1
STUDI KARAKTERISTIK O-LED MEH-PPV YANG DIBUAT DENGAN TEKNIK SPIN COATING
ANISSA LISTIANA MAHARANI
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
2
ABSTRAK ANISSA LISTIANA MAHARANI. Studi Karakteristik O-LED MEH-PPV Yang Dibuat Dengan Teknik Spin Coating. Dibimbing oleh AKHIRUDDIN MADDU dan SAHRUL HIDAYAT. O-LED (Organic-Light Emitting Diode) memiliki potensi mengagumkan sebagai piranti optoelektronik. Sampai saat ini masih terus dipelajari dan dikembangkan untuk mendapatkan hasil yang optimal sebagai teknologi display. Bahan aktif organik yang digunakan sebagai lapisan pengemisif berupa polimer terkonjugasi. Polimer ini memiliki alternasi ikatan rangkap dan tunggal sehingga memudahkan terjadinya transport elektron. Dalam penelitian ini bahan aktif yang digunakan adalah MEH-PPV dengan berat molekul 40.000-70.000 gram/molekul. Konfigurasi yang dibuat adalah ITO/MEH-PPV/Al. MEHPPV ini memiliki besar energi gap 2,1 eV (Fitrilawati, 2001). Hasil eksperimen menunjukkan adanya pengaruh kecepatan spin terhadap karakteristik absorpsi spesifik dan ketebalan film tipis yang dihasilkan. Secara berturut-turut untuk kecepatan spin 3000 rpm, 4000 rpm, dan 6000 rpm ketebalannya adalah 172,825 nm; 154,5 nm; dan 119,025 nm. Begitupula untuk karakteristik absorpsi spesifik, dari spektrum absorpsi ini diperoleh besarnya bandgap (Eg) secara berturutturut untuk kecepatan spin 3000 rpm, 4000 rpm, dan 6000 rpm adalah 2,16 eV; 2,07 eV; dan 2,0 eV. Ketebalan film tipis mempengaruhi besar Vcutoff dan tegangan nyalanya. Secara berturut-turut untuk kecepatan spin 3000 rpm, 4000 rpm, dan 6000 rpm untuk divais model (4x4) mm besarnya Vcutoff adalah 0,52 Volt; 0,4 Volt; dan 0,31 Volt dan secara berturut-turut tegangan nyalanya adalah 2,6 Volt; 2,5 Volt; dan 2,3 Volt. Ukuran O-LED juga mempengaruhi besar Vcutoff dan tegangan nyalanya. Secara berturutturut untuk kecepatan spin 4000 rpm untuk divais model (2x2) mm, (3x3) mm, (4x4) mm besarnya V cutoff adalah 0,21 Volt; 0,24 Volt; dan 0,4 Volt dan secara berturut-turut tegangan nyalanya adalah 2,1 Volt; 2,2 Volt; dan 2,5 Volt. Kata kunci : O-LED, MEH-PPV, spin-coating, polimer konduktif
3
STUDI KARAKTERISTIK O-LED MEH-PPV YANG DIBUAT DENGAN TEKNIK SPIN COATING
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Pada Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
oleh: Anissa Listiana Maharani
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
4
Judul Skripsi
: STUDI KARAKTERISTIK O-LED MEH-PPV YANG DIBUAT DENGAN TEKNIK SPIN COATING : Anissa Listiana Maharani : G74103038
Nama NRP
Menyetujui: Pembimbing 1,
Pembimbing 2,
Dr. Akhiruddin Maddu NIP 132 206 239
Sahrul Hidayat, M.Si NIP 132 207 280 Mengetahui:
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr.drh.Hasim, DEA NIP 131 578 806
Tanggal lulus :
5
RIWAYAT HIDUP ANISSA LISTIANA MAHARANI dilahirkan di Bandung pada tanggal 20 Februari 1985 dari ayah Budi Hartono dan ibu Elis Yulaeti. Penulis merupakan putri pertama dari lima bersaudara. Tahun 2003 penulis lulus SMUN 1 Serang dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis mendapat Program Studi Fisika, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum mata kuliah Fisika Dasar pada tahun ajaran 2004/2005 dan 2005/2006. Penulis juga pernah mendapatkan dana penelitian dari DIKTI untuk PKMP. Selain itu, penulis juga pernah menjadi anggota HIMAFI untuk Departemen PSDM.
