BAB II TINJAUAN PUSTAKA. Nanopartikel adalah partikel dalam ukuran nanometer yaitu sekitar 1-100

7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Nanopartikel Nanopartikel adalah partikel dalam ukuran nanometer yaitu sekitar 1-100 nm (Hosokawa et al. 2007). Nanopartikel merupakan ilmu dan rekayasa dalam menciptakan material,

struktur fungsional,

maupun

piranti

alam

skala

nanometer.Ditinjau dari jumlah dimensi yang terletak dalam rentang nanometer, material nano diklasifikasikan menjadi beberapa kategori(Gambar 2.1.), yaitu: material nano berdimensi nol (nanoparticle) seperti oksida logam, semikonduktor ,dan fullerenes; material nano berdimensi satu (nanowire, nanotubes, nanorods); material nano berdimensi dua (thin films); dan material nano berdimensi tiga seperti Nanokomposit, nanograined, mikroporous, mesoporous, interkalasi, organik-anorganik hybrids. (Pokropivny,V. et al, 2007).

Gambar 2.1. Skematik Klasifikasi nano material : (a) struktur tiga dimensi (3-D); (b) struktur dua dimensi (2-D); (c) struktur satu dimensi; dan (d) struktur zerodimensi (0-D),(Pokropivny,V. et al, 2007).

8

Nanopartikel menjadi kajian yang sangat menarik, karena material yang berada dalam ukuran nano biasanya memiliki partikel dengan sifat kimia atau fisika yang lebih unggul dari material yang berukuran besar (bulk).(C. R. Vestal et al. 2004; Cao, Guozhong, 2004). Dua hal utama yang membuat nanopartikel berbeda dengan material sejenis dalam ukuran besar (bulk) yaitu: 1. Karena ukurannya yang kecil, nanopartikel memiliki nilai perbandingan antara luas permukaan dan volume yang lebih besar jika dibandingkan dengan partikel sejenis dalam ukuran besar. Ini membuat nanopartikel bersifat lebih reaktif. Reaktivitas material ditentukan oleh atom-atom di permukaan, karena hanya atom-atom tersebut yang bersentuhan langsung dengan material lain; 2. Ketika ukuran partikel menuju orde nanometer, maka hukum fisika yang berlaku lebih didominasi oleh hukum- hukum fisika kuantum.(Abdullah M., et al, 2008) Sifat-sifat yang berubah pada nanopartikel biasanya berkaitan dengan fenomena-fenomena berikut ini. Pertama adalah fenomena kuantum sebagai akibat keterbatasan ruang gerak elektron dan pembawa muatan lainnya dalam partikel. Fenomena ini berimbas pada beberapa sifat material seperti perubahan warna yang dipancarkan, transparansi, kekuatan mekanik, konduktivitas listrik, dan magnetisasi. Kedua adalah perubahan rasio jumlah atom yang menempati permukaan terhadap jumlah total atom. Fenomena ini berimbas pada perubahan titik didih, titik beku, dan reaktivitas kimia. Perubahan-perubahan tersebut diharapkan dapat menjadi keunggulan nanopartikel dibandingkan dengan partikel

9

sejenis dalam keadaan bulk. Para peneliti juga percaya bahwa kita dapat mengontrol perubahan-perubahan tersebut ke arah yang diinginkan. (Abdullah M.,et al, 2008) Selain nanopartikel juga dikembangkan material nanostruktur, yaitu material yang tersusun oleh beberapa material nanopartikel. Untuk menghasilkan material nanostruktur maka partikel-partikel penyusunnya harus diproteksi sehingga apabila partikel-partikel tersebut digabung menjadi material yang berukuran besar maka sifat individualnya dipertahankan. Sifat material nanostruktur sangat bergantung pada (a) ukuran maupun distribusi ukuran, (b) komponen kimiawi unsur-unsur penyusun material tersebut, (c) keberadaan interface (grain boundary), dan (d) interaksi antar grain penyusun material nanostruktur. Quantum dot adalah material berukuran kurang dari 100 nanometer yang mengurung elektron secara 3-dimensi, baik arah x, y dan z. Hal ini dimungkinkan karena diameter dari quantum dot tersebut sebanding dengan panjang gelombang dari elektron. Bahkan, disebut bahwa quantum dot ini merupakan atom buatan (artificial atom). Nanowire adalah material berukuran nanometer yang dapat mengurung elektron secara 2-dimensi dan bebas bergerak di dimensi yang ketiga, yaitu ke depan atau ke belakang. (Astuti, 2007)

2.1.1. Keunggulan Sifat Material Berorde Nano Material berukuran nanometer memiliki sejumlah sifat kimia dan fisika yang lebih unggul dari material berukuran besar (bulk). Disamping itu material

10

berukuran nanometer memiliki sifat yang kaya karena menghasilkan sifat yang tidak dimiliki oleh material ukuran besar. Sejumlah sifat tersebut dapat diubahubah dengan melalui pengontrolan ukuran material, pengaturan komposisi kimiawi, modifikasi permukaan dan pengontrolan interaksi antar partikel. Material nanopartikel adalah material-material buatan manusia yang berskala nano, yaitu lebih kecil dari 100nm, termasuk didalamnya nanodot, quantum dot, nanowire dan carbon nanotube (Abdullah M., et al, 2008). Berikut merupakan beberapa keunggulan sifat material berorde nano secara umum : 1. Sifat elektrik Pengaruh meningkatkan

size

reduction

konduktivitas

pada

sifat

nanometals,

elektrik

nanopartikel

membangkitkan

dapat

konduktivitas

nanodielektrik, dan meningkatkan induktansi dielektrik untuk ferroelectrics. Nanomaterial dapat mempunyai energi lebih besar dari pada material ukuran biasa karena memiliki surface area yang besar. Energy band secara bertahap berubah terhadap orbital molekul.Umumnya Resistivitas elektrik mengalami kenaikan dengan berkurangnya ukuran partikel.Contoh aplikasi : energi densitas yang tinggi dari baterai, nanokristalin merupakan material yang bagus untuk lapisan pemisah pada baterai karena dia dapat menyimpan energi yang lebih banyak. Baterai logam nikel-hidrida terbuat dari nanokristalin nikel dan logam hidrida yang membutuhkan sedikit recharging dan memiliki masa hidup yang lama.(Pokropivny,V. et al. 2007)

