Carboxymethyl Cellulose (CMC)

MN 111

SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVII), 16-17 Oktober, Denpasar-Bali

Fabrikasi Lapisan Transparan dan Fleksibel Komposit Nanopartikel ZnO/Carboxymethyl Cellulose (CMC) Horasdia Saragih Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Advent Indonesia Jl. Kol. Masturi No. 288 Parongpong, Bandung Barat 40559, Indonesia email: [email protected]

Abstrak Suatu lapisan transparan dan fleksibel komposit nanopartikel ZnO/CMC, telah berhasil difabrikasi. Lapisan ini dirancang untuk dapat digunakan sebagai bahan dielektrik gerbang dan/atau sekaligus sebagai substrat pada pembuatan divais elektronika transparan, fleksibel, biodegradable, dan murah. Nanopartikel ZnO ditumbuhkan dengan menggunakan suatu sistim reaktor tabung gelas mikro. Hasil nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan memiliki ukuran diameter rata-rata ~4 nm. Nanopartikel ini selanjutnya dikompositkan dengan CMC untuk memperoleh lapisan komposit nanopartikel ZnO/CMC. Lapisan komposit yang dihasilkan memiliki transparansi ~ 80%. Pada paper ini, proses penumbuhan ZnO, proses pembuatan komposit, dan karakteristiknya masingmasing, dilaporkan. Kata kunci : Lapisan transparan, lapisan fleksibel, komposit, nanopartikel ZnO, carboxymethyl cellulose (CMC).

Abstract The transparent and flexible layer of ZnO nanoparticle/CMC composite have been succesfully faricated. This composite material, in final aim, can be constructed and used as flexibel and transparent gate dielectric and also as flexible and transparent substrate forbiodegredable and low cost electronic devices. The ZnO nanoparticles were grown by a micro tube glass reactor system. The ZnO nanoparticle, grown in this system, has an avarage diameterof about 4 nm. This ZnO nanoparticle was then composited with the CMC to produced the ZnO nanoparticle/CMC composite layer. The transparance of the composite layer of ZnO nanopartcle/CMC, resulted in this experiment was about of 80%. In this paper, the growth process of ZnO nanoparticle, fabrication of ZnO nanoparticle/CMC composite, and their characteristic are reported. Keywords : Transparent layer, flexible layer, composite, ZnO nanoparticle, carboxymethyl cellulose (CMC).

dipanaskan pada tempartur tinggi (~150oC). Sehingga proses fabrikasi devais elektronika seperti pembuatan struktur transistor menggunakan substrat PET, sulit diwujudkan. Selain hal di atas, pelapisan (deposisi) lapisan konduktor logam di atas permukaan plastik PET diperhadapkan pada masalah lemahnya adhesi antara partikel logam dengan partikel PET di antar-mukanya sehingga konduktor logam mudah terkelupas dari permukaan PET [3].Dan lagi, pelapisan konduktor logam transparan, seperti kawat nano perak (Ag nanowire) dan tabung nanokarbon (carbon nanotube), di atas permukaan PET mengalami aggregasi yang tinggi sehingga distribusi partikel logam menjadi tidak merata (berpulau-pulau) [1]. Hasilnya, homogenitas lapisan kedua jenis logam konduktor transparan tersebutdi atas permukaan PET, menjadi sangat buruk.

1. PENDAHULUAN Divais elektronika yang transparan, fleksibel, biodegradable dan murah, sangat dibutuhkan [1]. Apalagi karakteristiknya dapat diperkaya dengan menggunakan material yang ukurannya berorde nanometer,karena material berorde nanometer memiliki sifat yang unik sebagai konsekuensi dari besarnya rasio luas permukaan terhadap volumnya. Sejauh ini divais elektronika yang transparan, fleksibel dan biodegradable belum dapat difabrikasi oleh karena berbagai keterbatasan. Beberapa usaha telah dicoba, seperti menggunakan plastik polyethylene terephthalate (PET) sebagai substrat [2]. Plastik PET memiliki transparansi optik yang sangat tinggi. Namun plastik PET tidak biodegradable sehingga penggunaannya di masa mendatang tidak menjanjikan. Selain itu, plastik PET juga terdegradasi ketika 384

SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVII), 16-17 Oktober 2014,Denpasar-Bali

