PEMBUATAN MIKROSTRUKTUR ELEKTRODA EMAS

Prosiding Skripsi Semester Genap 2009/2010 SK

SK-091304

PEMBUATAN MIKROSTRUKTUR ELEKTRODA EMAS Hikmat*, Fredy Kurniawan1, Suprapto1 Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Abstrak Pembuatan mikrostruktur elektroda emas pada beberapa material alas menggunakan teknik sputtering dan etching dipelajari dalam penelitian ini. Kebutuhan akan elektroda yang ringkas, kompak, memiliki kinerja yang bagus, dapat dibawa kemana–mana (portable) tetapi tidak membutuhkan tempat yang terlalu besar untuk penyimpan dewasa ini meningkat relatif cepat. Hal ini dapat dipenuhi dengan menciptakan elektroda yang berukuran kecil. Proses sputtering menggunakan alat sputtering dari EMITECH tipe SC7620 Sputter Coater. Kondisi kerja saat sputtering pada kondisi vakum dengan tekanan 4 x 10-2 s.d. 6 x 10-2 mbar dan arus plasma 18 mA. Etching dilakukan menggunakan larutan campuran KBr dengan Br2. KBr ditimbang sebanyak 0,0015 gram menggunakan neraca analitik, lalu dimasukkan ke dalam piala gelas 100 mL. Serbuk KBr dilarutan menggunakan 10 mL air brom 50 ppm. Uji repeatability dan reproduksibilitas menggunakan potensiostat dari EDAQ tipe e-corder 410. Pembuatan mikrostruktur elektroda emas dapat dilakukan dengan teknik sputtering dan etching. Elektroda yang berhasil dibuat memiliki ukuran diameter 600 µm dan lebar garis 200 µm. Elektroda emas buatan sendiri sebagian besar memiliki varian yang sama dengan elektroda emas komersial. Reproduksibilitas elektroda buatan sendiri lebih baik daripada elektroda emas komersial. Kata Kunci : Elektroda emas, Sputtering, Etching

Abstract The fabrication of gold electrode microstructure on various solid support by sputtering and etching techniques has been studied. Sputtering was performed using EMITECH SC7620 Sputter Coater device. Sputtering was carried out at vacuum conditions with pressure of 4 x 10-2 to 6 x 10-2 mbar and the plasma current was 18 mA. Etching was carried out using a mixture of KBr with Br2 solution. 0,0015 gram KBr powder was diluted using 10 mL of 50 ppm of aqueous bromine. Repeatability and reproducibility test using a potentiostat from EDAQ with e–recorder 410. Electrodes that have been successfully made have 600 μm diameter and 200 μm line width. Homemade gold electrodes mostly have the variant close to commercial gold electrodes. Homemade electrode reproducibility was better than the commercial gold electrodes. Keyword: Gold electrode, Sputtering, Etching

1. Pendahuluan Saat ini, alat–alat analisis masih didominasi oleh alat–alat yang memiliki dimensi besar. Hal tersebut menjadi salah satu kelemahan dan pertimbangan pengguna untuk melakukan analisis. Contoh alat–alat yang memiliki dimensi besar adalah spektrofotometer UV–Vis, AAS untuk teknik analisis spektroskopi, HPLC, GC untuk teknik analisis kromatografi dan alat– alat lainnya yang memiliki dimensi yang besar. Kelemahan besarnya dimensi alat yang digunakan dapat diatasi dengan menggunakan teknik elektrokimia, dimana alat–alat yang digunakan untuk analisis menggunakan teknik ini lebih kecil dibanding dengan teknik–teknik di atas. Analisa menggunakan teknik elektrokimia dewasa ini berkembang pesat. Kebutuhan akan teknik analisis yang cepat, murah dan alat yang kompak merupakan alasan berkembang pesatnya analisa menggunakan teknik elektrokimia.

