BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Karakterisasi Menggunakan XRD
Gambar 4.1 XRD Sensor Berbasis SnO2
Pada Gambar 4.1 diperlihatkan pola Difraksi Sinar-X dari sensor dengan suhu firing 6500C. Dari hasil XRD dapat diketahui bahwa lapisan sensitif yang digunakan adalah SnO2. Parameter kisi dari hasil data XRD adalah a = 4.737 , c = 3.185 . Dari pola difraksi terlihat puncak-puncak dengan pola orientasi kristal SnO2 adalah 110 dan 101 yang menunjukkan pola difraksi yang terbentuk
76
77
adalah membentuk kristal SnO2. Dari semua puncak yang muncul dapat disimpulkan struktur dari SnO2 adalah rutile tetragonal. 4.2 Karakterisasi menggunakan EDS Untuk mengetahui komposisi material yang terbentuk dilakukan pengujian EDS (Elektron Difraction Spectrocopy) dengan tipe JEOL JSM 6360 LA. Bahan SnO2 yang digunakan dilakukan pengujian dengan EDS sebagai berikut :
Gambar 4.2 EDS Bahan SnO2
Dari hasil EDS dapat diketahui bahwa material yang digunakan mengandung senyawa SnO2. Ini berarti dengan metode solgel didapatkan kristal SnO2. Dimana elemen-elemen penyusunnya adalah O (Oksigen) dengan persen massa 21.23 %), Sn (Stanum) dengan persen massa 78.77 %. Puncak Sn dapat diketahui pada energy 3.442 keV.
78
4.3 Karakterisasi menggunakan SEM Untuk mengetahui ukuran partikel-partikel SnO2 hasil sintesis maka dilakukan pengambilan gambar dengan SEM tipe JEOL JSM 6360 LA.
Gambar 4.3 Hasil SEM perbesaran 20000X
Gambar 4.4 Hasil SEM perbesaran 40000X
79
Hasil karakterisasi menggunakan SEM memperlihatkan struktur morfologi SnO2 dengan pembesaran 20000 kali dan 40000 kali. Dari foto SEM dengan perbesaran 20000 kali dengan skala panjang garis tebal putih mewakili 1µm (1000 nm). Selain perbesaran 20000 kali, dilakukan juga pengambilan gambar SEM dengan perbesaran 40000 kali. Dari gambar dengan perbesaran 40000 kali skala yang digunakan 500 nm yang diwakili garis putih tebal. Untuk menghitung ukuran partikel SnO2 digunakan metode Hein dengan menggunakan perbesaran 40000X didapatkan ukuran rata-rata partikel 264 nm. Ini berarti dengan proses solgel didapatkan film tebal SnO2. Dari hasil SEM juga terlihat banyaknya pori untuk berbagai perbesaran. Untuk sensor gas, semakin banyak pori akan semakin meningkatkan sensitivitas sensor. Pori-pori itu akan menangkap oksigen sehingga pori-pori itu akan tertutup sehingga
semakin
banyak
elektron
konduksi
ditingkatkan
sehingga
konduktifitasnya semakin besar dan nilai hambatannya akan semakin menurun. Semakin hambatan menurun maka sensitivitasnya akan semakin tinggi. Dari hasil XRD, EDS, dan SEM film tebal SnO2 memenuhi kriteria sebagai material untuk aplikasi sensor gas.
