VOLUME4. NoMoR I
JURNAL FISIKA DAN APLIKASINY^
JANUARI2OO8
Efek JenisPelarutpadaSifat OptikoMorfologi Lossdari Pandu Permukaandan KoefisienWavegaide GelombangPlanar Polimer TerkonjugasiMEH-PPV Ayi Bahtiar,*Yeni Kurniawati,Fitrilawati,YayahYuliah,dan I MadeJoni Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Padjadjaran Bandung Kampus Jatinangor; Sumedang 45363
Intisari Dalamtulisanini dilaporkanstudi efekjenis pelarutpadasifat optik, morfologipermukaandan koefisien waveguidelossas- dari pandugelombangplanarpolimer MEII-PPV. Pandugelombangplanardibuatdengan teknik spin-coatingdari larutanpolimer denganpelarut toluen, kloroform dan THF. Itasil studi menunjukkan bahwasifat optik dan morfologipermukaanfilm MEH-PPVdipengaruhiolehjenis pelarutyang digunakan Film denganpelaruttoluendan kloroformmempunyaimorfologipermukaanyanghomogen,akibatnyanilai ae- lebih kecil dari I dB/cm. SedangkanpelarutfilF membentukteksturdi permukaanfilm MEH-PPVkarena agregasirantaipolimer,sehingganilai ae- menjadibesar. KArA KUNcr: pandu gelombang plmar, MEH-PPV, aggregat,koefisien waveguide loss
I.
PENDAHULUAN
Pandu gelombang planar dari polimer merupakan bagian yang sangat penting dalam perkembangan teknologi fotonik seperti vnf;.tk integrated optics [l, 2], laser [3], LED [4], sel surya [5] dan divais optik nonlinier [6, 7). Pandu gelombang planar sangat cocok dikembangkan un[tk integrated opdcs (IO), karena mudah difabrikasi dan dapat diintegrasikan dengan komponen optik yang lain. Untuk aplikasi pandu gelombang planar, terdapat persyaratan film tipis yang sangat berkaitan dengan kualitas optik. Kualitas film tipis yang dinyatakan dengan optical /oss [8] akan menentukan kinerja dari piranti yang dibual Film tipis untuk pandu gelombang planar harus transpaftm, mempunyai indeks bias dan ketebalan yang homogen, mempunyai permukaan yang halus serta memiliki koefisien wovegtide loss an- < I dB/cm. Mendapatkanfilm tipis yang berkualitas baik merupakan kendala utama unhrk aplikasi, sehingga banyak upaya yang dilakukan berkaitan denganhal tersebut [9-l l]. Salah satu metoda pembuatan film tipis polimer yang banyak dipakai adalah spin-coating [8]. Pada metoda tersebut terdapat beberapaparameteryang dapat dikonhol antara lain jenis pelarut, konsentrasi larutan, temperatur dan kecepatan serta waktu rotasi. Ketebalan, kerataan atau morfologi permukaan filrn yang dihasilkan ditentukan oleh pemilihan parameter tersebut. Walaupun spin-coating sangat umum digunakarL namun prcses spin-coating masih belum dipahami secara terinci karena sangat kompleks. Dalam eksperimen, seringkali digunakan hubungan empiris antara parameterparametersp in-coatingvntuk memperolehsifat-sifat film tipis yang dihasilkan. Namun, hal itu hanya terbatas pada sis-
*E-MAIL: bahtiar.