* Corresponding author Phone : +628561616086 e-mail: [email protected] 1 Alamat sekarang : Jurusan Kimia, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. e-mail: [email protected]

[email protected] Prosiding Kimia FMIPA

Kelebihan metode elektrokimia tidak hanya dari sensitifitasnya mencatat jumlah dan kesederhanaan peralatanannya tetapi juga karena metoda ini dapat digunakan untuk pemisahan muatan ionik dan pendeteksi (Harvey, 2000). Perkembangan dan penggunaan teknik elektrokimia yang sangat pesat berimbas pada banyaknya kebutuhan akan perkembangan metode analisis dan tentu saja hal ini mendorong perkembangan berbagai variasi elektroda yang digunakan. Perkembangan ini baik menyangkut ukuran elektroda yang telah ada maupun bahan aktif yang digunakan pada elektoda. Contoh penemuan pemakaian bahan aktif tertentu untuk elektroda adalah capsaicin untuk elektroda khusus mendeteksi capsaicin, dopamin untuk elektroda khusus mendeteksi dopamin. Kebutuhan akan elektroda yang ringkas, kompak dan memiliki kinerja yang bagus dewasa ini meningkat relatif cepat dibandingkan dengan elektroda yang tersedia. Hal ini disebabkan karena adanya tuntutan dari para pemakai elektroda yang menginginkan bentuk elektroda yang dapat dibawa kemana–mana (portable) tetapi tidak membutuhkan tempat yang terlalu besar untuk penyimpanannya. Hal ini dapat dipenuhi dengan menciptakan elektroda yang berukuran kecil dengan kinerja sama dengan elektroda berukuran besar atau

bahkan memiliki kinerja yang lebih bagus dari elektroda yang berukuran besar. Proses pelapisan plat emas dapat dilakukan dengan beberapa cara, salah satunya dengan cara sputtering. Teknologi sputtering adalah suatu teknologi untuk membuat lapisan tipis dan modifikasi permukaan (surface treatment), Teknik ini merupakan pengembangan dari teknik coating yang sudah lazim digunakan. Keunggulan teknik sputtering ini dibanding dengan teknik coating adalah bahan yang akan dilapiskan/dideposisikan tidak harus dipanaskan sampai meleleh, sehingga sangat menguntungkan untuk mendeposisikan bahan–bahan yang mempunyai titik leleh tinggi. Hal ini sangat sulit dilakukan dengan teknik coating. Lapisan yang diperoleh lebih kuat melekat karena atom–atomnya dapat masuk lebih dalam pada permukaan substrat, dengan demikian umur pakai semakin lama (Bunshah, 1994). Dalam teknik sputtering, pada anoda dipasang substrat dan pada katoda dipasang target (suatu bahan padat yang akan didepositkan pada permukaan substrat). Dalam teknik sputtering, umumnya digunakan gas argon sebagai sputter gas. Pada dasarnya peralatan sputtering terdiri dari beberapa komponen, yaitu tabung plasma yang dilengkapi dengan elektroda, sistem sumber tegangan tinggi DC atau RF, sistem vakum, sistem masukan gas, sistem pemanas substrat dan pendingin target (Westwood, 2003). Sputtering merupakan teknologi deposisi yang memanfaatkan tumbukan antara ion–ion berenergi tinggi dengan permukaan target yang akan dideposisikan. Tumbukan ini menyebabkan atom–atom target terlepas dari ikatannya dan bergerak menuju substrat akibat adanya transfer momentum selama proses tumbukan, hal ini akan terjadi terus menerus hingga terbentuk suatu lapisan tipis (Gas’Kov AM, Rumyantseva MN, 2000).

batang besi. Penempaan dilakukan kurang lebih 10 kali tempa. Logam emas kemudian dipanaskan sampai berwarna merah, lalu ditempa kembali kurang lebih 10 kali tempa. Proses ini dilakukan berulang–ulang sampai diperoleh lempeng emas bentuk lingkaran dengan diameter kurang lebih 6 cm.

2. Metode Penelitian 2.1 Alat dan Bahan 2.1.1 Alat Alat–alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat sputtering, kaca preparat, mika, papan PCB, potensiostat, mikroskop optik untuk melihat morfologi lapisan yang diperoleh.