11

2. Sifat optik Sistem nanokristalin memiliki sifat optikal yang menarik, yang mana berbeda dengan sifat kristal konvensional. Pengaruh size reduction pada sifat optik nanopartikel dapat meningkatkan penyerapan (absorbansi) dalam range ultraviolet (blue shift), Osilasi penyerapan optik, dan meningkatkan nilai band gap. Kunci peyumbang faktor masuknya quantum tertutup dari pembawa elektrikal pada nanopartikel, energi yang efisien dan memungkinkan terjadinya pertukaran karena jaraknya dalam skala nano serta memiliki sistem dengan interface yang tinggi. Dengan perkembangan teknologi dari material mendukung perkembangan sifat nanofotonik. Dengan sifat optik linear dan non linear material nano dapat dibuat dengan mengontrol dimensi kristal dan surface kimia, teknologi pembuatan menjadi faktor kunci untuk mengaplikasikan.Contoh aplikasi : pada optoelektronik.,

electrochromik

untuk

liquid

crystal

display

(LCD).(Pokropivny,V. et al. 2007) 3. Sifat magnetik Kekuatan magnetik adalah ukuran tingkat kemagnetan. Pengaruh penurunan ukuran butiran patikel (Size reduction) dan kenaikan spesifik surface area per satuan volume partikel pada sifat magnetik ini dapat meningkatkan atau menurunkan koersivitas magnet, menurunkan temperatur Curie, paramagnetik

atau

feromagnetik,

membangkitkan

memiliki sifat

temperatur

maksimal

magnetoresistance, dan meningkatkan permeability magnetik pada sifat ferromagnetik. Contoh aplikasi : magnet nanokristalin yttrium-samarium-cobalt memiliki sifat magnet yang luar biasa dengan luas permukaan yang besar.

12

Aplikasinya pada mesin kapal, instrumen ultra sensitiv dan magnetic resonance imaging (MRI) pada alat diagnostik.(Pokropivny,V. et al. 2007) 4. Sifat mekanik Pengaruh penurunan ukuran butiran patikel (Size reduction) dari partikel pada sifat mekanik dapatmeningkatkan kekerasan (hardness), kekuatan (strength), daktilitas (fracture ductility), dan ketahanan aus (wear resistance). Nanomaterial memiliki kekerasan dan tahan gores yang lebih besar bila dibandingkan dengan material dengan ukuran biasa.Contoh aplikasi : automobil dengan efisiensi greater fuel. Nanomaterial diterapkan pada automobil sejak diketahui sifat kuat, keras dan sangat

tahan

terhadap

erosi,

diharapkan

dapat

diterapkan

pada

busi.(Pokropivny,V. et al. 2007) 2.1.2. Perkembangan Nanopartikel Di Indonesia, perkembangan nano teknologimasih dalam tahap rintisan karena keterbatasan dana dan fasilitaseksperimen. Dengan kendala yang demikian membuat kita harusbekerja keras memanfaatkan potensi yang ada di tanah air. Dalam periode tahun 2010 sampai 2020 akan tejadi percepatan luar biasa dalam penerapan nanoteknologi di dunia industri dan menandakan bahwa sekarang ini dunia sedang mengarah pada revolusi nanoteknologi. Negara-negara seperti Amerika Serikat, Jepang, Australia, Kanada dan negara-negara Eropa, serta beberapa negara Asia, seperti Singapura, Cina, dan Korea tengah giat-giatnya mengembangkan nanoteknologi.

suatu

cabang

baru

teknologi

yang

populer

disebut

13

Nanoteknologi akan mempengaruhi industri baja, pelapisan dekorasi, industri polimer, industri kemasan, peralatan olahraga, tekstil, keramik, industri farmasi dan kedokteran, transportasi, industri air, elektronika dan kecantikan. Penguasaan nanoteknologi akan memungkinkan berbagai penemuan baru yang bukan sekadar memberikan nilai tambah terhadap suatu produk, bahkan menciptakan nilai bagi suatu produk. Salah satu nanomaterial yang sangat menarik untuk dikembangkan saat ini adalah nanopartikel magnetik. Nanopartikel saat ini banyak digunakan pada beragam produk komersial mulai dari katalis, media cat dan cairan magnetik, hingga kosmetik dan tabir surya. Suatu review terbaru dari peneliti di Swedia dan Spanyol mendeskripsikan hasil kerja terkini untuk optimasi sintesis, dispersi, dan fungsionalisasi permukaan titania (titanium dioksida), seng oksida, dan seria (serium oksida) — tiga nanopartikel utama yang digunakan pada fotokatalis, penghalau sinar UV (ultraviolet), dan tabir surya. Review mereka dipublikasikan pada 26 April 2013 di jurnal Science and Technology of Advanced Materials. (Gifhari, A.S. 2013). Penemuan baru dalam bidang nanoteknologi muncul hampir dalam tiap minggu untuk aplikasi-aplikasi baru dalam berbagai bidang, seperti bidang elektronik (pengembangan piranti (device) ukuran nanometer), energi (pembuatan sel surya yang lebih efisien), kimia(pengembangan katalis yang lebih efisien, baterai yang kualitasnya lebih baik), kedokteran (pengembangan peralatan baru pendeksi sel-sel kanker berdasarkan pada interaksi antarsel kanker dengan partikel berukuran nanometer), kesehatan (pengembangan obat-obat dengan ukuran bulir (grain) beberapa nanometer sehingga dapat melarut dalam cepat

14

dalam tubuh dan bereaksi lebih cepat, serta pengembangan obat pintar (smart) yang bisa mencari sel-sel tumor dalam tubuh dan langsung mematikan sel tersebut tanpa mengganggu sel-sel normal), lingkungan (penggunaan partikel skala nanometer untuk menghancurkan polutan organik di air dan udara), dan sebagainya.(Nanoworldindonesia, 2013)