80
4.4
Pengujian Sensor Data Hasil Pengujian Data hasil pengujian perubahan resistansi sensor terhadap temperatur operasional pada tabel dibawah: Tabel 4.1 Data Pengujian Perubahan Resistans Sensor Terhadap Perubahan Temperatur Operasional T (0C) 100 110 120 130 140 150 160 170 180
V (Volt) 1,88 2,12 2,37 2,49 2,69 2,8 2,91 3,05 3,25
R (K Ohm) 17,47 13,66 10,87 9,99 5,86 4,66 1,53 0,878 0,586
Dari tabel 4.1 dibuat grafik hambatan terhadap temperatur, sebagai berikut :
18
.R
16 14
R (KOhm)
12 10 8 6 4 2 0 100
120
140
160
180
T (Celcius)
Gambar 4.5 Grafik Perubahan R Sensor terhadap Perubahan Temperatur Operasional
81
Analisa Dari grafik yang didapat terlihat bahwa resistansi lapisan sensitif menurun untuk temperatur yang semakin besar hal ini disebakan adanya elektron-elektron dalam lapisan senstif mandapatkan energi panas yang berasal dari heater yang memungkinkan elektron dapat melewati potensial barrier atau batas butir yang terdapat pada permukaan sensor. Penurunan grafik terlihat cenderung linier. Semakin besar temperatur heater, maka hambatannya semakin menurun cenderung linier. Sifat listriknya menyerupai bahan semikonduktor. Banyaknya penambahan temperatur pada film tebal menyebabkan elektron memperoleh cukup energi untuk melewati barier pada batas butir. Pada temperatur rendah, sesuai dengan persamaan : Ea
RT
ln
A AC
a c
B
b
D
d
(Kimia Dasar 2, 2003)
maka energi aktivasinya akan semakin rendah juga. Hal ini disebabkan mekanisme konduksi. Pada daerah temperatur rendah, konduktifitas bertambah disebabkan oleh mobilitas pembawa muatan, yang bergantung pada cacat kristal. Dalam daerah ini energi aktivasi menurun karena dengan energi termal yang kecil cukup untuk mengaktivasi pembawa muatan ke pita konduksi. Jadi vacancy yang terikat lemah pada kisi dapat mudah berpindah tempat ke pita konduksi, karena itu konduktifitas bertambah pada temperatur rendah yang dapat dihubungkan dengan mobilitas pembawa muatan.
82
Pada temperatur tinggi, energi aktivasinya juga akan tinggi. Sesuai dengan persamaan : Ea
RT
ln
A AC
a c
B
b
D
d
(Kimia Dasar 2, 2003)
Dalam daerah ini konduktivitas listrik disebabkan oleh konduksi intrinsik. Pada temperatur tinggi terjadi penyerapan oksigen pada permukaan film. Pada temperatur tinggi juga konsentrasi carier bertambah disebabkan oleh eksitasi termal intrinsik dan proses emisi elektron seiring dengan naiknya temperatur. Pada film tebal menunjukkan penurunan resistansi seiring dengan pertambahan temperatur disebabkan oleh banyaknya pembawa muatan.
83
Dari hasil pengujian perubahan resistansi sensor terhadap konsentrasi gas CO, diperoleh data seperti dalam Tabel. Tabel 4.2 Data Pengujian Perubahan Resistansi Sensor Terhadap Perubahan Konsentrasi gas CO R (Ohm) 586 422 130 114 100 97
Konsentrasi Gas CO (ppm) 0 250 500 750 1000 1250
Tanggapan Perubahan R Sensor terhadap Perubahan Konsentrasi Gas CO 35 30 R (Ohm)
25 20 15 10 5 0 0
500
1000
1500
Konsentrasi (ppm)
Gambar 4.6 Grafik Tanggapan Perubahan R Sensor terhadap Perubahan Konsentrasi Gas CO
84