3. Hasil dan Diskusi 3.1 Pembuatan Lempeng Emas Lempeng emas (gambar 3.1) dibuat dengan teknik tempa. Teknik tempa merupakan teknik klasik dan sederhana dari berbagai teknik pembuatan lempeng emas yang ada saat ini. Selain itu, teknik ini juga tidak memerlukan biaya yang banyak. Teknik tempa yang dilakukan dalam penenlitian ini menggunakan palu sebagai penempa dan batang silinder besi sebagai alas tempa. Meskipun teknik ini tergolong sederhana, tetapi dalam pelaksanaannya diperlukan keahlian dan keterampilan khusus agar lempeng emas yang terbentuk tidak pecah. Pembuatan lempeng emas menggunakan teknik ini memiliki beberapa kekurangan. Salah satu kekurangannya adalah lempeng emas yang dihasilkan kotor akibat kontaminasi dari alat yang terjadi selama proses tempa.

2.1.2 Bahan Bahan–bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah logam emas, KBr, Br2, K4[Fe(CN)6], dan akuades. 2.2 Prosedur Kerja 2.2.1 Pembuatan Elektroda Kaca preparat dibersihkan dari semua pengotor yang menempel. Kaca preparat lalu dilapis emas menggunakan metode sputtering. Lapisan yang terbentuk kemudian ditempel pola elektroda yang akan dibuat. Setelah pola tertempel dengan kuat, lapisan kemudian dietching dengan larutan etching emas selama 10–15 detik. Setelah selasai dietching, kemudian dibilas dengan akuades. Hasil yang diperoleh berupa elektroda yang siap digunakan. Elektroda yang dihasilkan kemudian diuji untuk mengetahui kinerjanya. 2.2.2 Pembuatan Lempeng Emas Logam emas sebanyak 4 gram dilelehkan sampai terbentuk butiran logam emas. Butiran logam emas kemudian ditempa menggunakan palu dengan alas Prosiding Kimia FMIPA

2.2.3 Pembuatan Larutan Etching Emas Ditimbang 0,0015 gram KBr, dilarutkan dalam 10 mL air brom 50 ppm. Larutan disimpan dalam botol penyimpanan yang gelap. Larutan siap untuk digunakan. 2.2.4 Sputtering Lempeng emas sebagai material yang akan dilapiskan dipasangkan di katoda dan kaca preparat sebagai material yang akan dilapisi dipasang pada anoda (anoda dan katoda terletak dalam 1 tabung). Tabung divakumkan dalam orde 4 x 10-2 mbar, gas argon kemudian dialirkan secara kontinu pada tekanan 4 x 10-2 s.d. 6 x 10-2 mbar dan tegangan DC 0–1,2 kilovolt diberikan diantara dua elektroda. Ditunggu sampai bagian atas kaca preparat terlapisi semua oleh emas. 2.2.5 Etching Lapisan emas yang telah ditempel pola untuk elektroda direndam dalam larutan etching yang telah dibuat sebelumnya. Material didiamkan selama 10–15 detik, setelah itu diangkat. Pola elektroda yang telah terbentuk kemudian dicuci menggunakan akuades. Elektroda selanjutnya diuji untuk mengetahui kinerjanya. 2.2.6 Pengujian Elektroda dipasang pada output elektroda kerja di alat potensiostat. Elektroda dicelupkan ke dalam larutan uji. Nilai yang diperoleh dicatat. Data yang diperoleh lalu diolah.

