BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang
Penelitian OFET (Organic Field Effect Ttransistor) yang dimanfaatkan untuk aplikasi sensor gas intensif sejak dasawarsa ini. OFET adalah transistor FET yang menggunakan bahan semikonduktor organik, dimana sambungan antara logam semikonduktor organik dipengaruhi oleh adanya efek medan listrik (Horowitz, 1998). Permulaan OFET diproduksi dengan bahan polythiophene film pada akhir tahun 1970. Hal ini memungkinkan fabrikasi film tipis (orde mikrometer) organik dengan jarak molekul lebih kecil. OFET mempunyai keunggulan dibandingkan dengan transistor FET dari bahan anorganik silikon, yaitu: piranti elektronika ramah lingkungan, mudah fabrikasinya, hemat energi operasionalnya dan beroperasi pada suhu ruang. Mobilitas pembawa muatan sensor gas dari bahan anorganik umumnya masih rendah. Rendahnya mobilitas pembawa muatan dikarenakan belum diteliti struktur senor gas berbasis film tipis secara optimal. Sensor gas berstruktur OFET seperti dalam penelitian ini merupakan upaya memperbaiki mobilitas pembawa muatan, waktu tanggap dan waktu pemulihan. Perkembangan sensor gas pada saat sekarang ini berstruktur dioda dan hanya terdiri 2 terminal elektroda yang digunakan sebagai kontak resistansi. Sensor gas ini mempunyai satu nilai mobilitas pembawa muatan, sebab medan listrik yang terjadi dalam lapisan aktif semikonduktor tidak dapat divariasi. Mobiliatas pembawa muatan semikonduktor berkaitan dengan tanggap sensor gas. Sensor gas yang memiliki satu nilai mobilitas pembawa muatan, maka sensor gas tersebut hanya dapat mendeteksi gas tertentu saja. Sensor gas berstruktur OFET yang dibuat dalam penelitian ini didasarkan pada transistor efek medan organik dengan menggunakan adanya 3 terminal yang berfungsi sebagai switch mikroelektronik. OFET merupakan transistor yang prinsip kerjanya berdasarkan efek medan listrik sebagai hasil dari tegangan kedua ujung terminalnya. Mekanisme prinsip kerja dari transistor ini berbeda dengan transistor BJT (Bipolar Junction Transistor). Pada transistor OFET arus yang terjadi dapat dikontrol dari terminal drain (D) dan dihasilkan tegangan antara gate (G) dan source (S). Divais OFET ini dapat dikatakan sebagai transistor yang berfungsi sebagai converter tegangan ke
1
aliran arus. Alat deteksi gas yang mempunyai sensitivitas terhadap gas adalah sensor gas dari material semikonduktor (Min, 2003). Sensor gas berbagai macam gas sangat pesat perkembangannya dekade terakhir ini. Hal ini disebabkan sensor gas cenderung lebih murah, kecil dan mobile dari instrumen analitis tradisional saat ini. Beberapa contoh pengembangan sensor gas, antara lain: untuk monitoring proses pembakaran dan emisi gas kendaraan bermotor, deteksi asap, memonitor emisi gas proses industrl seperti pembangkit listrik dan degradasi oli mesin (Dickert et al., 2001). Pada saat ini film tipis sebagai aplikasi sensor gas yang lebih praktis dan mempunyai sensitivitas tinggi terus dikembangkan, salah satunya adalah film tipis dari bahan semikonduktor CuPc (copper phthalocyanine). Film tipis ini diharapkan dapat bekerja secara optimum pada suhu ruang sebagai sensor gas. Deteksi gas didasarkan pada peristiwa oksidasi reduksi yang terjadi antara permukaan film tipis dengan gas. Namun permasalahan sering muncul berkaitan dengan pembuatan sensor gas adalah waktu tanggap yang masih lambat, yaitu: 2 menit (Maggioni et al., 2008). Dalam penelitian berupaya untuk meningkatkan waktu tanggap yang masih lambat dengan membuat sensor gas