I. TUJUAN1. Memahami penggunaan software WinSpall2. Memahami peristiwa Attenuation Total Reflection (ATR)3. Menentukan nilai indeks bias dan ketebalan lapisan tipis

II. TEORI DASAR2.1. Hukum SnelliusHukum Snellius adalah rumus matematika yang memberikan hubungan antara sudut datang dan sudut bias pada cahaya atau gelombang lainnya yang melalui batas antara dua medium isotropik berbeda, seperti udara dan gelas. Nama hukum ini diambil dari matematikawan Belanda Willebrord Snellius, yang merupakan salah satu penemunya. Hukum ini juga dikenal sebagai Hukum Descartes atau Hukum Pembiasan.[1]Hukum Snellius IAdapun bunyi Hukum Snellius I adalah :Jika suatu cahaya melalui perbatasan dua jenis zat cair, maka garis semula tersebut adalah garis sesudah sinar itu membias dan garis normal dititik biasnya, ketiga garis tersebut terletak dalam satu bidang datar.

Gambar 2.1. Pembiasan ketika n2>n1 (kiri). Pembiasan ketika n2_ n2). Pemantulan yang terjadi pada permukaan dengan medium yang mengabsorbsi mempunyai kesamaan dengan pemantulan pada medium dielektrik. Oleh karena cahaya yang digunakan adalah cahaya laser p-polarized maka pemantulan yang ditinjau adalah pemantulan dengan gelombang p (gelombang TM), seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3., dengan syarat batas yaitu kontinuitas pada Ez dan Hy yang dituliskan pada persamaan (1) dan (2).

Gambar 2.3. Pembiasan dan pemantulan dari gelombang p (TM)

(1)

(2)Selanjutnya koefisien pemantulan dari gelombang p dirumuskan seperti persamaan (3).

(3)Dengan Ep=0 menunjukkan hanya ada gelombang yang dibiaskan yaitu E2p yang berada pada medium 2 sebab gelombang p datang dari medium 1. dari persamaan (3) dan persamaan (2) dan mengasumsikan 2=1, diperoleh rumus Fresnel[3] seperti pada persamaan (4).

(4)Surface plasmon merupakan osilasi kolektif dari elektron bebas yang merambat pada film logam tipis[4]. Surface plasmon juga didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik yang merambat sepanjang interface lapisan logam tipis dan bahan dielektrik[5]. Eksitasi surface plasmon memerlukan divais kopling berupa prisma yang memiliki indeks bias tinggi. Panjang gelombang yang digunakan untuk eksitasi berada pada selang 630 1200 nm. Dengan menggunakan konfigurasi Kretschmann yang diperlihatkan pada gambar 2.4, substrat optik (prisma) dilapisi oleh lapisan logam dengan ketebalan sekitar 50 nm[5, 3].

Substrat Au

Gambar 2.4. Konfigurasi Kretschmann yang menggunakan prisma sebagai kopling sinar datang pada spektroskopi SPRAda dua cara yang biasa digunakan untuk membangkitkan SPR. Cara yang paling sering digunakan adalah menggunakan konfigurasi Otto dan cara yang kedua menggunakan konfigurasi Kretschmann. Pada konfigurasi Otto, lapisan dielektrik berada diantara prisma dan lapisan metal. Sedangkan pada konfigurasi Kretschmann, lapisan logam berada kontak langsung dengan prisma sedangkan lapisan dielektriknya menutupi lapisan logam tersebut. Pada praktikum ini digunakan konfigurasi Kretschmann.

Gambar 2.5. Surface plasmon resonance : (a) Otto configuration, (b) Kretschmann configuration, (c) a diffraction grating, dan (d) evanescent field at the interface.