Gambar 3.1 Lempeng Emas

Pembuatan lempeng emas ini diawali dengan pembentukan logam emas dari granular tak beraturan menjadi granular bulat. Pembuatan granular bulat ini dilakukan dengan cara dipanasi sampai dengan titik lelehnya. Bentuk emas granular bulat terbentuk dengan sendirinya setelah emas meleleh. Setelah itu, emas kemudian ditempa sedikit demi sedikit sambil dipanasi sampai menjadi sebuah lempengan. Proses penempaan ini harus dilakukan secara hati–hati dan halus. Penempaan dilakukan sedikit demi sedikit dengan penempaan maksimal 10 kali dalam satu kali running. Setiap selesai satu kali running, emas dipanasi sampai warna emas merah lalu ditempa kembali sebanyak maksimal 10 kali. Proses ini dilakukan berulang–ulang sampai lempeng emas yang diinginkan terbentuk. 3.2 Sputtering Sputtering merupakan salah satu metode untuk pelapisan (coating). Pada proses ini, material yang akan dilapiskan (emas) dan material yang akan dilapisi (kaca preparat, mika, papan PCB) dicuci terlebih dahulu untuk menghilangkan pengotor–pengotor yang menempel. Pencucian ini bertujuan untuk menghilangkan lemak yang menempel pada material yang akan dilapisi. Lemak harus dihilangkan karena akan mempengaruhi hasil sputtering dimana material yang dilapiskan tidak akan melekat sempurna karena adanya lemak diantara lapisan emas dengan kaca preparat, mika, papan PCB. Argon digunakan sebagai gas pembawa pada proses sputtering. Argon dipilih karena sifatnya yang inert terhadap emas sehingga emas yang akan dilapiskan tidak mengalami perubahan bentuk. Selain inert, Argon juga berfungsi sebagai peredam bunga api yang mungkin bisa timbul selama proses sputtering akibat tegangan tinggi yang dialirkan ke dalam tabung. Penelitian ini menggunakan alat sputtering dari EMITECH dengan tipe alat SC7620 Sputter Coater. Proses sputtering dilakukan pada kondisi vakum dengan tekanan 4 x 10-2 s.d. 6 x 10-2 mbar dan arus plasma 18 mA. Waktu yang digunakan untuk sekali pelapisan 180 detik, ini adalah waktu maksimum pelapisan yang bisa dilakukan oleh alat yang digunakan. Pengulangan pelapisan dilakukan sebanyak 12 kali dengan harapan lapisan yang terbentuk relatif tebal. Ketebalan lapisan akan berpengaruh pada proses pembuatan elektroda dan umur pakai elektroda. Hasil sputtering dapat dilihat pada gambar 3.2 di bawah ini.

tidak terlindung dengan menggunakan larutan asam atau larutan yang lebih kuat sehingga menghasilkan desain yang diinginkan di atas permukaan logam tersebut. Pada penelitian ini, larutan etching yang digunakan adalah campuran 0,0015 gram KBr dan 0,0005 gram Br2 dalam 10 mL akuades. Pembuatan larutan etching diawali dengan menimbang KBr sebanyak 0,0015 gram menggunakan neraca analitik, lalu dimasukkan ke dalam piala gelas 100 mL. Serbuk KBr lalu dilarutan menggunakan 10 mL air brom 50 ppm. Larutan etching (gambar 3.3) ini harus digunakan saat masih segar, artinya ketika akan digunakan, larutan harus dibuat saat itu juga. Larutan ini tidak bisa digunakan bila telah dibuat lebih dari 3 jam. Hasil etching dapat dilihat pada gambar 3.4 di bawah.

Gambar 3.3 Larutan Etching

Gambar 3.4 Lapisan emas yang telah dietching Setelah dilakukan etching, proses selanjutnya adalah menghilangkan desain elektroda yang menempel pada lapisan emas yang telah berbentuk elektroda. Apabila desain elektroda ini tidak dihilangkan, maka elektroda yang telah terbentuk tidak bisa digunakan. Hal ini terjadi karena desain elektroda yang menempel akan menghalangi interaksi antara emas sebagai elektroda dengan larutan sampel. Elektroda emas yang dihasilkan seperti tampak pada gambar 3.5.

Gambar 3.5 Elektroda emas

Gambar 3.2 Lapisan emas pada berbagai material 3.3 Etching Etching adalah suatu proses untuk menghilangkan bagian–bagian permukaan logam yang Prosiding Kimia FMIPA

Dari gambar–gambar di atas, dapat dilihat bahwa elektroda yang dihasilkan memiliki ukuran yang relatif kecil. Untuk memperjelas ukuran elektroda yang dihasilkan memiliki ukuran sampai dengan orde mikro, berikut adalah foto bagian elektroda menggunakan mikroskop dengan perbesaran 50 X (gambar 3.6 dan 3.7).