yang berstrutur OFET berbasis film tipis CuPc. Bahan CuPc sangat menarik untuk diteliti dan dikaji, sebab mempunyai kepekaan tinggi terhadap oksidasi gas. Perkembangan sensor gas membutuhkan pengetahuan tentang struktur dan bahan semikonduktor untuk lapisan aktifnya. Kenyataan menunjukkan struktur lapisan aktif sangat berpengaruh terhadap karakteristik sensor gas (Mirwa et al, 1995). Bahan phthalocyanine dan paduannya memiliki aspek potensi komersial yang baik dan menawarkan aplikasi lebih unggul dibanding dengan Si. Bahan ini juga memperlihatkan kepekaan tinggi pada elektron akseptor gas dan absorpsi pada permukaan kristal yang diikuti reaksi transfer muatan. Pengembangan teknologi membawa kemajuan kehidupan manusia, akan tetapi juga berdampak negatif bagi lingkungan hidup. Hal ini terlihat pada proses penurunan kualitas udara akibat pencemaran dari emisi kendaraan bermotor, seperti karbon dioksida (CO2 ). Disamping itu limbah industri juga sebagai penyebab adanya pencemaran udara. Kehadiran berbagai jenis gas tersebut pada tingkat tertentu telah semakin mengkhawatirkan kehidupan makhluk hidup. Terkait dengan fenomena tersebut, diperlukan upaya melalui penelitian untuk menghasilkan produk teknologi yang dapat digunakan untuk mendeteksi gas beracun secara dini. Gas CO2 di atmosfer menyerap energi infra merah dan meneruskan panas pada lingkungan sekitarnya melalui proses getaran, hal ini terjadi apabila suhu udara
2
naik. Jika konsentrasi CO2 di atmosfer meningkat, maka suhu udara sekitarnya juga meningkat. Peningkatan konsentrasi gas CO2 disebabkan aktivitas manusia melalui proses pembakaran hidrokarbon dan karbon, antara lain: batubara, metana CH4 , bensin dan minyak tanah menyebabkan terjadinya pemanasan global (George et al, 2010). Dengan demikian sensor gas sangat dibutuhkan untuk mengukur keluaran gas CO2 pada saat pembakaran, sehingga memberikan informasi jumlah gas CO2 yang dihasilkan oleh kegiatan tersebut. Konsentrasi gas CO2 di atmosfer terjadi peningkatan sejak tahun 1958 dan diperkirakan terus meningkat selama manusia melakukan aktivitas pembakaran bahan bakar fosil. CO2 menyebabkan gangguan kesehatan manusia, seperti rasa mengantuk dan sesak napas pada konsentrasi cukup tinggi. Rincian berkaitan pengaruh konsentrasi dan waktu paparan CO2 terhadap gangguan kesehatan ditunjukkan Tabel 1.1. Adaptasi terhadap peningkatan konsentrasi CO2 udara lingkungan dapat terjadi pada manusia. Inhalasi CO2 yang berkelanjutan dapat ditoleransi pada konsentrasi inspirasi 3%, paling sedikit dilakukan selama satu bulan dan konsentrasi insiparsi 4% selama lebih dari satu minggu. Penurunan kinerja atau aktivitas fisik yang normal tidak terjadi pada tingkat konsentrasi ini (Lambertsen, 1971). Tabel 1.1: Pengaruh konsentrasi dan waktu paparan CO2 di atmosfer bagi kesehatan Konsentrasi CO2 dan waktu paparan 0,035% (3,3 - 5,4 )% selama 15 menit 7,5% selama 15 menit
3% selama lebih 15 jam 10% selama 1,5 menit Lebih besar dari 10%
30%
Pengaruh pada kesehatan (gejala) Udara dalam kondisi segar dan efek tidak terlihat Meningkatkan kedalaman pernafasan Perasaan ketidakmampuan bernapas, peningkatan denyut nadi, sakit kepala, pusing, berkeringat, gelisah, disorientasi dan distorsi visual. Menurunnya penglihatan pada malam hari dan kepekaan warna mata berkedip, aktivitas otot meningkat dan terjadi sentakan Kesulitan bernafas, mual, muntah, gangguan pendengaran, rasa mencekik dan setelah 15 menit hilang kesadaran Tidak sadar, kejang-kejang dan kematian disebabkan konsentrasi CO2 lebih 20%