Material yang berbasis cellulose seperti carboxymethyl cellulose (CMC) sangat potensial digunakan sebagai substrat dalam pembuatan divais elektronika transparan dan fleksibel sebagai pengganti PET. CMC memiliki stabilitas termal yang sangat baik. Koefisien termalnya sangat kecil [4]. Pada temperatur ~200oC, CMC tidak mengalami degradasi. Hal ini memberi keuntungan karena logam transparan dapat dideposisi dengan kualitas baik di atasnya. Fabrikasi lapisan logam transparan di atas CMC dalam pembuatan divais berstruktur logam (gate)dielektrik (CMC)-semikonduktor-logam, yang umumnya membutuhkan temperatur pada sekitar 150oC, oleh karena itu dengan mudah akan dapat dilakukan. Karena berbasis cellulose, maka CMC bersifat biodegradable dan murah. Cellulose dapat diekstrak dari berbagai jenis tumbuhan yang tersedia melimpah di Indonesia. CMC dengan mudah dapat diolah menjadi lapisan tipis pada ragam ketebalan dengan hanya menggunakan pelarut air. CMC memiliki tranparansi yang sama dengan PET. Terapan lainnya, lapisan CMC dapat juga digunakan sebagai separator elektroda pada baterai ionlithium untuk mengganti lapisan poly vinylidene fluoride (PVDF) yang harganya lebih mahal. Selain sebagai substrat, material berbasis cellulose dalam bentuk lapisan telah juga dicoba digunakan untuk pertama kalinya oleh Gaspar et al. [5] sebagai dielektrik gerbang pada pembuatan divais field efect transistor (FET). Karakteristik FET yang dihasilkan sangat baik. Ga2O3-In2O3-ZnO (GIZO; 1:2:2 mol%) setebal 40 nm digunakan sebagai lapisan semikonduktor, dan logam Al dengan ketebalan 100 nm digunakan sebagai source dan drain, serta In2O3-ZnO (IZO; 5:2 mol%) dengan ketebalan 200 nm diguanakan sebagai gate. Mode operasi FET yang dihasilkan adalah tipe-n, mobilitas saturasi kanalnya lebih dari 7 cm2V-1s-1, rasio modulasi arus drainsource-nya di atas 105, dan subthreshold gate voltage swing-nya sekitar 2,11 V/decade. Gaspar et al. menyimpulkan bahwa FET berdielektrik cellulose ini tidak kalah baik bila dibandingkan dengan FET yang berbasis silikon atau yang berbasis oksida logam yang populer saat ini. Merujuk kepada hasil yang dilaporkan oleh Gaspar et al. di atas, investigasi terhadap

peran bahan berbasis cellulose sebagai dielektrik sekaligus sebagai substrat, perlu dilakukan sebagai tindakan lanjutan. Nilai dielektrik material berbasis cellulose perlu direkayasa sesuai dengan yang diperlukan, dan hubungannya dengan transparansi optiknya perlu dipelajari. Perekayasaan nilai dielektrik suatu material umumnya dapat dilakukan dengan melakukan pendadahan atau mengkompositkannya dengan material lain, seperti dengan material logam oksida misalnya. Pada penelitian ini material berbasis cellulose, yaitu CMC, telah dicoba dikompositkan dengan material oksida logam ZnO yang pada ujungnya bertujuan menghasilkan dielektrik transparan dan fleksibel yang nilai dielektriknya dapat divariasi. Oksida logam ZnO yang digunakan berukuran nanometer. Penggunaan ZnO berukuran nanometer ini bertujuan untuk menghindari terjadinya degradasi signifikan pada sifat transparansi kompositnya. Komposit dibuat dalam bentuk lapisan tipis dan karakteristiknya, diinvestigasi. 2. METODE PENELITIAN 2.1. Bahan dan Alat PrekursorZnCl2 (99,9%; Merck) digunakan sebagai sumber Zn untuk memfabrikasi nanopartikel ZnO. NaOH (99%; Merck) digunakan untuk mereduksi ion Cl dari ZnCl2. Di-water (H2O) digunakan sebagai sumber oksigen. Polimer polyvinylpyrrolidone (PVP, n = 90, 99%, Merck) digunakan sebagai separator untuk menghindari pertumbuhan nanopartikel ZnO yang berlebihan dan menjaga agar nanopartikel ZnO yang tumbuh berdistribusi tunggal. CMC (99%, Merck) adalah bahan berbasis cellulose yang digunakan untuk dikompositkan dengan nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan. Skema sistim peralatan yang digunakan untuk menumbuhkan nanopartikel ZnO ditunjukkan pada gambar 1. Sistim peralatan ini adalah sistim peralatan reaktor tabung mikro berbahan gelas dengan diamater tabung 500 µm.