Tabel 3.1 Data Uji Repeatibility Sampel

1 Mika 1 0,290 Mika 2 0,350 Mika 3 0,320 Mika 4 0,300 Mika 5 0,290 Mika 6 0,326 Mika 7 0,320 Mika 8 0,320 PCB 1 0,510 PCB 2 0,330 PCB 3 0,366 Komersial 0,297

Gambar 3.6 Diameter lingkaran elektroda berukuran 600 µm

2 0,300 0,350 0,320 0,306 0,290 0,326 0,320 0,330 0,510 0,336 0,366 0,315

3 0,306 0,360 0,320 0,306 0,290 0,326 0,326 0,330 0,510 0,340 0,367 0,320

4 0,310 0,360 0,320 0,310 0,290 0,330 0,330 0,330 0,510 0,340 0,368 0,320

Pengulangan (volt) 5 6 0,310 0,310 0,360 0,360 0,320 0,320 0,310 0,310 0,296 0,296 0,330 0,330 0,330 0,330 0,330 0,330 0,513 0,513 0,350 0,350 0,368 0,370 0,320 0,324

7 0,310 0,366 0,320 0,316 0,296 0,330 0,330 0,330 0,513 0,350 0,370 0,325

8 0,316 0,370 0,320 0,316 0,296 0,336 0,330 0,330 0,513 0,350 0,370 0,325

9 0,316 0,370 0,320 0,320 0,300 0,336 0,340 0,330 0,515 0,360 0,370 0,326

10 0,316 0,370 0,320 0,320 0,300 0,340 0,340 0,340 0,515 0,360 0,378 0,326

Uji F dan uji t satu sisi dilakukan antara data potensial elektroda buatan dengan elektroda komersial. Dari hasil uji F dan t berdasarkan data di atas, sebagian besar elektroda emas buatan sendiri memiliki varian yang sama dengan elektroda emas komersial. Berikut tabel data hasil uji F dan uji t (tabel 3.2). Tabel 3.2 Hasil uji F dan uji t Nama Sampel 1 Mika 1 2 Mika 2 3 Mika 3 4 Mika 4 5 Mika 5 6 Mika 6 7 Mika 7 8 Mika 8 9 PCB 1 10 PCB 2 11 PCB 3

No.

Gambar 3. 7 Lebar garis elektroda berukuran 200 µm 3.4 Uji Kinerja Uji kinerja elektroda dilakukan dengan menggunakan pengukuran larutan kompleks logam K4[Fe(CN)6]. Uji ini bertujuan untuk mengetahui alat telah bekerja dengan baik atau tidak. Hal ini ditandai dengan hasil voltamogram senyawa ini yang menunjukkan adanya puncak oksidasi dan reduksi yang signifikan. 0,32 0,32

0,32 0,32 0,32 0,32

1,0

0,32

0,598

Nilai F Nama No. Sampel Sebenarnya 1,1557 1 Mika 1 1,355 2 Mika 2 2,24E+28 3 Mika 3 1,7992 4 Mika 4 4,5984 5 Mika 5 3,2933 6 Mika 6 1,669 7 Mika 7 3,458 8 Mika 8 18,394 9 PCB 1 1,273 10 PCB 2 6,3978 11 PCB 3

Kritis 2,101 2,101 2,2622 2,101 2,1604 2,1448 2,101 2,1448 2,2281 2,101 2,1788

Nilai t Sebenarnya -3,0111 11,438 7,21E-02 -2,4294 -8,3022 3,5386 2,7956 3,2407 67,5932 6,4125 16,6059

3.4.2 Uji Reproduksibilitas Uji reproduksibilitas adalah uji yang dilakukan untuk mengetahui presisi atau keberulangan pengukuran dalam waktu yang relative jauh. Data untuk uji ini diambil berdasarkan keterulangan pengukuran pada elektroda komersial dan elektroda buatan. Pengukuran dilakukan sebanyak 3 kali.