2.2. Metode Sintesis Nanopartikel Nanopartikel dapat terjadi secara alamiah ataupun melalui proses sintesis oleh manusia. Sintesis nanopartikel bermakna pembuatan nanopartikel dengan ukuran yang kurang dari 100 nm dan sekaligus mengubah sifat atau fungsinya.Dalam

sintesis

nanopartikel

terdapat

beberapa

faktor

yang

mempengaruhinya yaitu konsentrasi reaktan, molekul pelapis (capping agent), temperatur dan pengadukan. Sintesis nanopartikel dapat dilakukan dalam fasa padat, cair, maupun gas. Proses sintesis pun dapat berlangsung secara fisika atau kimia. Proses sintesis secara fisika tidak melibatkan reaksi kimia. Yang terjadi hanya pemecahan material besar menjadi material berukuran nanometer, atau penggabungan material berukuran sangat kecil, seperti kluster, menjadi partikel berukuran nanometer tanpa mengubah sifat bahan. Proses sintesis secara kimia melibatkan reaksi kimia dari sejumlah material awal sehingga dihasilkan material lain yang berukuran nanometer (Abdullahet al. 2008). Secara umum, sintesis nanopartikel akan masuk dalam dua kelompok besar. Cara pertama adalah memecah partikel berukuran besar menjadi partikel

15

berukuran nanometer. Pendekatan ini kadang disebut pendekatan top-down. Pendekatan kedua adalah memulai dari atom-atom atau molekul-molekul yang membentuk partikel berukuran nanometer yang dikehendaki. Pendekatan ini disebut bottom-up. (Abdullah, M. 2008). Kedua kelompok besar dalam mensintesis nanopartikel telihat pada gambar 2.2.

Top down (dipecah) Nanopartikel

Buttom up (digabung)

Gambar 2.2. Sintesis nanopartikel top-down dan bottom-up

Pembentukan nanopartikel dengan keteraturan yang tinggi dapat menghasilkan pola yang lebih seragam dan ukuran yang yang seragam pula.Kebanyakan penelitian telah mampu menghasilkan nanopartikel yang lebih bagus dengan menggunakan metoda-metoda yang umum digunakan, seperti: kopresipitasi,

sol-gel,

mikroemulsi,

hidrotermal/solvoterma,

menggunakan

16

cetakan (templated synthesis), sintesis biomimetik, metoda cairan superkritis, dan sintesis cairan ionik.

2.3.

Metode Kopresipitasi Kopresipitasi merupakan proses kimia dalam mensintesis senyawa

anorganik yang didasarkan pada pengendapan lebih dari satu substansi secara bersama–sama ketika melewati titik jenuh.Proses diawali denganadanya zat terlarut yang mengendap sehingga menghasilkan endapanyang diinginkan. Pengendapan terjadi sebagai akibat pembentukan kristal campuran. Selain itu endapan ini dapat pula terbentuk karena adanya absorbsi (penyerapan) ion-ion selama proses pengendapan (Nugroho, 2010; Pokropivny,V. et al. 2007). Adsorbsi permukaan merupakan suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida, cairan maupun gas, terikat kepada suatu padatan atau cairan (adsorben) dan akhirnya membentuk suatu adsorbat pada permukaannya, umumnya akan paling besar pada endapan yang mirip gelatin dan paling sedikit pada endapan dengan sifat makro-kristalin yang menonjol. Pada saat endapan terbentuk, langkah selanjutnya dalam proses ini adalah meningkatkan kemurnian dari endapan dengan cara menyaringendapan, melarutkannya lagi dan mengendapkan lagi secara berulang-ulang.Hal ini dilakukan agar terjadi dekomposisi ion-ion yang terikat oleh larutan pengikat (larutan basa) sedangkan ion-ion yang tidak terikat oleh larutan pengikat akan bereaksi membentuk produk/hasil reaksi. Kopresipitasi memiliki reaksi fisik dan kimia yang dapat dilihat pada tabel 2.5(Sholihah, 2010 dan Fernandez, 2011).

17

. Tabel 2.1.Reaksi fisik dan kimia dari metode kopresipitasi Sifat Fisik Suhu reaksi yang diperlukan , 100o C

Sifat Kimia Proses Kopresipitasi akan meninggakatkan pH

Pada Kopresipitasi dilakukan

Kopresipitasi dilakukan pada larutan

pengadukan secara terus menerus agar

encer agar memudahkan proses

larutan homogen

penyaringan

Memiliki ukuran partikel hasil sintetis

Meningkatkan homogenitas dengan

lebih kecil daripada metode sol state

penambahan larutan pengendap.

dan lebih besar daripada metode sol gel

Produk dari metode ini diharapkan memiliki ukuran partikel yang lebih kecil dan lebih homogen daripada metoda solid state dan ukuran partikel yang lebih besar dari pada metoda sol-gel. Bila suatu endapan memisah dari dalam suatu larutan, endapan itu tidak selalu sempurna murninya, kemungkinan mengandung berbagai jumlah zat pengotor, bergantung pada sifat endapan dan kondisi pengendapan. Kontaminasi endapan oleh zat-zat yang secara normal larut dalam cairan induk dinamakan kopresipitasi. Kita harus membedakan dua jenis kopresipitasi yang penting. Yang pertama adalah yang berkaitan dengan adsorpsi pada permukaan partikel yang terkena larutan, dan yang kedua adalah yang sehubungan dengan oklusi zat asing sewaktu proses pertumbuhan kristal dari partikel-partikel primer.

18

2.3.1. Kemurnian endapan Setelah proses pengendapan masalah berikut adalah bagaimana cara mendapatkan endapan semurni mungkin untuk mendapatkan hasil analisis seteliti mungkin. Ikut sertanya pengotor pada endapan dapat dibedakan menjadi: 1.Pengendapan bersama (ko-presipitasi) Pada proses pengotoran ini, zat pengotor mengendap bersama-sama endapan yang diinginkan.Bentuk atau macam pengendapan bersama ini dapat dibedakan: a. Adsorpsi permukaan; zat pengotor teradsorpsi atau terserap pada permukaan endapan, peristiwa ini dapatterjadi pada endapan berbentuk jel, karena mempunyai luas permukaan cukup besar. Contoh ikut mengendapnya NaCl pada endapan AgCl. b. Inklusi isomorf; zat pengotor masuk kedalam kisi hablur endapan, dan membentuk hablur campuran c. Inklusi tak isomorf; zat pengotor larut dalam endapan dan membentuk lapisan endapan. Contoh :pengotoran barium sulfat oleh barium nitrat. d. Oklusi; zat pengotor terkurung dalam hablur endapan

2.Pengendapan susulan (post presipitasi) Proses ini berupa pengendapan zat pengotor setelah selesainya pengendapan zat yang diinginkan atau terjadinya endapan kedua pada permukaan endapan pertama. Berbeda dengan pengendapan bersama , dimana endapan dan

19

pengotor mengendap bersama-sama. Pada proses ini senyawa yang diinginkan mengendap dulu, baru zat pengotor menyusul mengendap. Makin lama endapan dibiarkan dalam induk larutannya, makin meningkat jumlah zat pengotor menyusul mengendap.