ayi@gmail . com
@ JurusanFisikaFMIPA ITS
tem polimer-pelaruttertentu,dimana informasi yang berkaitan denganpolimer dan interaksiantarapolimer dan pelarut masihterbatas. Polirner terkonjugasipoli(p-fenilenvinilen)(PPV) dan hrrunannyamcrupakanpolimer yang banyak dikaji karena memiliki sifat semikonduktor, luminisensi dan optik non-linier [3-5, 71. Khususny4 poli[2-metoksi-S-(Z'etilheksiloksi)-1,4- fenilenvinilenl (MEH-PPV) sering digunakansebagaimodel materialuntuk memperolehpemahaman dasardari fotofisik polimer terkonjugasi[12, l3l. Polimer MEH-PPV mudah larut dalam pelarut organik biasa dan dapat dibuat dalam bentuk film denganteknik spin-coating. Dalam studi ini, dilakukanfabrikasipandugelombangplanar dari polimcr terkonjugasiMEH-PPVdenga.,teknikspizcoating dari larutan dengantiga jenis pelarut yang berbed4 yaitu toluen,kloroform dan tehahidrofurane(THF). Ketiga jenis larutan ini rnerupakanpelarut yang umum digunakan sebagaipelarutMEH-PPVdalampembuatan film tipis untuk berbagaiaplikasipiranti-pirantioptoelektronik.Tujuanstudi ini adalahuntuk mengkajipengaruhjenis pelarutterhadapabsorbansi,morfologipermukaandankoefisienwaveguideloss daripandugelombang planarpolimerMEH-ppV.Dalamstudi ini, ditunjukkanbahwajenis pelarutmenentukansifat-sifat optik, nrorfologi permukaandan koefisienwaveguideloss pandugelombang planarMEH-PPVyangdihasilkan.
II.
DASAR TEORI
Pandu gelombang planar merupakan shuktur dasar dari integrated optics (lO), yang berfungsi sebagai optoboard tempal dibangunnya komponen-komponen optik yang lain, seperti switches, optical modulato4 coupler. Pandu gelombang planar terdiri dari film tipis (indeks bias n2) yang terletak di an-
080101-l
AYI BAHTIAR,dA
J . F I S .D A NA P L . ,V o L ' 4 ' N o ' 1 , J a N u a n2t 0 0 8
-J oJ
udaran ,1
filmtipis,n,
t l-\-cH=cH
planaryangtcrdiri dariudar4filrn Gambar'1: Pandugelombang dansubstrat
tipis
b-H, o-u dan C:o di dalamfilm, (2)' hamburan i**t film, variasi keVuitg*utiU"*an oleh ketidaksempurnaan gelombang'dan pandu dalam di cacat iipituo, impuritas, permukaanfilm' ketidakrataan oleh permukaan iij. rt""tu*i" padajenis bergantung sangat kedua dan pertama irrt"t*ir*" mekanismeketiga danteknik pembuatanmaterial.Sedangkan planar' U"tgu"t*g padateknik pembuatanpandugelombang dinyatakan akibat hamburanpermukaan r"iigi*-["*gian koefisienwaveguideloss,an- ll4]: seUagai I
A:+@'1,+o1r)'t'
t" (2)
d adalahketcdengan) adalahpanjanggelornbang,cahay2, g,' sudutdatang adalah tipis;, Uati panOugelombinglnfn ketidakrataan variasi adalah op dan o2s cahayi. Besaran fihn tipis padabatasfilm-substratdanfilm-udara' p.#*""" yang berla5 i{onttuotu p dan q aclalahkonstanta-konstanta film tipis bias indeks indeksbiasudara, tan denganperbedaan tamPers'2' dan Pers'l Aaninaits'Oiassubstrat[15]. Dari loss' wavegaide koef,sien pak bahwauntuk meminimalisasi hodibuat harus film permukaan Lera-taandan mot{ologi dapat ini Hal minimum' menjadi orz nilai *og"" sehingga faparameter-parameter dilakukandenganm"ogoptimaiisasi mebrikasifilrn tip-is[16]- bisampingitu, hasilstudi terbaru ."":"tf.". bairwanilai ao- dipengaruhiolehorientasirantai raniaipolimeratauaggegatdalamfilrn tipis [17]' Iil.