Surface plasmon ditentukan oleh sifat dari prisma, logam dan medium dielektrik sekitar medium. Pada sudut sinar datang tertentu, elektron bebas dari logam beresonansi dengan cahaya datang, mengakibatkan reflektansi menurun tajam sampai kondisi minimum. Berdasarkan persamaan Maxwell, timbulnya surface plasmon mengakibatkan ketebalan (d ) dan konstanta dielektrik () dari medium yang berada disekitarnya akan berubah[5, 3]. Hal tersebut menyebabkan SPR merupakan metode yang sangat ideal untuk memonitor reaksi permukaan.Surface plasmon dibangkitkan oleh gelombang datang yang terpolarisasi dalam metode TM (tranverse magnetude)[5, 3]. Jika gelombang datang mengenai permukaan logam dielektrik, maka gelombang tersebut akan mengalami transmisi dan refleksi sesuai dengan hukum Snellius. Jika sudut datang membesar, intensitas cahaya pantul mencapai maksimum dan terjadi kondisi total internal reflection (TIR), yaitu suatu kondisi ideal dimana tidak ada gelombang yang dibiaskan. Nilai sudut datang yang menjadi batas terjadinya pemantulan total disebut sebagai sudut kritis (c). Pemantulan total hanya dapat terjadi pada satu nilai sudut kritis saja, diatas nilai sudut kritis akan terjadi pelemahan atau pengurangan intensitas sinar pantul. Kondisi ini disebut Attenuated total reflection (ATR). Surface plasmon terjadi pada kondisi ATR, karena pembangkitan surface plasmon memerlukan energi yang cukup besar dari gelombang datang.Prinsip kerja spektroskopi SPR berdasarkan pada reflektansi sinar laser yang terpolarisasi pada lapisan logam akibat pemantulan sempurna yang terjadi pada dasar prisma. Pada sudut sinar datang tertentu (sudut kopling), momentum sinar laser akan sama dengan momentum elektron pada logam. Pada kondisi ini, ion-ion logam akan terpisah dan bergetar di permukaan membentuk surface plasmon sehingga energi laser pada permukaan logam mencapai kondisi resonansi, akibatnya reflektansinya menjadi minimum. Kondisi tersebut menunjukkan bahwa panjang gelombang laser yang mengenai prisma seluruhnya diadsorp menghasilkan surface plasmon yang ditandai dengan timbulnya cahaya terang pada permukaan substrat Au. Perubahan nilai indeks bias yang dapat diamati pada SPR menandai proses pertumbuhan molekul dalam permukaan substrat emas.2.4. Konfigurasi Surface Plasmon ResonanceSet-up peralatan SPR umumnya berdasarkan konfigurasi yang diperkenalkan oleh Kretschmann[6]. Set-up peralatan SPR ditunjukkan pada Gambar 2.6. Bagian utama dari peralatan SPR adalah laser HeNe (= 632.8 nm), prisma simetris 90 _ yang berindeks bias tinggi (LaSFN9, n = 1.845 pada = 633 nm) dan fotodioda.[7]

Gambar 2.6. Set up sample holder pada peralatan SPR

Gambar 2.7.A six-phase multylayer system (not drawn to scale) , incorporated in the Kretschmann configuration of attenuated total reflection (ATR) SPR measurement.III. METODOLOGI3.1. Peralatan dan BahanPeralatan yang digunakan dalam percobaan adalah data parameter awal dari Modul, seperangkat komputer dan software yang digunakan ialah WinSpall dan Snipping Tools.