2.4. Bahan Nanopartikel 2.4.1. Tembaga (Cu) Tembagamerupakan suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Cu dan nomor atom 29. Lambangnya berasal dari bahasa Latin Cuprum.Bahan ini merupakan konduktor panas dan listrik yang baik.Disamping itu tembaga merupakan salah satu logam non-ferrous yang paling penting dan banyak dipakai mulai dari industri sederhana sampai industri berteknologi tinggi. Ada dua deret senyawa tembaga. Senyawa-senyawa tembaga(I) diturunkan dari senyawa tembaga(I) oksida (Cu2O), mengandung ion tembaga(I), Cu2+. Senyawa tembaga(I) mudah dioksidasikan menjadi senyawa tembaga(II ), yang dapat diturunkan dari tembaga(II) oksida, CuO. Tembaga membentuk senyawa dengan tingkat oksidasi +1 dan +2, namun hanya tembaga(II) yang stabil dan mendominasi dalam larutan air. Dalam larutan air, hampir semua garam tembaga(II) berwarna biru, yang karakteristik dari warna ion kompleks koordinasi 6, [𝐶𝐶𝐶𝐶(𝐻𝐻2 𝑂𝑂)6 ]2+. Kekecualian yang terkenal yaitu

tembaga(II) klorida yang berwarna kehijauan oleh karena ion kompleks

[𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶4 ]2−yang mempunyai bangun geometri dasar tetrahedral atau bujursangkar bergantung pada kation pasangannya.

20

Garam-garam tembaga(II) umumnya berwarna biru, baik dalam bentuk hidrat, padat, maupun dalam larutan air. Warna ini benar-benar khas hanya untuk ion tetraakuokuprat(II) saja. Garam-garam

tembaga(II) anhidrat,

seperti

tembaga(II) sulfat anhidrat Cu2SO4, berwarna putih (atau sedikit kuning). Dalam larutan air selalu terdapat ion kompleks tetrakuo (Vogel, 1990).

Gambar 2.3.Tembaga

2.4.2.

Sifat Kimia Tembaga Tembaga merupakan unsur yang relatif tidak reaktif sehingga tahan

terhadap korosi. Pada udara yang lembab permukaan tembaga ditutupi oleh suatau lapisan yang berwarna hijau yang menarik dari tembaga karbonat basa, Cu(OH)2CO3. Tembaga panas dapat bereaksi dengan uap belerang dan halogen. Berekasi dengan belerang membentuk tembaga(I) sulfida dan tembaga(II) sulfida dan untuk reaksi dengan halogen membentuk tembaga(I) klorida , khusus klor yang menghasilkan tembaga(II) klorida. Pada umumnya lapisan tembaga adalah lapisan dasar yang harus dilapisi lagi dengan nikel atau khrom. Pada prinsipnya merupakan proses pengendapan logam secara elektrokimia, digunakan listrik arus searah (DC). Jenis elektrolit yang digunakan adalah tipe alkali dan tipe asam.

21

Tabel 2.2.Data Sifat Kimia Tembaga Data sifat kimia Nama, lambang, nomor atom Deret kimia Golongan, periode, blok Massa atom (g/mol) Konfigurasi elektron Jumlah elektron tiap kulit Bilangan oksida(oksida amfoter) Elektronegatifitas (skala pauling) ionisasi (kJ/mol)

Jari-jari atom (pm) Jari-jari kovalen (pm) Struktul kristal

Keterangan Tembaga, Cu, 29 Logam transisi 1B, 4, d 63,546 [𝐴𝐴𝐴𝐴]3𝑑𝑑10 4𝑠𝑠1 2, 8, 18, 1 2, 1 1,90 pertama: 745,5 kedua : 1957,9 ketiga : 3555 135 138 Face centered cubic

Tabel 2.3 Beberapa senyawaan yang dibentuk oleh tembaga Tembaga(II)

Nama

CuO

tembaga(II) oksida

Cu(OH)2

tembaga(II) hidroksida

CuCl2

tembaga(II) klorida

CuF2

tembaga(II) fluorida

CuS

tembaga(II) sulfida

CuSO4.5H2O

tembaga(II) sulfat pentahidrat atau vitriol biru

Cu(NO3)2.3H2O

tembaga(II) nitrat trihidrat

2.4.3. Sifat Fisika Tembaga Tembaga merupakan logam yang berwarna kuning kemerahan seperti emas kuning dank eras bila tidak murni. Mudah ditempa(liat) dan bersifat mulur

22

sehingga mudah dibentuk menjadi pipa, lembaran tipis dan kawat. Konduktor panas dan listrik yang baik, setelah perak. Tabel 2.4.Data Sifat Fisika Tembaga Data sifat fisika

Keterangan

Bentuk

Padat

Warna

Logam merah jambu

Massa jenis (g/m3)

8,96

Titik lebur (K)

1357,77

Titik didih (K)

2835

Kalor peleburan (kJ/mol) Kalor penguapan (kJ/mol) Kapasitas kalor (J/mol K) (250C)

13,26 300,4 24,440

2.4.4. Senyawa Cu2O Copper(I) oxide atau tembaga oksida adalah senyawa anorganik dengan rumus kimia Cu2O. Senyawa tersebut dapat berwarna merah, coklat bahkan kehitaman, tergantung pada ukuran partikel. Dalam sejarah semikonduktor, Cu2O merupakan salah satu bahan yang paling banyak dipelajari dan aplikasi semikonduktor

telah

dibuktikan

terlebih

dahulu

dalam

material

semikonduktor.Bahan aditif seperti air dan asam mempengaruhi laju proses ini serta oksida lebih lanjut untuk tembaga(III) oksida. Hal ini juga diproduksi secara komersil

dengan

mereduksitembaga(II)

solusidengansulfur

dioksida.