Analisa: Dari grafik 4.6 yang didapat terlihat bahwa resistansi SnO2 menurun terhadap kenaikan konsentrasi gas CO. Artinya respon sampel SnO2 terhadap gas CO mengakibatkan penurunan nilai hambatannya seiring dengan kenaikan konsentrasi gas CO. Resistansi lapisan sensitif menurun untuk konsentrasi gas yang semakin tinggi, ini disebabkan adanya proses transfer elektron. Hal ini diakibatkan karena terjadinya ketidaksetimbangan stokiometi SnO2 berubah ketika bereaksi dengan gas CO akibatnya elektron-elektron konduksi dibangkitkan dalam bahan SnO2 dan mengakibatkan perubahan sifat konduksi (konduktifitas) dan juga nilai hambatan SnO2. Semakin besar konsentrasi gas CO yang bereaksi dengan bahan SnO2 semakin banyak elektron-elektron konduksi yang dibangkitkan didalam bahan SnO2 akibatnya konduktivitasnya meningkat sedangkan nilai hambatannya menurun karena konduktivitas adalah kebalikan dari hambatan bahan. Hal ini sesuai penjelasan berikut : Bila ada interaksi seperti di bawah ini ( Aa ) g ( B b ) g
(C c ) g ( D d ) g
Maka menghitung nilai konstanta reaksinya adalah sebagai berikut: c
k=
d
C D a b A B (Kimia Dasar 2,2003)
Menurut Arhenius,nilai konstanta reaksi bergantung pada energi aktivasi (Ea)
85
k = Ae
Ea RT
(Kimia Dasar 2,2003)
maka : C
c
D
d
A
a
B
b
Ea
RT ln
Ea
RT
Ae
Ea RT
AC
c a
b
A B
ln
d
D
A AC
a c
B
b d
D
Hubungan nilai Konduktivitas dengan energi aktivasi adalah:
0
exp
Ea P(O ) KT 2
1 m
(Min,Yongki,2007)
1
Dan hubungan Resistansi dengan energy aktivasi adalah :
R
R0 exp
1 m
Ea P(CO ) 2 KT a
b
Semakin besar nilai A B (dimana A adalah konsentrasi O2 dan B adalah konsentrasi CO2) maka nilai energi aktivasi (Ea ) akan menurun. Dimana resistansi dipengaruhi oleh energi aktivasi bahan, dan energi aktivasi bahan dipengaruhi oleh konstanta reaksi, dimana konstanta reaksi itu sendiri dipengaruhi oleh konsentrasi.
86
Untuk konsentrasi gas CO yang semakin besar maka pada permukaan SnO2 mengakibatkan penyempitan daerah deplesi, pada batas antara butir dalam Kristal SnO2, sehingga potensial penghalang yang terjadi pada daerah tersebut juga berkurang, akibatnya elektron-elektron konduksi lebih mudah melompati potensial penghalang tersebut, sehingga meningkatkan konduksi elektron dan menurunkan hambatan SnO2. Untuk semikonduktor tipe-n dalam hal ini yaitu bahan SnO2, nilai sensitivitas diperoleh dari perbandingan Ro/Rg sesuai dengan persamaan 2.2. Rg adalah hambatan yang diukur ketika sensor sudah dialirkan gas CO, sedangkan Ro adalah hambatan yang diukur sebelum dialirkan gas CO yaitu pada konsentrasi 0.
87
Data nilai sensitivitas sensor terhadap perubahan konsentrasi gas CO diperoleh data seperti dalam Tabel 4.3. Tabel 4.3 Data Pengujian Nilai Sensitivitas terhadap perubahan konsentrasi gas CO Konsentrasi Gas CO (ppm) 0 250 500 750 1000 1250
R (Ω) 586 422 130 114 100 97
S 1,38862 4,50769 5,14035 5,86 6,04123
7 6
Ro/Rg
5 4 3
Sensitifitas
2 1 0 0
500
1000
1500
Konsentrasi (ppm)
Gambar 4.7 Grafik Nilai Sensitivitas terhadap Perubahan Konsentrasi Gas CO
a. Sensitivitas pada 0 ppm – 500 ppm adalah : S
R1 ppm1 4.51 0 500 ppm
9.10
3
/ ppm
Jadi Nilai Sensitivitas pada 0 ppm – 500 ppm adalah 9.10-3 untuk setiap 1 ppm.
88
b. Sensitivitas pada 500 ppm – 1250 ppm adalah : S
R2 ppm2 6 4.51 1250 ppm 500 ppm 1.49 1.99.10 3 / ppm 750 ppm
Jadi Nilai Sensitivitas pada 500 ppm – 1250 ppm adalah 1.99.10-3 untuk setiap 1 ppm Sensitivitas sensor terlihat lebih baik pada range konsentrasi 0 – 500 ppm, yaitu 9.10-3 untuk setiap 1 ppm.