I, n
Gambar2: StnrkturkimiapolimerMEI{-PPV
yang ditunjukkan tara substrat (ri3) tlan udara (n1), seperti di dalam merambat dapat cahaya Agar Jalam Gambar 1. n2 ) persyaratan selain maka tersebut, pandu gelombang minimum' ketebalan persyaratan terdapat ," , ,ijuga suSalah iatu parameterkrusial yang menentukanapakah gelompandu atu material dapat digrurakan untuk aplikasi (ag')' iung pf*u. atau tidak adalahkoefisien waveguide loss os"" nilai Ada"t'iga mekanisme utama yang mempengaruhi molekul-molekul vibrasi oleh V"iil, if i absorpsi cahaya
1 A 2 { c o s 3P - \ | Qs--; \#;'-)l*i;tl
tlt/ r CF{.O
Polimer dilarutkan didalam pelarut kloroform (J I" Bakcr toluen (JT. Baker) dan TIIF (Merck GmbH) mastng-masr dengan konsentrasi 0,3olo' Konsentrasi ini dipilih agar fil yang dibuat mempunyai ketebalan minimum dari pant (500 nm)' Larutan diaduk sat ielombang planar MEFI-PPV kemudian,larutan dibu homogen' iai t"-puf'Uening dan tekar*' spin-coatii dengan gelombang pandu hm tip" atau putalan diatur oleh 1 kecepatan mana tli (home made). disimp kemudian yang dihasilkan tiprs Film listrik. gangan 50' jam temperatur dengan 2 selama oven vakum Iiautu.n sisa-sisapelarut' untuk mcnghilangJ
: + bsQ@)) as-fttBfcml
denganx adalah:u*r. p"*niuatan cahaya dalam pa gelombangdan I(x) adalahintensitascahayasepanjangr perambatan-x.
METODOLOG1PENELITIAN
IV. TIASIL DAN DISKUSI
Material polimer terkonjugasiyang digunakanadalah MEH-PPV yang dibeli dai Sigma Aldrich denganberat 70'000g/mol' Strukturkimia MEHrnoiekulV,,-: +O.OOOPPV ditunjukkandalamGambar2'
SpektraUV-Vis larutanMEH-PPV ketigajenis pelarut ; berbedaditunjukkan dalam Gambar 4- Tampak bahwa ki jenis larutan memiliki spektrum absorpsiyang sama,di r
080101-2
J . F I s . D A NA P L . , V o L . V O L . 4 , N o . I , J A N U A R2I O O { t
AYr BAHIIAR, d/.f.
1 a!
06
[f
r," o "-
500
r.[nm]
Substratsllika
Gambar3: Susunaneksperimcnuntuk pengukuranu,aveguideloss coeficientdaripandugelombangplanar.
Gambar 5: Spektra tl!'-VislilnrtipisMIrlI-PPVdensan p€larutkloroform.toluen.dan f IiF
1.0
08 I a
06
I
0.,
L.'
02 0.0 300
500
r [nm] Gamtrar4: SpektratJV-Vis lamtanpolimer ME[{-PPV dalam pelarut kloroform. toluen.dan TI{F
spektrum terdiri dari superposisidari absorpsi yang tidak homogen dari panjang konjugasi yang berbeda. Hal ini berarti rantai polimer membentuk konfbrmasi yang sama untuk ketiga juris polimer. Dari pengamatanlarutan yang homogen dan transparan, secara kuantitatif dapat dikatakan bahwa rantai polirner membentuk konformasi yang terbuka. Diperlirkan pengukuran dengan tekaik Dynamic Light Scattering (DLS) untuk mengetahuijenis konformasi rantai polimer secara kualitatif dengan menghitungjarijari hidrodinamik dari rantai polimer dalam larutan. Gambar 5 menunjukkan spekha UV-Vis film tipis MEHPPV yang di spin-coating dari ketiga jenis larutan yang berbeda Tampak jelas bahwa ketiga jenis pelarut menghasilkan respon optik yang berbeda. Pelarut kloroform dan toluen menghasilkan panjang gelombang maksimum ()r,,*) yang sama yaitu pada 5l I nm, sedangkanA,,," film dari pelarut THF bergeser pada panjang gelombang yang lebih panjang (532 nm). Pergeseran nilai .\,,,," kearah panjang gelombang yang lebih besar dari larutan ke film, menunjukkan bahwa orientasi rantai polimer di dalam film berbeda dengan didalam larutan. Rantairantai polimer di dalam film akan bertumpuk akibat dari proses spin-coating, sehingga membentuk aggregat. Ag-