Larutankloridatembagabereaksi dengandasaruntuk memberikanbahan yang sama. Dalam semua kasus, warnasangatsensitif terhadapdetailprosedural. Pembentukan tembaga(I) oksida adalah dasar dari uji Fehling dan uji Benedict untuk

23

mengurangi gula. Gula-gula ini mengurangi larutan alkali dari tembaga(II) garam, memberikan endapan merah cerah dari Cu2O. Tabel 2.5.Karakteristik Cu2O Data sifat fisika

Keterangan

Bentuk

Padat

Warna

Coklat Kehitaman,Merah

Massa jenis (g/m3)

6,0

Titik lebur (K)

1505

Titik didih (K)

2073

Cuprous Oxide (Cu2O) sebagai material semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas yang berada diantara isolator (penghantar listrik yang buruk) dan konduktor (penghantar listrik yang baik).Material semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah namun pada temperature ruangan bersifat sebagai konduktor. Semikonduktor sangat berguna karena sifat konduktifitasnya dapat dirubah dan dikontrol dengan memberi materi lain ataumenambahkan ketidakmurnian (doping).Doping merupakan pengotor bahan semikonduktor. Dalam semikonduktor terdapat band gap(pita energi) dimana range energi dalam suatu zat padat dimana tidak ada elektron yang berada padakeadaan stabil. Struktur pita elektron dari padatan umumnya pita energy terdapat perbedaan energi dalam elektron volt diantara pita valensi dan pita konduksi dimana ditemukan isolator dan semikonduktor.

24

Dalam sejarah semikonduktor, Cu2O adalah salah satu bahan yang paling banyak dipelajari, dan banyak pengamatan eksperimental dan aplikasi semikonduktor telah dibuktikan terlebih dahulu dalam materi semikondukor, semikonduktor dioda. Oksida tembaga umumnya digunakan sebagai pigmen, fungisida dan agent antifrouling untuk cat laut. Rectifier dioda berdasarkan bahan yang telah digunakan industry sejak awal tahun 1924, jauh sebelum silicon menjadi standar.

Gambar 2.4.Cuprous Oxide (Cu2O)

2.5. Semikonduktor Semikonduktor merupakan bahan padat yang mempunyai pita valensi yang berenergi rendah dan pita konduksi yang berenergi lebih tinggi. Pada suhu nol mutlak, pita valensi terisi penuh oleh elektron dan pita konduksi tidak terisi dengan electron (kosong), sehingga pada suhu nol mutlak material ini menjadi isolator sempurna. Terjadinya perpindahan elektron dari pita valensi ke pita konduksi diakibatkan oleh pengaruh suhu dan penyinaran. Tetapi secara alami pada suhu di atas nol mutlak, sebagian elektron telah berada di pita konduksi. Elektron dapat berpindah bila energinya lebih besar atau sama dengan celah energi yang ada di atasnya.

25

Elektron yang berpindah ke pita konduksi akan menjadi elektron bebas dan akan meninggalkan sejumlah kekosongan di pita valensi yang disebut sebagai lubang (hole) yang nantinya akan berekombinasi kembali dengan elektron. Elektron dan hole inilah yang menjadi penghantar arus listrik pada material semikonduktor. Berdasarkan asal muatan pembawa, semikonduktor dibedakan menjadi dua kelompok yaitu semikonduktor instrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor instrinsik hanya terdiri dari sebuah unsur atau senyawa, electron ataupun hole berasal dari atom itu sendiri. Pada semikonduktor ekstrinsik, electron maupun hole-nya tidak hanya dari bahan utamanya saja melainkan juga berasal dari atom-atom pengotornya. Pemberian pengotor pada bahan semikonduktor disebut sebagai doping. Dengan adanya doping, bahan semikonduktor mengalami perubahan jumlah pembawa muatan, konduktivitasnya bertambah dan resistansinya menurun. Berdasarkan mayoritas

pembawa

muatannya

semikonduktor

digolongkan

menjadi

semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n. Pada semikonduktor tipe-n atom pengotornya kelebihan electron (atom donor) sehingga semikonduktor ini bermuatan negatif, sedangkan pada semikonduktor tipe-p atom pengotornya kekurangan elektron (atom akseptor) sehingga semikonduktor ini bermuatan positif dengan

pembawa mayoritas

adalah

hole.

Jika disinari,

bahan

semikonduktor akan mengalami efek fotovoltaik, yaitu penyerapan cahaya sehingga menaikkan energi elektron sehingga tereksitasi ke level energi yang lebih tinggi dan menghasilkan arus listrik.(Saputra, D.,2006).

26

2.5.1 Semikonduktor Cu2O (Cuprous dioxide) Semikonduktor Cu2O merupakan semikonduktor tipe-p yang memiliki celah pita enegi yang berkisar antara 2.0-2.1 eV, (He Ping, et al, 2004; Kuo CH,et al, 2007; Lin X.F., et al., 2010; Sekhar, H, et al, 2012;) celah pita energy yang dimiliki semikonduktor Cu2O ini merupakan rentang yang bisa diterima untuk konversi energy surya, karena material semikonduktor dengan celah pita energy antara 1 eV, sampai 2 eV merupakan material dengan cocok digunakan dalam aplikasi sel surya.Penentuan nilai band gap merupakan salah satu parameter utama dalam menentukan aplikasi yang sesuai untuk suatu material semikonduktor. Struktur Kristal semikonduktor Cu2O adalah kubik. Nilai parameter kisi a = 4.27 𝐴𝐴̇, memiliki massajenis 0.609 g/cm3 dan tidak larut dalam air. Senyawa

Cu2O atau cuprous oxide memiliki nama lain copper (I) oxide, cuprite (mineral), atau Read Copper Oxide. (Lestari.,V, 2009)

Gambar 2.5. Struktur kristal Cu2O

27

2.6. Karakterisasi Nanopartikel 2.6.1. X-Ray Diffractometry(XRD) Difraksi sinar-X digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal suatu padatan dengan membandingkan nilai jarak d (bidang kristal) dan intensitas puncak difraksi dengan data standar. Pengujian ini merupakan aplikasi langsung dari pemakaian sinar X untuk menentukan jarak antara kristal dan jarak antara atom dalam kristal.

