Research and Development on Nanotechnology in Indonesia, Vol.1, No.2, 2014, pp. 68-73
ISSN : 2356-3303
Fungsionalisasi Permukaan Oksida dengan Ligan Piridin dalam Pembuatan Film Tipis Molekul Porfirin Secara Self-Assembly untuk Aplikasi Sel Surya Phutri Milana1*, Nurhayati2, Haris Setiawan2, Tati Ciptati1, dan Veinardi Suendo2,3 1
Kelompok Keahlian Kimia Organik, Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha No. 10, Bandung 40132, Indonesia 2 Kelompok Keahlian Kimia Anorganik dan Fisik, Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha No. 10, Bandung 40132, Indonesia 3 National Center for Nanotechnology, Jl. Ganesha No. 10, Bandung 40132, Indonesia Email:
[email protected] Received :10 January 2014 Accepted : 17 February 2014
ABSTRAK Porfirin merupakan suatu makromolekul organik yang memiliki potensi sebagai zat pemeka cahaya. Sehingga senyawa ini dapat digunakan pada aplikasi optoelektonik, sebagai alat organic photovoltaic dan elektroluminesensi. Namun, deposisi senyawa porfirin pada permukaan film tipis bukan hal yang mudah karena interaksi yang lemah antara senyawa porfirin dengan permukaan substrat. Pada penelitian ini, fungsionalisasi permukaan wafer silikon dilakukan dengan menggunakan TiCl4 dan isoniazida untuk membentuk substrat aktif. Permukaan substrat yang aktif dapat terikat kuat dengan senyawa logam porfirin melalui ikatan kovalen koordinasi. Karakterisasi morfologi permukaan substrat yang dimodifikasi menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). Pengujian deposisi senyawa logam porfirin pada substrat silikon yang dimodifikasi menggunakan pengukuran fotoluminesensi pada daerah sinar tampak. Kata kunci : ellipsometry, porfirin, ligan piridin, aktivasi lapisan oksida,
68 | CAS – Center for Advanced Sciences
Milana et al., RDNI, Vol.1, No.2, 2014, pp. 68-73
PENDAHULUAN Pengembangan sel surya di Indonesia mengalami kendala berupa ketidaktersediaannya bahan baku secara lokal yang berakibat pada tingginya harga per kWh dari listrik yang dihasilkan. Hal ini menyebabkan teknologi sel surya menjadi kurang menarik untuk dikembangkan sebagai sumber energi baru dan terbarukan. Salah satu solusi yang dapat dilakukan dalam memecahkan masalah ini adalah dengan mengembangkan sel surya berjenis dye-sensitized solar cell (DSSC) atau Grätzel Cell. Sel surya jenis ini hanya membutuhkan lapisan elektroda transparan, elektroda logam yang reflektif (back contact), sistem elektrolit, partikel semikonduktor (wide band gap) dan zat warna organik yang berfungsi sebagai pemeka pada permukaan partikel semikonduktor. Salah satu permasalah utama dalam pemekaan partikel semikonduktor adalah proses pembuatan thin film monolayer dari zat warna pemeka secara adsorpsi kimia pada permukaan partikel. Salah satu strategi yang banyak dikembangkan adalah dengan membuat suatu jembatan molekuler yang bersifat spesifik terhadap molekul pemeka sehingga proses pelapisan dapat berlangsung secara ekonomis melalui proses self-assembly. Pada penelitian ini, permukaan nanopartikel semikonduktor akan difungsionalisasi dengan molekul piridin yang merupakan suatu ligan yang cukup kuat dan spesifik dalam membentuk ikatan kompleks dengan sistem senyawa kompleks turunan porfirin seperti layaknya klorofil dan ZnTPP. Terdapat berbagai strategi kimia dalam menempelkan ligan piridin pada permukaan padatan, diantaranya adalah melalui pembentukan ikatan etoksi-silan yang dapat diaplikasikan pada permukaan kaca, silika ataupun substrat silikon yang memiliki lapisan oksidasi alami (native oxide)[1]. Jika substrat atau partikel logam yang hendak difungsionalisasi, dapat digunakan strategi melalui pelapisan dengan logam emas dan dilanjutkan dengan pembentukan ikatan sulfida[2] atau melalui proses oksidasi parsial yang dilanjutkan dengan proses terminasi hidroksida (-OH) serta pembentukan ikatan ester[3]. Pada penelitian ini dipilih strategi yang paling murah dan mudah, yaitu melalui proses terminasi hidroksida yang diikuti oleh pembentukan ikatan ester. Sebagai molekul uji dalam tahap imobilisasi akan digunakan zat warna pemeka berupa ZnTPP (zinc-tetraphenylpophyrin). Proses imobilisasi yang dilakukan akan berlangsung secara self-assembly dalam pelarut yang sesuai. Film tipis dan nanopartikel hasil fungsionalisasi dan yang telah dilapisi molekul porfirin terimobilisasi akan dikarakterisasi dan dianalisa berdasarkan sifat fisikokimia dan optoelektroniknya.
