., vol. 152, 2009.

[8] H. Raether, Surface plasmons and smooth and rough surfaces and on grating, Springer Tracts in modern physics, vol. 111, 1988, chap.2

[9] C.H. Liao, C.M. Lee, L.B. Chang and J.H. Tsai, Effect of a metal film and prism dielectric on properties of surface plasmon resonance in a multilayer system, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 36, pp. 1105-1111, 1997.

[10] C. Sih, M. O. Wolf, D. Jarvis and J. F. Young, Surface-plasmon resonance sensing of alcohol with electrodeposited polythiophene and gold nanoparticle-oligothiophene films, J. Appl. Phys., vol. 98, 2005.

TANYA JAWAB Satwiko (UNJ) ? Dalam simulasi yang ditampilkan untuk berapa layar? Muhammad Arifin @ Untuk sistem Au ada 3 layer : Prisma-Au-udara. Reflektansi pada sistem prisma-Au-PEDOT:PSS-udara = 4 layer. (dapat dilihat pada Gambar 3)