EFEK VARIASI PERSENTASE ATOM PEN-DOPING GALIUM-BORON TERHADAP MORFOLOGI NANOROD ZnO Saddiah*, Iwantono, Akrajas Ali Umar Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau Kampus Bina widya Pekanbaru, 28293, Indonesia *
[email protected] ABSTRACT ZnO nanorods growth has been performed by using hydrothermal method at a temperature of 90°C for 8 hours on the surface of Fluorine Tin Oxide (FTO). The effect of Gallium (Ga) atom varied by 1%; 1.5%; 2%; 3% with boron (B) atom 1% on the growth of ZnO nanorods was investigated. The samples were characterized by using Field Emission Scanning Microscope (FESEM) to analyze the morphology of the Ga-B growth doped ZnO nanorods. FESEM images showed that the Ga-B doped ZnO nanorod grown on the surface of the FTO has hexagonal face shape and diameter varied in the range 87-400 nm. The addition of Ga atoms resulted ZnO nanorods diameter size became uniform. The cross sectional FESEM of the sampel showed that the increasing of Ga atom, then ZnO nanorods were formed shorter and coresponding to have skew. Keywords : ZnO nanorod, co-doping, FESEM, hydrothermal ABSTRAK Telah dilakukan penumbuhan nanorod ZnO menggunakan metode hidrotermal pada suhu 90oC selama 8 jam di atas permukaan Flourine Tin Oxide (FTO). Pada penelitian ini dianalisa bagaimana efek dari variasi persentase atom pen-doping galium 1%; 1,5%; 2%; 3% dengan atom pen-doping boron 1% terhadap penumbuhan nanorod ZnO. Sampel dianalisa menggunakan metode Field Emission Scanning Microscope (FESEM) untuk melihat morfologi dari nanorod ZnO yang di-doping galium-boron yang telah ditumbuhkan. Foto FESEM memperlihatkan bahwa nanorod ZnO yang di-doping atom galium-boron tumbuh di atas permukaan FTO dengan penampang berbentuk heksagonal, ukuran diameter yang dihasilkan cukup bervariasi berada pada rentang 87-400 nm. Penambahan pen-doping atom galium menyebabkan diameter nanorod ZnO menjadi tidak seragam. Foto FESEM cross section menunjukkan bahwa dengan meningkatnya jumlah atom pen-doping gallium, maka nanorod ZnO yang terbentuk semakin pendek dan pertumbuhan nanorod ZnO cenderung condong. Kata kunci : Nanorod ZnO, co-doping, FESEM, hidrotermal
1
PENDAHULUAN Zinc Oxide (ZnO) merupakan suatu material yang sangat berpotensi untuk diaplikasikan sebagai elektroda transparan dalam teknologi sel surya, piranti elektroluminescence dan piranti untuk pemancar ultraviolet (Abdullah et al, 2012). Nanorod ZnO dapat ditumbuhkan di atas substrat Fluorine Tin Oxide (FTO) menggunakan metode hidrotermal. Berbagai upaya telah dilakukan untuk meningkatkan sifat fisis dari ZnO. Salah satunya adalah dengan melakukan pen-doping-an menggunakan atom logam. Unsur logam yang bisa digunakan sebagai atom pen-doping adalah galium dan boron. Pen-doping-an atom logam terhadap penumbuhan nanorod ZnO diharapkan dapat menghasilkan nanorod ZnO dengan ukuran yang seragam, densitas yang tinggi dan tumbuh vertikal sehingga dapat meningkatkan sifat optik dan listrik (Soaram, 2014).
dalam keadaan murni maupun setelah diberi pen-doping. Semikonduktor ZnO memiliki sifat-sifat yang menguntungkan, seperti transparansi yang baik, mobilitas elektron tinggi, celah pita energi yang lebar dan luminisensi pada suhu kamar yang kuat. Sifat-sifat tersebut digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti elektroda transparan pada sel surya, perangkat penghemat energi dan aplikasi-aplikasi dibidang elektronik sebagai film tipis pada transistor dan light emiting diode (Witjaksono, 2011). 2.
Nanorod ZnO
Salah satu struktur nano yang menjadi fokus dan pusat perhatian para peneliti saat ini adalah nanorod ZnO. Nanorod ZnO dapat diaplikasikan sebagai elektroda transparan dalam perangkat optoelektronik. Oleh sebab itu pada penelitian ini dilakukan penumbuhan nanorod ZnO di atas permukaan FTO dan memberikan sejumlah atom logam sebagai pen-doping.
LANDASAN TEORI
3.
1.