6
Prakata Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena atas segala rahmat dan hidayah-Nya serta kekuasaan-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi berjudul “Studi Karakteristik O-LED MEH-PPV Yang Dibuat Dengan Teknik Spin Coating”. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika FMIPA, Institut Pertanian Bogor. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Dr. Akhiruddin Maddu sebagai dosen pembimbing 1 yang sangat sabar telah membimbing penulis dalam penyusunan skripsi ini. 2. Bapak Sahrul Hidayat, M.Si sebagai dosen pembimbing 2 dari UNPAD yang sangat sabar telah membimbing penulis dalam penyusunan skripsi ini. 3. Bapak Rustam, Ibu Tuti, dan Ibu Fitrilawati dari UNPAD atas kesempatan yang telah diberikan penulis sehingga dapat ikut melakukan penelitian ini serta Bapak Edi dan Ibu Camelia. 4. Bapak Rahmat ITB atas refraktometernya dan Pa Warya ITB untuk metalisasinya. 5. Bapak Drs. M.N. Indro, M.Sc yang sangat begitu sabar mendengarkan semuanya dan atas segala motivasinya. 6. Bapak Irmansyah, M.Si sebagai pembimbing akademik sebelumnya. 7. Bapak Dr. Irzaman atas izin pinjam alat spin coatingnya. 8. Bapak Dr. Agus Kartono sebagai dosen penguji, AJKH. 9. Ibu Siti Nikmatin, M.Si sebagai dosen penguji. 10. Seluruh dosen dan staff Jurusan Fisika IPB terima kasih bantuannya kepada penulis dalam bidang akademik. 11. Pa Firman, Pa Yani, Pa Maulana, Pa Mus, Pa Asep, Pa Jun, for everything... 12. Teman-teman yang ”sering” sekali direpotkan dan atas bantuan serta semangatnya Ijal 40, Mardani 40, Hery, Aep, Agung, Romzi, Erdi, Isran, Farid, Cucu, Mas Ari dan adik-adik 41 tersayang atas kebersamaannya yang hangat serta adik-adik 42, 43, dan 44. 13. Ita R, Maulid, Devi, Susilo,Wildan, Lukman, Anita dll kawan-kawan KBK Material di UNPAD. 14. Teman-teman 40 tercinta yang ”selalu ada dihati” yang sudah entah dimana. 15. Sweet Fortierz, adik-adik griya yang lucu-lucu, mba-mba dan mas-masnya serta teman-teman Asad, SC atas kebersamaannya yang indah, disyukuri AJKH. 16. Ibu Yayah Yuliah, M.Si AJKH for everything... for everything...banyak sekali...dan merepotkan. 17. The last but not least, kekuatan yang sangat hebat sehingga penulis dapat bertahan untuk lulus dari jurusan Fisika IPB yang dipersembahkan kepada Ayahanda Budi Hartono dan Ibunda Elis Yulaeti serta adik-adik yang macho dan bandel Maulana Fawzi Ibrahim, Maulana Fadhli Adam, Maulana Fahmi Sulaiman, dan Maulana Fathur Muhamad yang selalu menanti dan segala dukungannya yang penuh. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi semua pihak. Bogor, Juli 2008
Penulis
7
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL…………………………………………………………………………...... viii DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………………......... viii DAFTAR LAMPIRAN……………………………………………………………………...... viii PENDAHULUAN Latar Belakang............................................................................................................... Tujuan Penelitian……………………………………………………………………… Hipotesis………………………………………………………………………………. Identifikasi Masalah....................................................................................................... Kegunaan Penelitian....................................................................................................... TINJAUAN PUSTAKA Polimer............................................................................................................................ Struktur Elektronik Poly (P-Phenylene Vinylene) (PPV)............................................... Struktur Elektronik Poly(2-methoxy-5-(2`-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene (MEH PPV)..................................................................................................................... Dioda Schottky…………………………………………………………………………. LED (Light-Emitting Diode)............................................................................................ Divais O-LED (Organic Light Emitting Diode)……………………………………….. Prinsip Kerja O-LED........................................................................................................ METODE PENELITIAN Fabrikasi Divais O-LED Konfigurasi ITO/MEH-PPV/Al.............................................. Penyiapan Substrat............................................................................................................ Pembuatan Larutan MEH-PPV Dengan Pelarut THF....................................................... Fabrikasi Film Tipis.......................................................................................................... Annealing.......................................................................................................................... Metalisasi.......................................................................................................................... Karakterisasi Divais O-LED Absorbansi............................................................................................................ Pengukuran Ketebalan.......................................................................................... Karakterisasi I-V...................................................................................................