69 | CAS – Center for Advanced Sciences
Milana et al., RDNI, Vol.1, No.2, 2014, pp. 68-73
METODOLOGI PENELITIAN Grafting Ti(OH)x pada permukaan wafer silikon Wafer silikon dibersihkan dengan aseton menggunakan ultrasonic cleaner bath (Branson 2110), kemudian dicuci dengan etanol dan dilanjutkan dengan aqua demineralisasi. Wafer silikon dikeringkan dengan gas N2 yang disemprotkan. Wafer silikon tersebut dimasukkan ke dalam 30 mL kloroform dengan aliran gas N2 dan kemudian ditambahkan 4 mL TiCl4. Campuran reaksi direfluks pada suhu 71°C selama 2 jam. Wafer silikon yang telah termodifikasi dibiarkan kering di udara terbuka, selanjutnya dibersihkan dengan kloroform dan aqua demineralisasi dan kemudian dikeringkan dengan gas N2. Esterifikasi isoniazida pada permukaan wafer silikon/Ti(OH)x Wafer silikon yang termodifikasi dimasukkan ke dalam 30 mL kloroform dan 0,2 gram (1,4598 mmol) isoniazida. Campuran reaksi direfluks pada suhu 71°C selama 14 jam. Substrat wafer yang terbentuk dibilas kloroform dan dikeringkan dengan gas N2. Sintesis senyawa kompleks ZnTPP 0,4 g Zn(OAc)2 dilarutkan ke dalam 40 mL toluena sambil diaduk dengan stirrer. Kemudian pada campuran reaksi ditambahkan 0,01 gram H2TPP. Immobilisasi ZnTPP pada substrat yang termodifikasi Substrat wafer silikon berbagai tipe dimasukkan ke dalam larutan 0,1% ZnTPP dalam kloroform. Substrat tersebut direndam selama 15 menit, kemudian dikeringkan di udara terbuka.
70 | CAS – Center for Advanced Sciences
Milana et al., RDNI, Vol.1, No.2, 2014, pp. 68-73
HASIL DAN PEMBAHASAN (a)
Silicon wafer (100)
(b)
Activation of oxide surfaces
OH
Ti
O
O
O
O
O
O
OH
(c)
OH
Ti O
Silicon wafer (100)/Ti(OH)x
OH
Ti
Ti O
O
O
O
O
Functionalization of oxide surfaces N
N
O
O
N
Ti
O
O
O
O
O
O
O
O
O
Ti O
O
O
N Ti
O
Ti O
O O
O O
Immobilization of Zn-TPP N
-
Zn
N
N
N
2+
-
-
N
-
Zn
N
2+
N
Zn
N
N
2+
N
-
O
O
O
O
N O
Ti O
N
N -
N -
N
N
N
2+
Zn
N
N
N
-
Silicon wafer (100)/Ti(OH)x/Isoniazide
(d)
Ti O O
O O
O
O
O
Ti O
Ti O
O
O
O
O O
Gambar 1. Skema immobilisasi ZnTPP pada permukaan substrat wafer silikon yang telah difungsionalisasi piridin (a). Karakterisasi SEM permukaan wafer silikon (100) (b), permukaan silikon yang teraktifkan Ti(OH)x (100) (c), setelah difungsionalisasi dengan isoniazida melalui reaksi esterifikasi pada permukaan yang teraktifkan Ti(OH)x (d). Hasil karakterisasi SEM pada berbagai permukaan wafer silikon menunjukkan bahwa wafer silikon tanpa diaktivasi morforlogi permukaannya rata (Gambar 1b), sedangkan wafer silikon yang diaktivasi dengan TiCl4 dalam kloroform menunjukkan morfologi seperti benang dan butiran-butiran TiO2 atau Ti(OH)x (Gambar 1c). Morfologi permukaan wafer silikon yang telah diesterifikasi dengan isoniazida terlihat bahwa permukaannya lebih teratur dan rata. Hal ini mengindikasikan adanya lapisan isoniazida yang terbentuk (Gambar 1d).