Sumber: www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/global.html (2015)
3
Gas CO2 merupakan gas yang sangat berbahaya bagi kehidupan manusia sehingga keberadaan gas tersebut harus terdetesi seawal mungkin. Oleh karena itu ketersediaan sensor gas sangat vital, terutama untuk mendeteksi secara dini adanya gas CO2 . Penelitian ini berfokus pada pembuatan OFET berbasis film tipis CuPc yang diaplikasikan sebagai sensor gas untuk mendeteksi gas CO2 . Rencana aplikasi sensor gas yang lebih jauh dapat dimanfaatkan untuk deteksi gas beracun dari sistem pembakaran, seperti: emisi gas buang kendaraan bermotor dan gas buang pabrik. Terkait parameter sensor gas secara lebih spesifik, unsur kebaharuan penelitian ini terletak pada studi sistematis terhadap pengaruh struktur sensor gas. Sensor gas dengan struktur OFET akan menghasilkan waktu tanggap yang lebih baik dari pada sensor gas yang berkembang pada saat ini. 1.2
Permasalahan
Ketersediaan sensor gas sangat vital, terutama untuk mendeteksi secara dini adanya gas CO2 . Oleh karena itu penelitian ini berfokus pada pembuatan OFET berbasis film tipis CuPc yang diaplikasikan sebagai sensor untuk mendeteksi gas CO2 . Dengan mengacu latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan permasalahan yang meliputi mekanisme: (1) Bagaimana cara deposisi dan karaterisasi film tipis CuPc sebagai lapisan aktif pada sensor gas CO2 . (2) Bagaimana merancang geometri divais sensor gas CO2 dengan teknik lithography (3) Bagaimana proses pembuatan OFET berstruktur bottom contact dengan panjang channel dibuat bervariasi (4) Bagaimana karakterisasi keluaran OFET (5) Bagaimana cara menguji kinerja OFET untuk mendeteksi gas CO2 1.3
Tujuan Penelitian
Tujuan umum penelitian ini adalah merancang dan merealisasikan OFET berbasis film tipis CuPc dengan struktur bottom contact untuk mendeteksi gas CO2 , melalui tahapan sebagai berikut:
4
a) Deposisi film tipis CuPc di atas substrat Si/SiO2 dengan teknik vakum evaporasi pada suhu ruang b) Karakterisasi film tipis dengan XRD, SEM dan SEM-EDX c) Pembuatan OFET dengan struktur bottom contact dan panjang channel bervariasi d) Karakterisasi keluaran OFET e) Pengujian kinerja OFET untuk deteksi gas CO2 1.4
Manfaat yang Diharapkan
Penelitian ini menghasilkan prosedur pembuatan OFET berbasis film tipis CuPc yang dapat dimanfaatkan diberbagai bidang, antara lain : a) Bidang fisika, khususnya zat padat/ material akan memberi harapan untuk mengembangkan material semikonduktor untuk aplikasi photoconductive dan photovoltaic response. b) Bidang elektronika, menjadi dasar dalam pengembangan teknologi semikonduktor berbasi film tipis (mikro-elektronika/nano-elektronika), sehingga diperoleh piranti elektronika yang lebih kecil dan praktis. c) Bidang akademik dapat memberikan kontribusi pemikirian perkembangan sensor gas secara detail dari sisi struktur sensor. d) Bidang lingkungan hidup dapat dimanfaatkan sebagai pemantau kualitas udara e) Bidang industri, akan memberikan harapan komersial untuk memproduksi sensor gas, sebab material semikonduktor CuPc 200 mg dapat dibuat OFET antara 75 sampai dengan 100 buah. f) Hasil penelitian merupakan penelitian awal tentang sensor gas CO2 berbasis film tipis sehingga dapat digunakan untuk dasar penelitian lanjutan berkaitan dengan sensor gas beracun, misalnya: CO, NO, NO2 , NH3 dan emisi gas buang kendaraan bermotor. g) Hasil pembuatan OFET ini dapat dimanfaatkan untuk alat uji emisi untuk mengetahui tingkat emisi pada gas buang kendaraan.