Gambar 2.6. Difraksi Bidang Atom

Gambar 2.6. menunjukkan suatu berkas sinar X dengan panjang gelombang λ, jatuh pada sudut θ pada sekumpulan bidang atom berjarak d. Sinar yang dipantulkan dengan sudut θ hanya dapat terlihat jika berkas dari setiap bidang yang berdekatan saling menguatkan. Oleh sebab itu, jarak tambahan satu berkas dihamburkan dari setiap bidang yang berdekatan, dan menempuh jarak sesuaidengan perbedan kisi yaitu sama dengan panjang gelombang n λ. Sebagai contoh, berkas kedua yang ditunjukkan gambar 2.7. harus menempuh jarak lebih jauh dari berkas pertama sebanyak PO + OQ. Syarat pemantulan dan saling menguatkan dinyatakan oleh : nλ = PO + OQ = 2ON sinθ = 2d sinθ

(1.1)

28

Persamaan (1.1) disebut dengan hukum Bragg dan harga sudut kritis θ untukmemenuhi hukum tersebut dikenal dengan sudut Bragg. Prinsip dasar dari XRD adalah hamburan elektron yang mengenai permukaan kristal. Bila sinar dilewatkan ke permukaan kristal, sebagian sinar tersebut akan terhamburkan dan sebagian lagi akan diteruskan ke lapisan berikutnya. Sinar yang dihamburkan akan berinterferensi secara konstruktif (menguatkan) dan destruktif (melemahkan). Hamburan sinar yang berinterferensi inilah yang digunakan untuk analisis. Difraksi sinar-X hanya akan terjadi pada sudut tertentu sehingga suatu zat akan mempunyai pola difraksi tertentu. Pengukuran kristalinitas relatif dapat dilakukan dengan membandingkan jumlah tinggi puncak pada sudut-sudut tertentu dengan jumlah tinggi puncak pada sampel standar. Di dalam kisi kristal, tempat kedudukan sederetan ion atau atom disebut bidang kristal. Bidang kristal ini berfungsi sebagai cermin untuk merefleksikan sinar–X yang datang. Posisi dan arah dari bidang kristal ini disebut Indeks Miller. Setiap kristal memiliki bidang kristal dengan posisi dan arah yang khas, sehingga jika disinari dengan sinar-X pada analisis XRD akan memberikan difraktogram yang khas pula. Dari data XRD yang diperoleh, dilakukan identifikasi puncak-puncak grafik XRD dengan cara mencocokkan puncak yang ada pada grafik tersebut dengan database ICDD. Setelah itu, dilakukan refinement pada data XRD dengan menggunakan metode Analisis Rietveld yang terdapat pada program RIETAN. Melalui refinement tersebut, fase beserta sruktur, space group, dan parameter kisi

29

yang ada pada sampel yang diketahui. Melalui grafik XRD, grain size dari sampel juga dapat diperkirakan. Grain size dihitung dengan menggunakan persamaan Scherrer, yaitu :

𝑆𝑆 =

dengan :

0,9 . 𝜆𝜆

𝐵𝐵 cos 𝜃𝜃

(2.1)

S = grain size λ = panjang gelombang berkas sinar X B = FWHM (full width half maximum). 𝜃𝜃 = besar sudut dari puncak dengan intensitas tinggi.

Gambar 2.7. Instrumentasi XRD (X-Ray Difraction)

30

2.6.2. SEM (Scanning Electron Microscope) -EDX SEM (Scaning Electron Microscope) merupakan mikroskop elektron yang didesain untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material yang dianalisis menggunakan berkas electron. Adapun fungsi utama dari SEM antara lain dapat digunakan untuk mengetahui informasi-informasi mengenai topografi (ciri-ciri permukaan), Morfologi (bentuk dan ukuran dari partikel penyusun objek ), dan Informasi kristalografi objek.Pada intrument SEM terintegrasi sebuah detektor Energy Dispersive X-ray (EDX) yang memungkinkan dilakukannya mikroanalisis secara kualitatif dan semi kuantitatif untuk menentukan komposisi unsur-unsur dari suatu objek material. Prinsip kerja SEM yaitu bermula dari electron beam yang dihasilkan oleh sebuah filamen pada electron gun. Pada umumnya electron gun yang digunakan adalah tungsten hairpin gun dengan filamen berupa lilitan tungsten yang berfungsi sebagai katoda. Tegangan diberikan kepada lilitan yang mengakibatkan terjadinya pemanasan. Anoda kemudian akan membentuk gaya yang dapat menarik elektron melaju menuju ke anoda. Elektron berinteraksi dengan sampel komposisi molekul. Energi dari elektron menuju ke sampel secara langsung dalam proporsi jenis interaksi elektron yang dihasilkan dari sampel. Serangkaian energi elektron terukur dapat dihasilkan yang dianalisis oleh sebuah mikroprosesor yang canggih yang menciptakan gambar tiga dimensi atau spektrum elemen yang unik yang ada dalam sampel dianalisis. Ini adalah rangkaian elektron yang dibelokkan oleh tumbukan dengan elektron yang dihamburkan oleh sampel(Gambar 2.8). (Zhou W., et al, 2006; )

31

Gambar 2.8.Prinsip Kerja SEM (Scanning Electron Microscopy)-EDX

Untuk mengenali jenis atom dipermukaan yang mengandung multi atom para peneliti lebih banyak mengunakan teknik EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Sebagian besar alat SEM dilengkapi dengan kemampuan ini, namun tidak semua SEM punya fitur ini. EDS dihasilkan dari Sinar X karakteristik, yaitu dengan menembakkan sinar X pada posisi yang ingin kita ketahui komposisinya. Maka setelah ditembakkan pada posisi yang diinginkan maka akan muncul puncak – puncak tertentu yang mewakili suatu unsur yang terkandung. Dengan EDS dapatjuga dilakukan elemental mapping (pemetaan elemen) dengan memberikan warna berbeda – beda dari masing – masing elemen di permukaan bahan. EDS bisa digunakan untuk menganalisa secara kunatitatif dari persentase masing – masing elemen.