385


menggunakan alat spectrophotometer UV-VIS HP 8452 Diode Array. Struktur kristal nanopartikel ZnO yang tumbuh dianalisis dengan menggunakan data difraksi sinar-X yang diukur dengan menggunakan alat difraktometer sinar-X Philips PW3710 dengan menggunakan radiasi Cu Kα pada panjang gelombang λ=1,54056 Angstrom. 2.2. Eksperimen Serbuk ZnCl2, serbuk NaOH dan H2O dilarutkan kedalam pelarut etanol (99%, Merck) masing-masing pada konsentrasi 10 mM, 16 mM, dan 1000 mM. Polimer PVP dilarutkan kedalam pelarut etanol pada konsentrasi : 2g/30 ml. Serbuk CMC dilarutkan ke dalam di-water pada konsentrasi 0,1 g/ml. Proses pelarutan serbuk ZnCl , 2

NaOH, PVP dan CMC dilakukan dengan cara diaduk didalam gelas beaker berbantuan magnetic stirrer. Pengadukan prekursor ZnCl2,

Gambar 1.Sekma sistim peralatan reaktor tabung mikro berbahan gelas dengan diamater 500 µm yang digunakan untuk menumbuhkan nanopartikel ZnO.

NaOH, dan PVP dilakukan pada temperatur ruang, sementara pengadukan CMC dilakukan pada temperatur 70oC. Proses pengadukan masing-masing prekursor terus dilakukan sampai diperoleh larutan yang bening. Penumbuhan nanopartikel ZnO dilakukan dengan mengalirkan masing-masing larutan prekursor ZnCl2, NaOH, H2O dan PVP secara

Reaktor tabung berbahan gelas digunakan agar material reaktor tidak bereaksi dengan molekul prekursor saat proses penumbuhan. Reaktor tabung gelas akan tembus cahaya sehingga proses pemberian energi termal saat proses penumbuhan dapat dilakukan secara radiatif dengan menggunakan lampu pemanas. Panjang tabung yang mendapat perlakuan radiasi adalah 20 cm untuk memanaskan campuran prekursor sehingga bereaksi membentuk nanopartikel ZnO. Sistim peralatan ini telah digunakan untuk menumbuhkan nanopartikel ZnO berdispersi tunggal dan telah dilaporkan pada paper lain [6]. Pengaduk magnetic stirrer digunakan untuk mencampur larutan CMC dengan nanopartikel ZnO yang tumbuh untuk menghasilkan komposit nanopartikel ZnO/CMC. Diameter rata-rata nanopartikel ZnO yang dihasilkan, dihitung dengan menggunakan data respon absorbans optiknya yang diukur pada rentang panjang gelombang 200-800 nm dengan menggunakan alat spectrophotometer UV-VisBOECO S-26 dengan resolusi optikal 1 nm. Karakteristik transmitans lapisan CMC dan lapisan komposit nanopartikel ZnO/CMC yang dihasilkan diinvestigasi dengan

bersamaan dengan perbandingan 1:1:1:1 ke dalam tabung. Tabung diposisikan miring membentuk sudut 50o terhadap bidang datar. Posisi miring ini diperlukan agar prekursor yang dimasukkan ke dalam tabung selanjutnya dapat mengalir sebagai akibat gaya tarik gravitasi bumi. Udara bebas diinjeksi ke dalam tabung secara periodik guna memisahkan campuran ke ukuran yang lebih kecil sehingga aliran molekul prekursor di dalamya bersifat sirkulatif (lihat gambar 1). Karakter alir yang sirkulatif ini diperlukan agar proses pencampuran larutan prekursor untuk mencapai campuran yang homogen, dalam waktu yang cepat dapat diperoleh.Laju alir prekursor dan frekuensi injeksi udara diset sedemikian rupa sehingga menghasilkan panjang cairan campuran sebesar 300 μm, dan laju alir pasangan cair-gas sebesar 4,7 cm/dt. Pasangan cair-gas ini dialirkan sepanjang 70 cm di dalam tabung sebelum dipanaskan. Pada sepanjang 20 cm lintasannya di dalam tabung, campuran prekursor dipanaskan 386