5
1.5
Keaslian
Penelitian pemanfaatan bahan organik sebagai material dan piranti semikonduktor telah banyak dilakukan para peneliti. Beberapa penelitian tersebut diringkas dalam Tabel 1.2. Tabel 1.2: State of the Art beberapa penelitian Penulis dan Tahun Maggioni et al.,2008
Ali et al., 2008 Srivastava et al., 2009
Kapse, et al., 2009 Ho-Shik et al., 2011
Lyly et al., 2012
Judul dan Nama Jurnal
Hasil Eksperimen
Plasma-deposited CuPc A single gas: sensing material with multiple, responses, Sensors and Actuators B 131, 496-503 NOx sensing properties of In2 O3 thin films grown by MOCVD, Sensors and Actuators B 129 (2008) 467-472 Sensing mechanism of Pd-doped SnO2 sensor for LPG detection, Solid State Sciences 11, 1602-1605
Mempunyai waktu tanggap elektrik 2 menit
H2 S sensing properties of La-doped nanocrystalline In2 O3 , Vacuum 83 (2009) 346-352 Electrical Properties of a CuPc Field Effect Transistor Using a UV/Ozone Treated and Untreated Substrate, Transactions on Electrical and Electronic Materials (2011) 40-42 Influence of Doping Concentration on Dielectric, Optical, and Morphologica Properties of PMMA Thin Films, Advances in Materials Science and Engineering, Volume 2012, Article ID 605673, 5 pages
Deteksi optimum pada suhu 150 o C dan waktu pemulihan meningkat Sensor terdiri dari 2 elektroda, sehingga hanya dapat deteksi satu macam gas pada suhu 350 o C Waktu tanggap pada suhu 125 o C dan perlu pemanas Mobilitas pembawa muatan rendah, yaitu 1,2.10−5 cm2 /Vs dan belum diaplikasikan untuk sensor gas Mendeteksi pada suhu (150 - 300) o C dan belum diaplikasikan untuk sensor gas
Dari telaah jurnal (Tabel 1.2) diperoleh substansi penelitian yang belum dilakukan dan perlu ditingkatkan kinerja sensor gas. Substansi penelitian tersebut antara lain: a). Jurnal-jurnal di atas (Tabel 1.2) belum mengungkapkan struktur sensor gas yang
6
berupa OFET untuk mendeteksi gas. Hasil penelitian ini diharapkan terbentuknya sensor gas dengan struktur OFET. b). Penelitian sebelumnya pada umumnya menghasilkan mobilitas pembawa muatan masih rendah, yaitu: 1,2 .10−5 cm2 /Vs (Lee, et al., 2011), penelitian ini diharapkan dapat meningkatkan mobilitas pembawa muatan. c). Waktu tanggap dan waktu pemulihan sensor gas umumnya lambat, yaitu: 2 menit, penelitian ini diharapkan memperbaiki waktu tanggap dan waktu pemulihan. d). Sensor gas sebelumnya mendeteksi gas pada suhu tinggi, yaitu berkisar (150 200) o C. Sensor gas ini kurang praktis karena membutuhkan pemanas pada saat digunakan. Dalam penelitian ini merancang geometri devais sensor gas berstruktur OFET untuk mendeteksi gas pada suhu ruang. Sensor gas yang berkembang pada saat ini, terdiri dari 2 elektroda yang digunakan untuk kontak resistansi. Sensor gas tersebut mempunyai satu nilai mobilitas pembawa muatan, sebab medan listrik dalam semikonduktor aktif tidak dapat divariasi. Mobiliatas pembawa muatan semikonduktor berhubungan dengan tanggap sensor gas. Sensor gas yang memiliki satu nilai mobilitas pembawa muatan, maka sensor gas hanya mendeteksi gas pada konsentrasi tertentu saja. Dengan demikian untuk gas yang mempunyai konsentrasi lain, sensor gas tidak dapat mendeteksi gas tersebut.
Gambar 1.1: Struktur konduktivitas sensor gas (Arshak et al, 2004) Tanggapan sensor disebabkan oleh perubahan resisitif yang timbul karena reaksi antara semikonduktor dengan gas. Perubahan karakteristik listrik yang lebih
7
besar umumnya diamati setelah terpapar dengan konsentrasi gas lebih tinggi. Keuntungan struktur OFET adalah adanya perubahan resisitif yang berupa modulasi tanggap sensor. Modulasi tanggap sensor yang terjadi pada OFET disebabkan pengaturan tegangan elektroda gate. Mobilitas pembawa muatan semikonduktor dapat dikendalikan dengan memanfaatkan elektroda gate.
Gambar 1.2: Desain tata letak sensor gas (Hiskia dan Hermida, 2006) Desain sensor gas untuk deteksi gas CO dengan struktur pemanas seperti diperlihatkan pada Gambar.1.2 . Komponen sensor gas terdiri dari sebuah heater, 2 elektroda dan lapisan aktif dari semikonduktor SnO2 (Tin Dioxide). Aplikasi sensor gas ini membutuhkan heater saat beroperasi untuk deteksi gas, tanpa pemanas sensor tidak sensitif. Sensor gas ini hanya mempunyai nilai satu mobilitas pembawa muatan, sebab medan listrik yang terjadi dalam semikonduktor tidak dapat divariasi. Sensor gas dengan desain seperti ini (Gambar.1.2) kurang praktis untuk mendeteksi gas karena membutuhkan pemanas dan jangkauan pengukuran kurang luas. Gambar 1.3 adalah skema sensor yang dihasilkan dengan memberi doping 1% palladium (Pd) menunjukkan sensitivitas maksimum 72% pada suhu 350 o C untuk konsentrasi 0,5% dari LPG. Sensor ini mempunyai dua elektroda dan dapat mendeteksi LPG suhu tinggi 350 o C. Sensor dengan desain seperti ini (Gambar 1.3) kurang praktis untuk mendeteksi gas karena membutuhkan pemanas dan mobilitas pembawa muatan elektrostatis pada permukaan isolator semikonduktor tidak dapat diubah. Dasar pembuatan transistor OFET adalah lapisan aktif semikonduktor yang dihubungkan melalui dua elektroda, yaitu source (S) dan drain (D). Elektroda gate (G) elektrik yang terisolasi pada lapisan semikonduktor melalui lapisan oksida isolator
8
dan membentuk sebuah kapasitor pelat paralel. Dengan mengaplikasikan tegangan G yang tehubung elektroda S, mobilitas pembawa muatan elektrostatis permukaan isolator semikonduktor dapat diubah. Dengan demikian, efek medan listrik yang menyebabkan mobilitas pembawa muatan semikonduktor dapat divariasi. Oleh karena itu, arus yang melalui semikonduktor dapat bervariasi dengan urutan magnitudo sesuai dengan perubahan tegangan pada elektroda G.