Analisa Pada grafik memperlihatkan hubungan sensitifitas gas dari film SnO2 terhadap konsentrasi gas CO pada temperatur 1800C. Dari grafik tersebut dapat dijelaskan bahwa film SnO2 mampu mendeteksi gas CO dengan konsentrasi sampai 1250 ppm dan sensitivitas meningkat secara linier dengan meningkatnya konsentrasi gas CO sampai 1000 ppm kemudian cenderung mendatar. Sensitivitas yang linier dan nilai sensitivitas yang lebih tinggi pada konsentrasi rendah tersebut karena cukup banyak tersedia daerah permukaan yang bereaksi dengan gas CO. Setelah konsentrasi CO muncapai 1000 ppm kurva cenderung mendatar karena spesi oksigen yang diserap tidak cukup memadai, sehingga tidak dapat memberikan kontribusi pada mekanisme pendeteksian. Kelinieran kurva dapat diperlebar dengan memperluas area sensor. Sensitivitas yang linier pada konsentrasi rendah dari film dapat mendeteksi adanya gas CO.
89
Dari grafik juga dapat terlihat bahwa sensitivitas semakin tinggi untuk setiap kenaikan konsentrasi gas. Hal ini disebabkan oleh : Potensial barrier akan menurun pada saat spesies oksigen yang diserap bertemu dengan gas-gas pereduksi sehingga mengakibatkan konduktansi film meningkat. Pada reaksi reduksi tersebut elektron yang semula diikat, akan terlepas lagi sehingga berdampak turunnya level Schottky barrier. Kemudian dengan hadirnya gas CO, atom – atom CO bereaksi dengan oksigen yang telah diserap pada permukaan molekul SnO2 tadi, yang kemudian akan timbul CO2 sebagai hasil reaksinya (reduksi), dan sekaligus melepaskan elektron – elektron yang telah terikat tadi kembali ke pita konduksi. Sehingga resistansnya turun, dan itu berarti konduktifitas-nya meningkat karena banyaknya electron-elektron konduksi pada lapisan film SnO2 akibat reaksi Reduksi. Reaksi yang terjadi adalah : Oksidasi (penyerapan oksigen : O2
2e
2Os
e- menunjukkan jumlah elektron yang diikat / ditarik dari pita konduksi. Reduksi (penyerapan terhadap gas pereduksi) :
2CO 2Os
2CO2 2e
e- menunjukkan jumlah elektron yang dilepas kembali ke pita konduksi. Jadi, pada saat diberi gas pereduksi (dalam hal ini gas CO), fraksi oksigen berubah
dalam
bahan
SnO2
mengakibatkan
electron-elektron
konduksi
90
dibangkitkan dalam bahan SnO2 sehingga konduktifitasnya meningkat dan resistansinya menurun. Semakin besar konsentrasi gas CO pada permukaan SnO2 mengakibatkan penyempitan daerah deplesi, sehingga potensial penghalang nya berkurang, akibatnya electron-elektron konduksi lebih mudah melompati potensial penghalang tersebut, sengga meningkatkan konduksi elektron dan menurunkan hambatan SnO2. Dan sesuai dengan persamaan : Untuk material sensor tipe–n dan gas berupa pereduksi, hubungan sensirivitas dengan hambatan:
S
Ro Rg
Maka semakin besar konsentrasi gas semakin besar,
maka hambatan SnO2
menurun seiring dengan sensitivitasnya yang meningkat. Dari data SEM terlihat banyak pori yang berfungsi menangkap oksigen. Untuk sensor gas, semakin banyak pori akan semakin meningkatkan sensitivitas sensor. Pori-pori itu akan menangkap oksigen sehingga pori-pori itu akan tertutup sehingga
semakin
banyak
elektron
konduksi
ditingkatkan
sehingga
konduktifitasnya semakin besar dan nilai hambatannya akan semakin menurun. Semakin hambatan menurun maka sensitivitasnya akan semakin tinggi. Untuk memperbanyak pori dapat dilakukan dengan memperluas area sensor.