3.2. Uraian Kegiatan1. Menyalakan komputer2. Membuka software WinSpall3. Melakukan simulasi pada data Gold 1, dengan klik scan load load pilih data Gold 1 pada folder data pengukuran lalu close4. Memasukan estimasi nilai awal parameter untuk tiap lapisan, yaitu Prisma (d=0; r=3.405; i=0), lapisan Cr (d=5; r=-7.1; i=11), lapisan Au (d=48; r=-12.9; i=1.3), dan Udara (d=0; r=1; i=0) dengan klik simulation parameter masukkan data ok5. Fitting kurva literatur hasil percobaan dengan mensimulasikan secara manual dan iterativeSecara manual, klik simulation manualPengaruh perubahan parameter pada masing-masing lapisan :Cr d = menurunkan dan sedikit menggeser puncak resonansi ke kanan namun menaikkan nilai koefisien reflektansi r pada sudut TIR dan setelah resonansi r = menaikkan r pada sudut TIR dan setelah resonansi i = menaikkan r pada sudut TIR dan setelah resonansiAu d = menurunkan puncak resonansi dan r setelah resonansi namun menaikkan nilai r pada sudut TIRr = menggeser sudut puncak resonansi dan setelahnya ke kirii = menurunkan puncak resonansi namun menaikkan nilai koefisien reflectansi r pada sudut TIR dan setelah resonansiThiol d = menggeser sudut puncak resonansi dan setelahnya ke kananr = menggeser sudut puncak resonansi dan setelahnya ke kanani = menggeser sudut sebelum puncak resonansi ke kiriPolimer d = menaikkan dan sedikit menggeser puncak resonansi dan setelahnya ke kanan r = menggeser sudut keseluruhan kurva ke kanani = menurunkan nilai r keseluruhan kurvaSecara iterative, klik simulation iterativeChecklist parameter yang akan di-iterasi, lalu start6. Setelah kurva hasil simulasi fit dengan plot data hasil percobaan, save image kurva menggunakan snipping tool, dan save data pada folder praktikan.7. Melakukan percobaan untuk data lain, Gold 2-5.8. Melakukan percobaan untuk data Gold + Thiol dengan parameter awal dari hasil fitting data Gold 1-5.9. Melakukan percobaan untuk data Gold + Thiol + Polimer 1, 2, 4, dan 5 dengan parameter awal dari hasil fitting data Gold + Thiol 1, 2, 4, dan 5.

IV. PENGOLAHAN DATAGold 1 (c = 22.10; R = 25.51)

Gold 2 (c = 22.10; R = 25.52)

Gold 3 (c = 22.05; R = 25.2)

Gold 4 (c = 22.05; R = 25.64)

Gold 5 (c = 22.05; R = 25.46)

Gold + Thiol 1 (c = 22.09; R = 25.60)

Gold + Thiol 2 (c = 22.09; R = 25.60)

Gold + Thiol 3 (c = 22.09; R = 25.60)

Gold + Thiol 4 (c = 22.09; R = 25.60)

Gold + Thiol 5 (c = 22.09; R = 25.60)

Gold + Thiol + Polimer 1 (c = 22.12; R = 26.31)

Gold + Thiol + Polimer 2 (c = 22.09; R = 25.85)

Gold + Thiol + Polimer 4 (c = 22.12; R = 32.01)

Gold + Thiol + Polimer 5 (c = 22.15; R = 28.55)

Digunakan persamaan berikut untuk mencari nilai indeks bias n

; ;

Lapisand (nm)ri (nm)