Gambar 1.3: Skema sensor gas (Srivastava, et al., 2009) Gambar 1.1, Gambar 1.2 dan Gambar 1.3 adalah sensor gas yang mempunyai nilai satu mobilitas pembawa muatan, karena medan listrik dalam semikonduktor tidak dapat divariasi. Dengan memiliki satu nilai mobilitas pembawa muatan, sensor gas hanya dapat merespon gas pada konsentrasi tertentu saja. Dengan demikian gas yang mempunyai konsentrasi lain, sensor gas tidak dapat merespon. Kebaharuan penelitian ini adalah sensor gas dibuat dengan struktur OFET seperti ditunjukkan pada Gambar 1.4, sehingga nilai mobilitas pembawa muatan dapat divariasi dengan mengubah tegangan pada gate. Pengukuran dengan menggunakan konsep interaksi antara ion dengan divais padat telah dilakukan sejak tahun 1970 oleh Piet Bergveld. Penelitian terus berlanjut dengan dikembangkannya field effect transistors (FET) yang sensitif terhadap ion untuk aplikasi bio sensor dan aplikasi lain yang berkaitan dengan pengukuran. Terdapat beberapa keistimewaan divais berbasis FET yaitu memiliki respon yang cepat, sensitivitas tinggi, kemampuan proses yang banyak, ukuran divais kecil, struktur divais padat, memungkinkan diintegrasikan dengan output signal processing dan mudah dimodifikasi untuk mendeteksi bahan-bahan biokimia (Giuseppe Scarpa, 2010).
9
Gambar 1.4: Struktur OFET bottom contact
Berdasarkan lapisan aktif yang digunakan pada sensor berbasis FET dibagi menjadi dua jenis, yaitu inorganik FET (IFET) dan organik FET (OFET). Sensor berbasis inorganik FET menggunakan lapisan aktif yang terbuat dari bahan inorganik, seperti paladium (Pd), TiO 2, ZnO, SnO2 dan NiO2 (Buso et al., 2008). Sedangkan sensor berbasis organik FET mengunakan lapisan aktif yang terbuat dari polimer organik seperti polianilin (PANI), polypirrole (PPy), polythiophene (PTh) dan turunannya (Bai and Shi, 2007). Terdapat beberapa keunggulan yang dimiliki oleh OFET dibandingkan IFET yaitu, pertama OFET beroperasi pada suhu ruang, sedangkan IFET bekerja pada suhu tinggi (Pereira et al., 2009). Kedua, energi yang dibutuhkan untuk membuat OFET lebih rendah dibandingkan dengan IFET, karena proses pembuatan OFET lebih sederhana. Sensor berbasis OFET banyak dimanfaatkan untuk detektor gas. Terpaparnya gas berbahaya di alam mendorong para peneliti untuk mengembangkan divais ini sebagai sensor gas yang mempunyai sensitivitas tinggi, bisa beropresi pada suhu ruang dan tidak memerlukan pemanas. Seperti yang pernah dilaporkan sebelumnya, OFET lebih baik dari IFET, karena proses pembuatan OFET lebih sederhana. Sensor gas berstruktur OFET banyak dimanfaatkan untuk detektor gas. Terpaparrnya gas-gas berbahaya di alam mendorong para peneliti untuk mengembangkan divais ini sebagai sensor gas yang sensitif dan bisa beropresi pada suhu ruang. Seperti yang pernah dilaporkan sebelumnya, OFET sangat potensial untuk mendeteksi gas amonia, uap toluena, dan uap butylamine (Chen, 2011).
10