Hidrotermal berasal dari bahasa Yunani asli, yaitu hydros yang berarti air dan termos yang berarti panas. Byrappa dan Adschiri (2007) menjelaskan hidrotermal merupakan suatu reaksi kimia yang heterogen akibat adanya bahan pelarut yang menggunakan temperatur dan tekanan yang sangat tinggi dalam sistem tertutup. Proses terjadi dalam wadah tertutup bertujuan untuk mencegah hilangnya pelarut walaupun dipanaskan di atas titik didihnya. Metode hidrotermal memiliki banyak keuntungan seperti persiapannya yang sederhana, penggunaan
Semikonduktor Seng Oksida
Material Seng Oksida (ZnO) merupakan senyawa kimia organik berupa serbuk putih yang hampir tidak larut dalam air namun dapat larut dalam keadaan asam dan basa. Pada tabel periodik unsur, Zn berada pada golongan IIB dan O pada golongan VIA yang memiliki lebar celah pita energi sebesar 3,37 eV (Ginting, 2014), sehingga ZnO bersifat transparan di daerah cahaya tampak pada spektrum elektromagnetik (Dixit, 2012). ZnO merupakan semikonduktor tipe-n baik
Metode Sintesis Nanorod ZnO
2
suhu reaksi yang relatif rendah, dispersi yang seragam untuk doping atom logam, serta kontrol stoikiometri dan memberikan kehomogenan secara kimia yang baik (Feng et al, 2012; Gupta et al, 2012). Metode hidrotermal memiliki beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan proses konvesional lainnya, yaitu mampu menghasilkan produk kristal yang homogen dan dapat dicapai pada temperatur rendah dengan derajat kristalinitas tinggi, dapat mengurangi penggumpalan di antara partikel-partikel, mampu menghasilkan distribusi ukuran partikel yang relatif seragam, morfologi partikel yang terkontrol, dan kemurnian produk tinggi (Witjaksono, 2011). Metode hidrotermal banyak diselidiki oleh para peneliti untuk menghasilkan nanarod ZnO yang optimum. Mensintesa nanostruktur dengan tingkat keteraturan yang tinggi dapat menghasilkan pola yang lebih seragam dan ukuran yang seragam pula. Menurut penelitian yang telah dilakukan oleh Iwantono dkk (2014a dan 2014b) pada penumbuhan nanorod ZnO menggunakan metode hidrotermal, sampel terbaik dihasilkan oleh konsentrasi larutan penumbuh 0,1 M dan suhu penumbuhan 90oC selama 8 jam.
4.
Sintesis Nanorod ZnO yang Didoping Atom Logam
ZnO merupakan semikonduktor yang memiliki banyak keunggulan, salah satunya yaitu memiliki sifat elektronik yang dapat dikontrol melalui penambahan atom logam. Penambahan atom logam ini disebut dengan pengotor atau yang lebih dikenal dengan doping. Doping logam
pada ZnO adalah penambahan atom logam dengan sengaja ke dalam larutan penumbuh dengan takaran maksimal 10% dari jumlah larutan penumbuh itu sendiri. Pemberian doping bertujuan untuk meningkatkan sifat optik dan listrik dari ZnO. Selain itu, pemberian doping juga dapat memodifikasi morfologi dari suatu nanomaterial ZnO yang diharapkan dapat menghasilkan sifat yang dapat dikontrol/sifat baru. Doping juga dapat dilakukan dengan menambahkan 2 macam atom logam sekaligus seperti pada ZnO yang didoping atom galium dan boron. Istilah ini dikenal dengan sebutan co-doping. Galium adalah zat padat yang mudah melebur pada suhu rendah namun sulit mencair di atas suhu kamar. Penelitian ini menggunakan gallium (III) nitrate hydrate yang memiliki rumus kimia Ga(NO3)3.xH2O. Galium nitrat terdiri dari garam galium dan asam nitrat yang mempunyai massa atom 255,74 gram/mol dan titik lebur 110oC yang mudah larut dalam air. Selain itu galium juga memiliki sifat optik dan listrik yang cukup baik karena reaktivitas oksigen yang rendah serta memiliki kesamaan antara jari-jari atom Ga3+ sebesar 0.062 nm dan Zn2+ sebesar 0,083 nm (Rao et al, 2012). Trymethil Borate adalah bahan kimia dengan rumus C3H9BO3 memiliki massa atom relatif 103,91 gram/mol dan titik didih 68,7oC. Boron merupakan konduktor listrik yang baik pada suhu yang tinggi. Dalam sistem periodik unsur boron terdapat pada golongan III A. Boron termasuk unsur semilogam. Penggunaan boron dipertimbangkan sebagai bahan pengotor bertujuan untuk mendapatkan transparansi optimum pada cahaya tampak, stabilitas dan konduktivitas yang
3
tinggi. Pen-doping-an galium dan boron yang termasuk unsur logam ini diharapkan dapat menghasilkan struktur morfologi yang seragam dan sifat fisis yang lebih baik, sehingga dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang terutama dye sensitizer solar cells (DSSC). 5.