Cambar6; FotoSlrM pcrmukaan film lipis MEtl-irpv yangdispincoatingdarilarutankonsentrasi 0,37ndcnganpelarut(a).klorolorm, (b).toluen,dan(c).TIIF
gregat adalah bertunrpuknyaclektron-elektronyang tcrdelokalisasi di keadaandasar(ground states)dan keadaantereksitasi(excitedstutes),sehinggaeicktron- terdelokalisasitidak hanyameliputi kronrofor (rantaipolimer) tunggal,melainkan meliputi seluruhsegmenrantai polimer yang membentukaggregat.Akibatnyapanjangpolinrertcrkonjugasimenjadi lebih bcsar,sehingga),,,.., bcrgeserke panjang gelornbangyang lebih besar. Nilai .\,,,,.,,yang besardalam filnr MEH-PPV yang dibuat dari larutan'fHF, menunjukkanbahwaag$egat lebih banyak terbentuk dibandingkan dalam film yang dibuat dengan 'Ierbentuknya pelarut toluen dan klorofirrm. aggregatdalarn film dari pelarut'l'HF akan lebih tampakdalam foro SEM permukaanfilm. Hasil foto SEM permukaanfilm tipis MEHPPV yang dibuat denganpelarut toluen, kloroform dan'fHF 'larnpak diperlihatkanpada Garnbar6. bahwa jenis pelarut mempengaruhimorlirlogi perrnukaanlihn. Filrn tipis yang <|i-spin-codting dari larutanMEH-PPV de-
08010r-3
AYI BAHTIAR, dft.
J. FIs, DAN API-.,VOL. 4, NO. I, JANUARI2OO8
(a)
Fl|fi tr
(b)
IEi+-F Iv tlbn ltstltnr C'E& ail
F[!ftrEtt4rrasirrlt:rdttsr l'tr!1|il
a
(s
(' (n rc
(r-l ((t E (r)
'ii
c
.9 rm
tuu
0)
c
ltca-
\= lue+nm 1,= 0.6anttm
tEEl rn E,Elllttt
1.0
'|.3
t!
x [cml
x [cml
(b)
(a)
(o)
f||r !i
tEtt-Itu!3Er !'!E 5
FllnlTllF
400 ((t v, E a -
(u
.^^ ruu
c
0.4
x fsri (c)
planarMEH-PPVyangdibuatdenganpelarutkloroform,toluendanTHF pada /osspandugelombang waveguide Gambar7: Hasilpengukuran panjanggelombang1064nm.
nganpelarutkloroform dan toluen memiliki morfologi permukaan yang homogen,sedangkanuntuk pelarut TIIF menunjukkan tekstur yang berbentukpulau-pulau, akibat terbentuknyaagregat.Hasil SEM ini memperkuathasil spektra UV-Vis filrn tipis, dimana agregatterbentukdalam film yang dibuat dari larutanMEH-PPV denganpelarutTIIF (max film tipis morfologipermukaan yang lebih besar').Perbedaan MEH-PPV yang dibuat denganpelarut yang berbedaakan membawapengaruhyang cukupsignifikanterhadapkoefisien waveguide/oss. Gambar 7 menunjukkanhasil pengukuran waveguide/ossdari pandugelombangplanarMEH-PPVyang dibuatdenganpelarutyangberbeda. Tampakbahwaketigajenis pelarutyaitu kloroform, toluen dan THF menghasilkanrilai an,, yang berbeda. Perbedaan nilai ini berkaitan erat dengan morfologi permukaanfilrn yang berbeda.Film tipis yang dibuatdenganpelamttoluen dankloroform menunjukkannrlal as- < I dB/cm, akibatdari morfologi permukaanyang homogen,sehinggahamburan cahayadapatdiminimalisasi. Sebaliknya,nilai au- pandu gelornbangplanar MEH-PPV yang dibuat dari pelarut THF sebesar23 dB/cm diakibatkanoleh terbentuknyaaggegatdi perrnukaanfilm, sehinggacahayadi dalampandugelombang banyakyang terhambur.Pemilihanjenis pelarut menentukan sifat optik dan morfologi permukaanfilrn tipis serta nilai koefisienwaveguide/osspandugelombangplanarMEH-PPV.