71 | CAS – Center for Advanced Sciences
Milana et al., RDNI, Vol.1, No.2, 2014, pp. 68-73
c-Si (100)/ZnTPP c-Si (100)/Ti(OH)x/ZnTPP
50000
c-Si (100)/Ti(OH)x/isoniazida/ZnTPP
Intensitas Emisi
40000
x1 30000
20000
10000
x5
exc = 405 nm
0
tacc = 500 ms
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
Energi (eV)
Gambar 2. Spektra fotoluminesensi ZnTPP yang terdeposisi pada berbagai substrat: wafer silikon (100), wafer silikon yang teraktifkan dengan Ti(OH)x, dan setelah fungsionalisasi dengan isoniazida melalui reaksi esterifikasi pada permukaan yang teraktifkan Ti(OH)x. Spektra fotoluminensensi ZnTPP yang terdeposisi pada berbagai substrat wafer silikon (Gambar 2) mengindikasikan bahwa immobilisasi ZnTPP pada permukaan wafer silikon yang difungsionalisasi dengan isoniazida lebih banyak karena adanya ikatan kovalen koordinasi antara ligan piridin dan atom pusat ZnTPP seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Puncak emisi ZnTPP yang terimmobilisasi pada substrat wafer silikon (Gambar 2) mempunyai karakteristik yang hampir mirip dengan puncak emisi ZnTPP larutan yang ditunjukkan pada Gambar 3. 2,077ZnTPP dalam pelarut kloroform2,952
4,0
Absorpsi Emisi
3,5
400
0,4
Absorbans
2,5
1,932
E0,169 2.246 2,077
Intensitas fluoresensi (a.u)
3,0
300
500 400
2,0
0,3
1,5
0,2
1,0
0,1
300
200
200 100
100 2,0
0,5
2,094
2,246
2,1
2,2
2,3
0
0
0,0 2,0
2,5
3,0
Energi (eV)
Gambar 3. Spektra fotoluminesensi ZnTPP dalam kloroform.
72 | CAS – Center for Advanced Sciences
Milana et al., RDNI, Vol.1, No.2, 2014, pp. 68-73
KESIMPULAN Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa immobilisasi ZnTPP pada substrat wafer silikon yang terfungsionalisasi isoniazida telah berhasil dilakukan. Hal ini didukung oleh peningkatan intensitas sinyal fotoluminesensi secara signifikan dibandingkan substrat wafer silikon tanpa fungsionalisasi. Proses aktivasi dengan Ti(OH)x terbukti tidak memberikan peningkatan intensitas sinyal fotoluminesensi secara signifikan. Hal ini disebabkan karena senyawa ZnTPP dapat berikatan secara kovalen koordinasi dengan ligan piridin yang terikat pada matriks oksida natif lewat jembatan –O–Ti–O–.
DAFTAR PUSTAKA [1] A. Dreas-Wlodarczak, M. Mullneritsch, T. Juffmann, C. Cioffi, M. Arndt, M. Mayor, Langmuir 26 (2010) 10822. [2] C. Silien, M. Buck, G. Goretzki, D. Lahaye, N. R. Champness, T. Weidner, M. Zharnikov, Langmuir 25 (2009) 959. [3] M. T. Brumbach, A. K. Boal, D. R. Wheeler, Langmuir 25 (2009) 10685.
73 | CAS – Center for Advanced Sciences