Karakterisasi Nanorod ZnO
Karakterisasi nanorod ZnO yang di-doping galium-boron menggunakan FESEM merupakan karakterisasi dengan mikroskop yang bekerja menggunakan elektron sebagai sumber pencitraan dan medan magnetik sebagai lensanya. Karakterisasi FESEM ini berguna untuk menganalisa permukaan dari struktur, tekstur (topografi) dan menganalisa bentuk dan ukuran (morfologi) serta menganalisa komposisi dari substrat.
METODOLOGI PENELITIAN Metode penumbuhan nanorod ZnO menggunakan metode hidrotermal terdiri dari dua tahap yaitu proses pembenihan dan proses penumbuhan. Proses pembenihan nanorod ZnO diawali dengan pembuatan larutan pembenih yaitu dengan melarutkan Zink asetat dihidrat dengan konsentrasi 0,01M (Ridha et al, 2013) ke dalam 10 mL ethanol. Selanjutnya pembenihan dilakukan dengan pendeposisian larutan pembenih ke atas permukaan FTO. sedangkan proses penumbuhan diawali dengan pembuatan larutan penumbuh yaitu dengan mencampurkan Zinc Nitrate Hexahydrate 0,1 M, HMT 0.1 M (Iwantono dkk, 2014b ; Soaram et al, 2014) dan 20 mL DI Water.
Setelah semua larutan tercampur merata, maka larutan penumbuh 20 mL dibagi menjadi 10 mL pada masing-masing botol. Selanjutnya diteruskan dengan proses pendoping-an, yang diawali dengan menyiapkan masing-masing larutan galium dan boron. Larutan boron dibuat dengan mencampurkan 0,1 mL boron dengan 9,9 mL DI Water, dan larutan galium dibuat dengan mencampurkan 0,256 gram galium dengan 10 mL DI Water. Kemudian larutan boron di masukan ke dalam masing-masing botol sebanyak 1% (Pawar et al, 2005) dari larutan penumbuh, dilanjutkan dengan larutan galium dengan variasi persentrase 1%; 1,5%; 2% dan 3% dari larutan penumbuh. Setelah semua larutan tercampur merata lalu substrat yang sudah dibenihkan di masukan ke dalam larutan penumbuh dengan posisi FTO membentuk sudut <90º terhadap dinding botol. Kemudian substrat di masukan ke dalam oven selama 8 jam pada suhu 90℃. Proses selanjutnya sampel di-annealing dalam furnace dengan suhu 250℃ selama 30 menit (Iwantono dkk, 2014b).
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 1. Foto FESEM nanorod ZnO dengan variasi persentase pen-doping galium (a) 1% (b) 1,5% (c) 2% (d) 3% pada perbesaran 50.000x Foto FESEM dari empat sampel yang berbeda memperlihatkan pada substrat FTO telah tumbuh nanorod ZnO. Nanorod ZnO yang terbentuk memiliki diameter yang bervariasi, yaitu pada rentang 87-400 nm. Penambahan jumlah persentase atom galium menyebabkan struktur ZnO yang terbentuk menjadi tidak seragam. Foto cross section pada Gambar (2) menunjukkan bahwa dengan meningkatnya jumlah atom pen-doping galium, artinya perbandingan atom pendoping galium dan boron semakin besar maka nanorod ZnO yang tumbuh didominasi dengan struktur heksagonal yang pendek. Pendeknya nanorod ZnO yang dihasilkan disebabkan oleh ion Ga3+
trivalen yang mengakibatkan menurunnya ion Zn2+ untuk mengimbangi perbedaan muatan dari atom pen-doping galium, sehingga dapat menekan atau menahan pertumbuhan dari nanorod ZnO. Semakin banyak persen galium maka semakin besar perbedaan muatan yang akan diimbangi oleh ion Zn2+. Berdasarkan Gambar (1) dan (2) dapat dijelaskan bahwa dengan penambahan pen-doping atom galium sebesar 1,5% nanorod ZnO memiliki ketebalan yang lebih besar daripada nanorod ZnO dari sampel persentase lainnya. Namun bentuk penampang heksagonal yang dihasilkan menjadi tidak sempurna. Hal ini disebabkan oleh
5
penyisipan atom pen-doping galium-boron ke dalam struktur kisi nanorod ZnO sehingga mampu merusak struktur nanorod dan mempengaruhi sifat kristalinitas nanorod ZnO (Soaram et al, 2014). Sampel dengan variasi persentase atom pen-doping galium sebesar 1%, 2% dan 3% menghasilkan morfologi yang berbentuk struktur heksagonal sempurna, dengan ketebalan yang lebih pendek. Sedangkan sampel dengan persentase
galium sebesar 1,5% menghasilkan nanorod yang lebih tinggi yaitu 1,632 µm. Namun nanorod ZnO dengan bentuk penampang heksagonal yang tumbuh menjadi tidak sempurna. Hal ini disebabkan oleh penyisipan atom pendoping galium-boron ke dalam struktur kisi nanorod ZnO mampu merusak struktur nanorod dan mempengaruhi sifat kristalinitas nanorod ZnO (Soaram et al, 2014).