n

Au19,7-7,0940,18924,61-8,31820,652720,109

16,74-10,3310,6091

6,78-0,6007-0,0145

45,6-11,87431,4767

34,23-11,69091,0033

Thiol5,412,58640,104116,66322,26960,085161,5342

5,733,37540,1868

56,441,334-0,0077

8,0661,82210,1228

7,672,22990,0198

Polimer2,7882,90170,002354,296536,2719-3,0576,2665

0,082132,304-15,555

1,9278,64893,3933

212,3891,233-0,0684

V. PEMBAHASAN HASILPada percobaan kali ini dilakukan simulasi Spektroskopi Suface Plasmon Resonance dengan cara mem-fitting kurva terhadap plot data literatur pada berbagai variasi lapisan menggunakan software WinSpall. Konfigurasi lapisan tipis yang digunakan adalah konfigurasi Kretschmann (Prisma-Logam-Dielektrik). Nilai awal parameter thickness d, konstanta dielektrik r dan i mengikuti nilai yang ditentukan di modul dan hasil simulasi sebelumnya (ex: Gold+Thiol 1 dari data fitting Gold 1) sebagai parameter pembentuk kurva awal. Masing-masing parameter pada tiap lapisan berpengaruh terhadap nilai kofisien reflektansi r dan sudut datang sinar . Nilai sudut datang yang menjadi batas terjadinya pemantulan total disebut sebagai sudut kritis (c). Nilai parameter yang tidak perlu diubah ialah pada prisma dan lapisan udara. Pada prisma jika diubah nilai r akan mempengaruhi nilai sudut edge of total internal reflection. Jika sudut datang membesar, intensitas cahaya pantul mencapai maksimum dan terjadi kondisi total internal reflection (TIR), yaitu suatu kondisi ideal dimana tidak ada gelombang yang dibiaskan pada lapisan Cr dan memiliki nilai koefisien reflektansi r (kemampuan untuk memantulkan berkas gelombang) yang tinggi. Kebalikannya, puncak pada kurva yang menunjukan kondisi terjadinya resonansi memiliki nilai koefisien reflektansi r yang sangat kecil, bahkan hampir mendekati nol. Namun nilai r pada puncak tersebut tidak akan bernilai nol, semakin tipis lapisan tempat terjadinya resonansi, maka semakin kecil nilai r. Pada sudut sinar datang tertentu (sudut kopling), momentum sinar laser akan sama dengan momentum elektron pada logam. Pada kondisi ini, ion-ion logam akan terpisah dan bergetar di permukaan membentuk surface plasmon sehingga energi laser pada permukaan logam mencapai kondisi resonansi, akibatnya reflektansinya menjadi minimum. Nilai indeks bias dari lapisan tipis yang mendukung terjadinya persitiwa SPR dapat diketahui melalui perhitungan dan bergantung pada nilai r dan i setelah fitting kurva. Nilai indeks bias pada lapisan pertama (setelah prisma) harus lebih besar dibanding nilai indeks bias lapisan setelahnya n2 < n1.

VI. KESIMPULAN1. Simulasi Spektroskopi Suface Plasmon Resonance dapat dilakukan dengan cara mem-fitting kurva terhadap plot data eksperimen pada berbagai variasi lapisan (multilayer) menggunakan software WinSpall.2. Pemantulan total hanya dapat terjadi pada satu nilai sudut kritis saja, diatas nilai sudut kritis akan terjadi pelemahan atau pengurangan intensitas sinar pantul. Kondisi ini disebut Attenuated total reflection (ATR).3. Nilai indeks bias n serta ketebalan d dari lapisan tipis pada Spektroskopi SPR dapat diketahui melalui perhitungan menggunakan persamaan dan bergantung pada nilai r dan i setelah fitting kurva.

DAFTAR PUSTAKA[1] https://fisikanyaman2.wordpress.com/2011/02/01/hukum-i-dan-ii-snellius/ (diakses 6 Mei 2015, 20:00)[2] Knoll W. Integrated optics for the characterization of photoreactive organic thin film. Pure Appl.Chem, 67(1):87-94, 1995.[3] Yeh P. Optical Waves in Layered Media. John Wiley and Sons, Inc, 1998.[4] Jason Quenneville. First Principles Studies of cis-trans photoisomerization dynamics and excited states in ethylene, stilbene, azobenzene and tatb. PhD thesis, University of illinois, 2003.[5] van Veggel F.C.J.M. Flink S. and Reinhoudt D.N. Sensor functionalities in selfassembled monolayers. Adv.Mater, 12(18):1315-1328, September 2000.[6] Kretschmann E. and Raether H. Z. Radiative decay of non-radiatif surface plasmon excited by light. Z.Naturforsch, 23:2135-2136, 1968.[7] Fitrilawati, Said Sesiria. 2006. Penggunaan Spektroskopi Surface Plasmon Resonance untuk Menentukan Ketebalan Monolayer. Jurusan Fisika, Unpad.

LAPORAN AKHIRPRAKTIKUM FISIKA MATERIAL IISpektroskopi Surface Plasmon Resonance (SPR)(MODUL 2.2)NAMA: Ahdan Salman SantikaNPM: 140310120025PARTNER: Heraldo YanindraNPM: 140310120015TANGGAL LAPORAN : Selasa, 5 Mei 2015WAKTU: 13.00 15.30 WIBNAMA ASSISTEN: Hilmi Z.

LABORATORIUM FISIKA MATERIALJURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS PADJADJARAN2015