secara radiatif dengan menggunakan lampu sorot sehingga campuran prekursor yang mengalir memiliki temperatur 40oC untuk membangkitkan reaksi kimia dan menghasilkan partikel ZnO berukuran nanometer. Nanopartikel ZnO yang dihasilkan selanjutnya dipisahkan dari pelarut ethanol dengan teknik evaporasi pada temperatur 50oC. Nanopartikel ZnO yang telah dihasilkan dan telah dipisahkan dari larutan etanol selanjutnya dicampur dengan larutan CMC di dalam gelas beaker dengan cara diaduk berbantuan magnetic stirrer pada temperatur ruang selama 30 menit sehingga diperoleh campuran cair nanopartikel ZnO/CMC yang homogen. Campuran cair ini selanjutnya dituang di atas suatu permukaan gelas petri disk untuk menghasilkan hamparan cairan tipis, dan selanjutnya dipanaskan untuk menguapkan air yang dikandungnya sehingga diakhir proses, suatu lapisan tipis komposit nanopartikel ZnO/CMC, diperoleh.

Pada panjang gelombang 500 sampai 1000 nm, lapisan komposit nanopartikel ZnO/CMC memiliki transmitans sekitar 80%. Penyerapan cahaya pada panjang gelombang lebih kecil dari 500 nm terjadi sebagai akibat dari hadirnya nanopartikel ZnO di dalam komposit.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Transmitans lapisan komposit tidak dapat mencapai 100% pada panjang gelombang 5001000 nm pada pengukuran di atas, meskipun lapisan secara kasat mata sangat transparan, adalah sebagai konsekwensi dari adanya perbedaan indeks bias antara medium udara dan lapisan yang mengakibatkan terjadinya refleksi permukaan (refleksi Fresnel) [2]. Oleh karena itu, untuk medium yang ideal transparan sekalipun, yang tidak menyerap energi cahaya, transmitans totalnya selalu di bawah 100% sebagai akibat dari adanya refleksi permukaan tersebut. Hal ini secara jelas dapat dipahami dari persamaan 1 dan 2 [2].

Gambar 3. Persen transmitans optik lapisan komposit nanopartikel ZnO/CMC pada rentang panjang gelombang 200-1000 nm.

Lapisan komposit nanopartikel ZnO/CMC yang dihasilkan ditunjukkan pada gambar 2. Secara kasat mata, lapisan ini terlihat sangat transparan. Lapisan ini juga sangat fleksibel dan kuat. Lapisan ini telah dicoba dipanaskan pada temperatur 150oC, dan tidak menunjukkan perubahan bentuk, warna dan karakteristik transparansi. Dengan menggunakan spectrophotometer UV-VIS HP 8452 Diode Array, karakteristik transparansi optik lapisan diukur pada rentang panjang gelombang 200-1000 nm setelah pemanasan pada temperatur 150oC, dan hasilnya ditunjukkan pada gambar 3.

..................... (1) ........ (2) dimana R adalah besarnya refleksi permukaan, nm adalah indeks bias lapisan komposit, na adalah indeks bias udara (1,00), dan T(%) adalah transmitans total. Kehadiran nanopartikel ZnO di dalam lapisan komposit dapat dideteksi dengan mengukur karakteristik absorbans optiknya. Absorbans optik lapisan CMC, nanopartikel ZnO dalam pelarut etanol, dan lapisan

Gambar 2. Lapisan komposit nanopartikel ZnO/CMC hasil fabrikasi. Secara kasat mata lapisan terlihat sangat transparan.

387


komposit nanopartikel ZnO/CMC, ditunjukkan pada gambar 4. (3)

dimana r (nm) adalah rata-rata jari-jari nanopartikel dalam satuan nanometer dan λp adalah panjang gelombang dimana absorpsi maksimum terjadi (puncak eksitonik, dalam satuan nanometer). Dengan menggunakan persamaan 3, rata-rata diameter nanopartikel ZnO yang hadir di dalam komposit diperoleh sebesar d=3,62 nm. Pola difraksi sinar-X dari lapisan CMC dan lapisan komposit nanopartikel ZnO/CMC ditunjukkan pada gambar 5. Lapisan komposit nanopartikel ZnO/CMC menghasilkan dua puncak difraksi yang berbeda bila dibandingkan dengan pola yang dihasilkan oleh hanya lapisan CMC. Perbedaan ini disebabkan oleh hadirnya nanopartikel ZnO di dalam lapisan komposit. Setelah diidentifikasi, dua puncak difraksi yang terjadi dan menonjol tersebut dihasilkan oleh nanokristal ZnO dengan bidang-bidang kristal (1011) dan (0002). Nanopartikel ZnO yang hadir di dalam komposit memiliki struktur kristalin.