32

Gambar 2.9.Instrumentasi Uji SEM (Scanning Electron Microscopy)-EDX 2.6.3. Konduktivitas Listrik

Konduktivitas listrik σ (S/cm) berhubungan dengan resistivitas ρ (Ω cm) sesuai dalam persamaan 2.2: 1

σ=ρ Peningkatan

konduktivitas

listrik

(2.2)

disebabkan

oleh

eksitasi

dari

penambahan pengisian bebas yang diangkut oleh cahaya energi tinggi pada semikonduktor dan isolator. Material alami maupun buatan yang terdapat di alam dapat diklasifisikan menjadi tiga yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor. Nilai dari konduktivitas listrik ketiga material tersebut berbeda. Material -8

3

semikonduktor mempunyai nilai konduktivitas antara selang dari (10 – 10 ) S/cm.(Sze, S.M., 2007.)

33

Gambar2.10. Spektrum Konduktivitas Listrik dan Resistivitas

Resistansi suatu material bergantung pada panjang, luas penampang lintang, tipe material dan temperature. Pada material ohmik resistansinya tidak bergantung pada arus dan hubungan empiris ini disebut dengan hukum Ohm yang dinyatakan sesuai dalam persamaan 2.3 : V = IR; R = konstan

(2.3)

Untuk material nonohmik, arus tidak sebanding dengan tegangan. Resistansinya bergantung pada arus, didefinisikan sesuai dalam persamaan 2.4:

𝑅𝑅 =

𝑉𝑉

(2.4)

𝐼𝐼

Kurva hubungan arus dan tegangan pada material Ohmik adalah linear sedangkan material nonohmik kurva hubungannya tidak linear. Resistansi suatu kawat penghantar sebanding dengan panjang kawat dan berbanding terbalik dengan luas penampang lintang sesuai dalam persamaan 2.4 :

𝑅𝑅 = ρ

𝐿𝐿

𝐴𝐴

(2.5)

34

Dimana ρ disebut resistivitas material penghantar. Satuan resistivitasadalah ohm meter (Ωm). Kebalikan dari resistivitas disebut konduktivitas (σ).Adapun nilai konduktivitas suatu material bergantung dari sifat material tersebut. Konduktivitas listrik adalah kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. Persamaan berikut merupakan hubungan konduktivitas listrik dan resistansi sesuai dalam persamaan 2.6 dan 2.7 :

𝑅𝑅 =

𝐿𝐿

(2.6)

𝐿𝐿

(2.7)

σ𝐴𝐴

σ = 𝑅𝑅𝑅𝑅

Nilai konduktivitas pada suatu material dapat diukur dengan mengunakan probe empat titik (four point probe), yaitu suatu jajaran empat probe diletakkan di atas material yang diukur konduktivitasnya. Kemudian sumber tegangan dipasang pada dua probe terluar untuk menghasilkan arus diantara probe dalam, dengan demikian pada probe bagian dalam akan timbul tegangan. (Keithley, 2005). Hasil yang telah didapat dianalisa berdasarkan hukum ohm.

Gambar 2.11. Penentuan Konduktivitas Metode four point Collinear probe

35

2.6.4. Spektofotometer Ultra Violet-Visible (UV-Vis) Karakterisasi dengan Spektofotometer Ultra Violet-Visible (UV-Vis) dilakukan untuk membantu penentuan sifat optik seperti besarnya energi gap.Spektroskopi adalah teknik yang digunakan untuk mengeksitasi elektron valensi dalam atom seperti celah pita (band) dari atom atau molekul. (M.M. Grady, 2006) Spektofotometer ini merupakan gabungan antara spektrofotometri UV dan Visible. Menggunakan dua buah sumber cahaya berbeda, sumber cahaya UV dan sumber cahaya Visible. Spektrofotometer UV-Vis mempunyai rentang pengukuran pada panjang gelombang 200-800 nm (Gambar).Gugusan atom yang mengabsorpsi radiasi UV-Vis adalah gugus kromofor. Ketika suatu molekul sederhana

dikenakan

radiasi

elektromagnetik,

molekul

tersebut

akan

mengabsorbsi radiasi elektromagnetik yang energinya sesuai. Pada molekul terjadi transisi elektronik dan absorbsi tersebut menghasilkan garis spektrum (Gambar 2.12).

Gambar 2.12. Spektrum Gelombang Elektromagnetik

36

Spektrofotometer

Ultraviolet-Visible

(UV-Vis)

digunakan

untuk

menentukan lebar celah pita energi dalam semikonduktor.Lebar celah pita energi semikonduktor menentukan sejumlah sifat fisis semikonduktor tersebut.Beberapa besaran yang bergantung pada lebar celah pita energi adalah mobilitas pembawa muatan dalam semikonduktor, kerapatan pembawa muatan, spektrum absorpsi, dan spektrum luminisensi. Ketika digunakan untuk membuat

divais

mikroelektronik, lebar celah pita energi menentukan tegangan cut off persambungan

semikonduktor,

arus

yang

mengalir

dalam

devais,

kebergantunganarus pada suhu, dan sebagainya.

Gambar 2.13. Prinsip Kerja UV Vis Spectroscopy Dasar pemikiran metode penggunaan UV-Vis sederhana. Jika material disinari dengan gelombang elektromagnetik maka foton akan diserap oleh elektron dalam material. Setelah menyerap foton, elektron akan berusaha meloncat ke tingkat energi yang lebih tinggi. Jika elektron yang menyerap foton mula-mula berada pada puncak pita valensi maka tingkat energi terdekat yang

37

dapat diloncati electron adalah dasar pita konduksi. Jarak ke dua tingkat energi tersebut sama dengan lebar celah pita energi.

Gambar 2.14.Eksitasi elektron saat di sinari dengan gelombang.

Jika energi foton yang diberikan kurang dari lebar celah pita energi maka elektron tidak sanggup meloncat ke pita valensi.Elektron tetap berada pada pita valensi.Dalam keadaan ini dikatakan elektron tidak menyerap foton.Radiasi yang diberikan pada material diteruskan melewati material (transmisi). Elektron baru akan meloncat ke pita konduksi hanya jika energi foton yang diberikan lebih besar daripada lebar celah pita energi. Elektron menyerap energi foton tersebut.Dalam hal ini dikatakan terjadi absorpsi gelombang oleh material.Ketika kita mengubahubah frekuensi gelombang elektromagnetik yang dijatuhkan ke material maka energi gelombang dimana mulai terjadi penyerapan oleh material bersesuaian dengan lebar celah pita energi material.Lebar celah pita energi semikonduktor umumnya lebih dari 1 eV.Energi sebesar ini bersesuaian dengan panjang gelombang dari cahaya tampak ke ultraviolet. (Abdullah M.,et al, 2008).