v. sntPlt-.{\ Jenis pelarut mempengaruhisifat opti\ morfologi permukaanfiLn tipis dan koefisien v'ovquide /oss dari pandu gelombangplanarMEH-PPV.Pelamtkloroform dan toluen menghasilkan morfologi permukaan yang homogen dan ds- < I dB/cnL sshinggacocok untuk aplikaqi pandu gelombangplanar. Sebaliloya,pelarutTIIF mengakibatkan pembentukanaggrcgatdi dalamfikn, sehinggacahayaakan Akibabnyq banyakterharnbursepanjangarahperambatannya. film ini tidak cocokunnrk aplikasipandugelombangplanar.
Ucapan Terlma Kacih
terima kasih kepadaDirektorat JenPeneliti mengucapkan deral PendidikanTinggi, DepartemenPendidikanNasional yang telah membiaya penelitian Hibah Benaing XIV ini PekerjaanNomor: sesuaidenganSuratPerintahPelaksanaan tanggal29 MLarct2007. 03I /SP2FVPP/DP2M/III120O7
080101-4
J. Frs. DANApL., VoL. !'oL. 4, No. l, JANUART 2009
Ayr BaHrnn, dt&.
T.A. Skotheim,R.L. Elsenbaumer, andJ.R.Reynoldt,Handbook of ConductingPolymers(NanrYork Marccl Dekker,1998). [2] S.J.Lalama,J.E. Sohn,and K.D. Singer,IntegratedOptical Circuit EngineeringII SPIE578, 168,(1985). [3] M. D. McGeheeandA.J. Heeger,Adv. Marer.12, 1655(2000). [4] R. H. Friend, R. W. Gymer, A. B. Hobnes, J. H. Burroughes, R. N. Marks,C. Taliani,D. D. C. Bradley,D. A Dos Santos,J. L. Bredas,M. Loegdlund,and W. R. Salane,ck, Nature397, l2l []
(reee).
[5] C.J.Brabec,N.S.Sariciftci,andJ.C.Hummelen,Adv.Mater.12,
r6s5(200r).
andWE. Tomrellas,phil. Trans.R. Soc,Lond.A [6] G.L Stegeman 3s4,745(t996). [7] M. A. BadeqG. Marowsky,A. Bahtiar,K. Koynov,C. Bubeck, H. Tillmann,andH.-H. Hrhold, S. pereira"J. Opt. Soc.Am. B t9,2250 Q002). [8] WR. Holland, n Polymersfor Lighnoaveand Intqrated Optics, editedby L.A. Homak (New york: Marcel Dekker, 1992\
[9] M. Allegrini,A. Arena,M. Labardi,G. Martino,R. Girlanda,C. Pace,S. Patane,G. Saitt4 and S. Savasta, Appl. Surf. Sci. 142,
603(leee).
[0] L. L. SpangleaJ.M. Torkelson,and J.S. Royal, polym. Eng. Sci.30, 644(1990) Ull R. A. PethriclLandK. E. Rankin,J, Mater.Sci-Mater.El. 10. l4l (1999). [2] J. C. Scotl J. FL Kaufman,P.J. Brock, R. Dipierro,J. Salen. andJ. A. Gottia,J. Appl. Phys.19,2745(1996) U3l B. Schwartz,Annu.Rev.Phys.Chem.54, l4l (2003) ll4l P.K. Tien,Appl. Opr.10, 2395(t97t) [5] P. Yeh, Optical Wavesin Lryered Media (John Wiley & Sons Inc.,1988) [6] F. Fitrilawati,M.O. Tjia, l. Ziegler,andC. Bubeck,proc. SptE 3896,697(1999) [7] K. Koynov,A. Bahtiar,T. Ahn, H.-H. Hrhold andC. Bubeck. Macromol.39, 8692(2006)
080101-5