Gambar 4. Absorbans optik masing-masing: lapisan komposit nanopartikel ZnO/CMC, koloid nano partikel ZnO dalam pelarut ethanol, dan lapisan CMC pada rentang panjang gelombang 250-500 nm.

Untuk lapisan CMC saja, tanpa kehadiran nanopartikel ZnO, absorbsi optis tidak terjadi pada panjang gelombang di bawah 370 nm. Sementara untuk nanopartikel ZnO saja (di dalam pelarut etanol) gelombang optik diabsorb di bawah panjang gelombang 370 nm. Ketika kedua material ini dikompositkan, absorbsi terjadi pada panjang gelombang dibawah 370 nm. Hal ini menunjukkan bahwa nanopartikel ZnO telah hadir di dalam komposit. Dengan menggunakan sebaran nilai absorpsi optis, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 4, ukuran rata-rata diameter nanopartikel ZnO yang hadir di dalam komposit, dapat dihitung. Diameter rata-rata nanopartikel ZnO ditentukan dari puncak eksitoniknya. Puncak eksitonik nanopartikel ZnO dari hasil pengukuran absorbans seperti ditunjukkan pada gambar 4 (untuk nanopartikel ZnO di dalam pelarut etanol) terjadi pada panjang gelombang 340 nm. Hal yang sama juga terjadi ketika nanopartikel ZnO hadir terkomposit di dalam CMC. Kumbhakar et al. [7] telah menurunkan suatu perumusan hubungan antara rata-rata jari-jari nanopartikel ZnO dengan panjang gelombang dimana puncak absorpsi (puncak eksitonik) terjadi, yaitu :

Gambar 5. Pola difraksi sinar-X lapisan komposit nanopartikel ZnO/CMC dan lapisan CMC pada rentang sudut 2= 10 sampai 50 derajat.

388


2. M. Nogi, C. Kim, T. Sugahara, T. Inui, T. Takahashi, and K. Suganuma, Applied Physics Letters102, 18191,11-4 (2013). 3. L. Pereira, D. Gaspar, D. Guerin, A. Delattre, E. Fortunato, and R. Martins, Nanotechnology 25, 094007, 1-11 (2014). 4. A.A. Galil, H.E. Ali, A. Atta, and M.R. Balboul, Journal of Radiation Research and Applied Sciences7, 36-43 (2014). 5. Gaspar, S.N. Fernandes, A.G. de Oliveira, J.G. Fernandes, P. Grey, R.V. Pontes, L. Pereira, R. Martins, M.H. Godinho, and E. Fortunato, Nanotechnolgy 25, 094008, 111 (2014). 6. H. Saragih, D.R. Ricky dan A. Limbong, Jurnal Matematika & Sains 18(2), 49-56 (2013). 7. P. Kumbhakar, D. Singh, C.S. Tiwary, and A.K. Mitra, Chalcogenide Letters 5 (12), 387-394 (2008).

4. KESIMPULAN Didasarkan pada hasil yang telah diperoleh dan karakterisasi yang telah dilakukan, sebagaimana telah diterangkan di atas, menunjukkan bahwa suatu komposit nanopartikel ZnO/CMC telah berhasil difabrikasi. Komposit nanopartikel ZnO/CMC yang dihasilkan memiliki transparansi yang sangat baik (~80%), fleksibel (tidak getas) dan memiliki stabilitas termal yang baik pula. Nanopartikel ZnO yang berhasil ditumbuhkan dan dikompositkan memiliki diameter rata-rata d=3,62 nm dan memiliki struktur kristalin dengan bidang-bidang kristal penyusun

(1011) dan (0002). 5. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat (DP2M) – DIKTI atas bantuan pendanaannya dalam pelaksanaan kegiatan penelitian ini. 6. REFERENSI 1. H. Koga, M. Nogi, N. Komoda, T.T. Nge, T. Sugahara, and K. Suganuma, NPG Asia Materials 6, e 93 (1-8) (2014).

389

Carboxymethyl Cellulose (CMC)

Recommend Documents