0,32 0,32 0,32 0,32

1,5

Kritis 3,1789 3,1789 3,1789 3,1789 3,1789 3,1789 3,1789 3,1789 3,1789 3,1789 3,1789

i

0,5

0,0

-0,5

-1,0 -0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

Volt

Gambar 3. 8 Voltamogram elektroda emas buatan sendiri

0,328

0,8

0,34

0,328 0,34 0,348 0,358 0,36 0,368 0,358

0,6

0,348 0,358 0,36 0,368 0,358

0,598

0,598

Tabel 3.3 Data Uji Reproduksibilitas Pengulangan (Volt) Elektroda Rata-rata 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,348 0,37 0,38 0,38 0,38 0,38 0,39 0,39 0,39 0,39 0,3798 Buatan 0,323 0,35 0,36 0,366 0,37 0,37 0,38 0,38 0,38 0,38 0,3659 0,341 0,36 0,36 0,37 0,37 0,37 0,38 0,38 0,38 0,38 0,3691 Pengulangan (Volt) Elektroda Rata-rata 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,288 0,29 0,29 0,29 0,288 0,29 0,29 0,29 0,29 0,29 0,2896 Komersial 0,297 0,315 0,320 0,320 0,320 0,324 0,325 0,325 0,326 0,326 0,3198 0,295 0,326 0,348 0,368 0,371 0,38 0,391 0,391 0,41 0,41 0,369 0,598

0,4

i

0,2

0,0

-0,2

-0,4

-0,6

Gambar 3. 9 Voltamogram elektroda emas komersial -0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

Volt

3.4.1 Uji repeatability Uji repeatability adalah uji yang dilakukan untuk mengetahui presisi dari pengukuran. Data untuk uji ini diambil dari potensial puncak oksidasi elektroda emas pada pengukuran voltametri siklik. Pengukuran untuk tiap elektroda dilakukan 10 kali. Hasil pengukuran disajikan pada table 3.1 di bawah ini. Prosiding Kimia FMIPA

Hasil perhitungan data di atas dapat dilihat pada tabel 3.4 di bawah ini. Hipotesa awal (H0) dari uji ini adalah diasumsikan bila diterima reproduksibilitas elektroda buatan sendiri sama dengan elektroda komersial. Sedangkan bila H0 ditolak, maka reproduksibilitas elekroda buatan sendiri lebih bagus dibandingkan dengan elektrodsa komersial.

Tabel 3.4 Hasil Uji F Mean Variance Observations df F P(F<=f) one-tail F Critical one-tail

Variable 1 (Komersial) Variable 2 (Buatan) 0,326133333 0,3716 0,001606173 5,299E-05 3 3 2 2 30,31087627 0,031937784 19

4. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian ini, pembuatan mikrostruktur elektroda emas dapat dilakukan dengan teknik sputtering dan etching. Elektroda yang berhasil dibuat memiliki ukuran diameter 600 µm dan lebar garis 200 µm. Mika dan papan PCB dapat digunakan sebagai alas elektroda. Sedangkan kaca preparat belum dapat digunakan sebagai alas elektroda. Alas yang baik digunakan sebagai alas elektroda adalah mika. Elektroda emas buatan sendiri sebagian besar memiliki varian yang sama dengan elektroda emas komersial. Reproduksibilitas elektroda buatan sendiri lebih baik daripada elektroda emas komersial. Ucapan terimakasih 1. Dr. rer. nat. Fredy Kurniawan atas dukungan, bimbingan dan motivasi yang diberikan 2. Suprapto, Ph. D atas dukungan, bimbingan dan motivasi yang diberikan 3. Ibu, Bapak, dan keluarga atas dukungan dan doanya 4. Dra. Yulfi Zetra, MS selaku dosen wali Daftar Pustaka Bunshah, Roitan F. 1994. Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings: Science, Technology and Applications, second edition. New Jersey: Noyes Publications Gas’Kov AM, Rumyantseva MN.. 2000. Materials for Solid State Gas Sensors, Inorganic Materials, Vol. 36, No.3, 293 – 301 Greenlief. 2004. Cyclic Voltammetry and Anodic Stripping Voltammetry, CH 4200 Harvey. 2000. Modern Analitical Chemistry. North America: McGraw-Hill Rocklin, R.D .1984. Working Electrode Material. L.C., 2, p. 588-593 Westwood, William D. 2003. Sputter Deposition. AVS Education Committee Book Series, Vol. 2

Prosiding Kimia FMIPA