Gambar 2. Tampilan cross-sectional FESEM nanorod ZnO dengan variasi doping galium (a) 1% (b) 1,5% (c) 2% (d) 3% KESIMPULAN Berdasarkan foto FESEM dapat disimpukan bahwa nanorod ZnO yang didoping atom galium-boron tumbuh dengan struktur heksagonal menghasilkan diameter yang bervariasi yaitu antara 87-
400 nm. Penambahan atom galium sebesar 1,5% menyebabkan nanorod ZnO menjadi rusak hal ini disebabkan masuknya atom pen-doping kekisi nanorod ZnO. Foto cross section yang menunjukan bahwa nanorod ZnO yang tumbuh pada variasi atom galium 1,5% lebih tinggi daripada
6
nanorod ZnO dengan variasi lainnya yaitu 1,632 µm. Tinggi nanorod ZnO pada variasi galium sebesar 1%; 2%; 3% berturut-turut yaitu 1,231 µm; 1,083 µm; 949,4 nm. DAFTAR PUSTAKA Abdullah, M. 2012. Pengantar Nanotekologi. Institut Teknologi Bandung. Bandung. Byrappa, K. and Adschiri, T. 2007. Hydrothermal Technology for Nanotechnology. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 53:117-166. Dixit, H. 2012. Firs-principles electronic structure calculation of transparent conducting oxide materials. Thesis. Departement Fysica Faculteit Watenschappen Universiteit Antwerpen Belgium. Feng H., M. H. Zhang, and L. E. Yu. 2012. Hydrothermal Synthesis and Photocatalytic Performance of Metal-Ions Doped TiO2. App. Cat. A : General 413-414 : 238-244. Ginting, R. T., 2014. Peningkatan Prestasi Sel Suria Organik Jenis Songsang dengan Pendopan Mg dan Ga ke dalam Tata susunan Nanorod ZnO, Tesis, Fakulti Sains dan Teknologi Universiti kebangsaan Malaysia, Bangi. Gupta S. M., and M. Tripathi. 2012. A Review on the Synthesis of TiO2
Nanoparticles by Solution Route. Cent. European J. Chem. 10(2) : 279-294. Iwantono, Anggelina, F., Taer, E., dan Taslim, R. 2014a. Sel Surya Fotoelektrokimia dengan Nanopartikel ZnO Sebagai material Aktif Elektroda Kerja dan Nanopartikel Platinum Sebagai Elektroda Lawan. Semirata, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor : 518-524. Iwantono, Oktorina, E., Taer, E., dan Taslim, R. 2014b. Karakterisasi dan Penumbuhan Nanopartikel Zink-Oxida (ZnO) Di Atas Substrat Padat dengan Metode Hidrotermal. Semirata, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor : 510-517. Pawar, B. N., Jadkar, S. R., Takwale, M. G. 2005. Deposition and characterization of transparent and conductive sprayed ZnO : B thin films. Journal of Physics and Chemistry of Solids 66 : 1779– 178. Rao, T. P., Kumar, M. C. S., Hussain, N. J. 2012. Effects of thickness and atmospheric annealing on structural, electrical and optical properties of GZO thin films by spray pyrolysis. Journal of Alloys and Compounds 541 (2012) 495– 504.
7
Ridha N. J., Mohammad, H. H. J., Umar. A. A., and Alosfur. F. 2013. Defects-controlled ZnO Nanorods with High Aspect Ratio for Ethanol Detection. Int. J. Electrochem. Sci., 8 ; 4583–4594.
Witjaksono, A. 2011. Karakterisasi Nanokristalin ZnO Hasil Presipitasi dengan Perlakuan Pengeringan, Anil dan Pasca Hidrotermal, Tesis Metalurgi dan Material Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok.
Soaram, K., Hyunggil, P., Giwoong, N., Hyunsik, Y., Byunggu, K., Iksoo, J., Younggyu, K., Ikhyun, K., Youngbin, P., Daeho, K., and JaeYoung, L. 2014. Hydrothermally Grown Boron-Doped ZnO Nanorods for Various Applications: Structural, Optical, and Electrical Properties. 10 (1) : 81-87.
8