38

Gambar 2.15.Instrumentasi Spektrofotometer UV-Vis

Pengukuran

dengan

UV-Vis

spektrofotometer

dilakukan

pada

nilaiabsorbansi.Absorbansi dengan simbol A dari larutan merupakan logaritma dari (1/T atau logaritma lo/l).Absorbsi meliputi transisi dari tingkat dasar ke tingkat yang lebih tinggi, yakni tingkat tereksitasi. Dengan menelaah frekuensi bahan yang tereksitasi maka dapatdiidentifikasi dan dianalisis karakteristik dari sebuah bahan. Pada bahan

semikonduktor, kemampuan dalam menyerap radiasiatau

energi disebut sebagai absorbansi dimana masing-masing bahan semikonduktor memilki nilai absorbansi dengan rentang panjang gelombang yang berbedabeda.Absorbansi yang diukur instrument Uv-Vis sesuai dengan hukum LambertBerr :

Dengan :

𝐴𝐴 = 𝜀𝜀. 𝑏𝑏. 𝐶𝐶

A = Absorbansi (unit absorbansi / a.u.) 𝜀𝜀 = Absorpivitas molar (M-1cm-1)

(2.8)

39

b = tebal larutan (cm) C = konsentrasilarutan (M)

1

Dimana :

𝐼𝐼

𝛼𝛼 = − 𝑏𝑏 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝐼𝐼

0

(2.9)

α = koefisien absorbsi b = tebal sampel (cm) I0 = intensitas cahaya yang menuju sampel (W/m2) I = intensitas cahaya yang keluar dari sampel (W/m2)

Transmitansi didefinisikan sebagai rasio antara intensitas cahaya yang ditransmisikan dengan intensitas cahaya yang menuju sampel. 𝐼𝐼

𝑇𝑇 = 𝐼𝐼

0

(2.10)

hubungan antara absorbansi dan transmitansi sebagai berikut : A = −logT

(2.11)

Penentuan nilai energi gap (celah energi) semikonduktor dapat dilakukan dengan membuat ekstrapolasi pada daerah linier dari grafik hubungan antara (αhυ)2sebagai absis (sumbu y)terhadap hυsebagai ordinat (sumbu x)berdasarkan persamaan : αhυ = C(hυ – Eg)n/2 dengan :

C = konstanta n = bilangan yang bergantung sifat transisi α = koefisien absorbansi hυ = energi Foton (eV)

(2.12)

40

Kemudian dalam penentuan nilai energi foton semikonduktor dihitung berdasarkan persamaan :

𝐸𝐸𝑔𝑔 =

ℎ𝑐𝑐

λ

(2.13)

dengan : h = tetapan Planck (6,63 x 10-34 J.s atau 4.14 ×10–15eV) c = kecepatan cahaya (3 x 108 m/s) λ = panjang gelombang (m) Dengan melakukan ekstrapolasi bagian linier kurva (αhυ)2terhadap hυ memotong absis, diperoleh nilai energi yang dinamakan celah energi (Eg). Ekstrapolasi dilakukan pada daerah kurva yang meningkat tajam, dimana daerah tersebut menyatakan terjadinya transisi langsung. (Sze, S.M., 2007.)

2.6.5. FTIR(Fourier Transform Infra Red) FTIR (Fourier Transform Infra Red)merupakanmetode analisis material dengan menggunakan spektroskopi sinar infra merah.FTIR ini adalah teknik yang digunakan untuk mendapatkan spektrum inframerah dari absorbansi dan transmitansi dari sampel padat, cair maupun gas. Karakterisasi dengan menggunakan FTIR bertujuan untuk mengetahui jenis-jenis vibrasi antar atom. FTIR juga digunakan untuk menganalisa senyawa organik dan anorganik serta analisa kualitatif dan analisa kuantitatif dengan melihat kekuatan absorpsi senyawa pada panjang gelombang tertentu. (Thermo Nicolet Corp, 2001)

41

Sinar infra merah memiliki rentang panjang gelombang dari 2.5 μm sampai 25 μm. Adapun frekuensi sinar infra red memiliki rentang dari 400 cm1

sampai 4000 cm-1. FTIR merupakan salah satu pengujian tidak merusak.Dalam

spektroskopi sinar infra merah, radiasi sinar infra merah ditembakkan ke arah sebuah molekul.Sebagian radiasi sinar infra merah tersebut diserap (diadsorpsi) oleh molekul dansebagian lagi diteruskan (ditransmisikan) melalui molekul tersebut yangmenghasilkan sebuah spektrum.Hasil spektrum tersebut mewakili nilai adsorpsidan transmisi dari molekul. Seperti sidik jari manusia, tidak ada molekul yangmemiliki nilai spektrum atau vibrasi yang sama. Hal itu menyebabkanspektroskopi infra merah sangat bermanfaat untuk menganalisis dari molekul.Instrumen FTIR memiliki 5 komponen, yaitu Sumber sinar infra merah, Interferometer, Sampel, Detektor, dan komputer.Alat uji FTIR ditunjukkan seperti pada Gambar 2.16.

Gambar 2.16. Instrumentasi Uji FTIR (Fourier Transform Infra Red)

42

Pengujian

FTIR

memiliki

3

fungsi,

yaitu

(i)

untuk

mengidentifikasimaterial yang belum diketahui, (ii) untuk menentukan kualitas atau konsistensisampel, dan (iii) untuk menentukan intensitas suatu komponen dalam sebuahcampuran. FTIR merupakan pengujian kuantitatif untuk sebuah sampel.Ukuranpuncak (peak) data FTIR menggambarkan jumlah atau intensitas senyawa yangterdapat didalam sampel.FTIR menghasilkan data berupa grafik intensitas danfrekuensi.Intensitas menunjukkan tingkatan jumlah senyawa sedangkan frekuensimenunjukkan jenis senyawa yang terdapat dalam sebuah sampel. Gambar 2.18menunjukkan hasil proses pengujian instrumental FTIR. (Thermo Nicolet Corp, 2001)

Gambar 2.17.Proses Pengujian instrumental FTIR