1 1 1 1 1 2 2 3 3 5 5 6 6 7 7 7 8 8 8 9 9
HASIL DAN PEMBAHASAN Spektrum Absorbansi ...................................................................................................... Pengaruh Kecepatan Spin Terhadap Kehomogenan dan Ketebalan................................ Karakteristik I-V.............................................................................................................. Pengaruh Kecepatan Spin Terhadap Tegangan Nyala..................................................... Pengaruh Variasi Ukuran O-LED Terhadap Tegangan Nyala......................................... Kestabilitasan divais.........................................................................................................
10 10 11 13 13 14
SIMPULAN DAN SARAN........................................................................................................
14
DAFTAR PUSTAKA.................................................................................................................
15
8
DAFTAR TABEL
1 2
Halaman Ketebalan film tipis (nm) pengaruh kecepatan spin.............................................................. 11 Tegangan nyala terhadap variasi spin (Volt) …………………………..………………….. 14 DAFTAR GAMBAR
1
2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Halaman Struktur PPV……………………………………………………………………………. 2 Struktur MEH-PPV……………………………………………………………………... 3 Struktur dioda Schottky…………………………………………………………………. 3 Model pita energi pada logam dan semikonduktor……………………………………... 3 Karakteristik listrik yang terjadi pada persambungan semikonduktor dan logam............ 4 Kurva karakteristik I-V..................................................................................................... 4 Struktur piranti OLED satu warna.................................................................................... 5 Struktur OLED single-layer.............................................................................................. 6 Diagram pita pada OLED single-layer............................................................................. 6 Kurva kecepatan spin terhadap ketebalan film................................................................. 7 Film tipis dengan standar CLA......................................................................................... 8 Film standar CLA dengan kecepatan spin tinggi dan kecepatan spin rendah .................. 8 Portable Spin Coating....................................................................................................... 8 Model divais O-LED dengan 9 sel.................................................................................... 8 Skema pengukuran ketebalan............................................................................................ 9 Sel yang disebar mengikuti pola sebaran dengan ukuran (4x4)mm.................................. 10 O-LED ukuran (3x3)mm dan (2x2)mm............................................................................. 10 Karakteristik absorpsi film tipis MEH-PPV dengan variasi kecepatan spin..................... 10 Film hasil teknik spin coating............................................................................................ 10 Kurva I-V O-LED 4000 rpm (4x4) mm............................................................................. 11 Kurva I-V O-LED 3000 rpm (3x3) mm............................................................................. 11 Kurva I-V O-LED 3000 rpm (4x4) mm............................................................................. 12 Kurva I-V O-LED 4000 rpm (4x4) mm............................................................................. 12 Kurva I-V O-LED 6000 rpm (4x4) mm............................................................................. 12 Kurva I-V O-LED 4000 rpm (2x2) mm............................................................................. 12 Kurva I-V O-LED 4000 rpm (3x3) mm............................................................................. 12 Kurva I-V O-LED 4000 rpm (4x4) mm............................................................................. 12 Hubungan tegangan nyala terhadap kecepatan spin untuk ukuran O-LED (4x4) mm, (3x3) mm, dan (2x2) mm.................................................................................................. . 13 Hubungan tegangan nyala terhadap ukuran O-LED dengan kecepatan spin 3000 rpm, 4000 rpm, dan 6000 rpm..................................................................................................... 13 DAFTAR LAMPIRAN
1
Halaman Alat-alat………………………………………………………………………………….... 17
9
2 3 4 5 6
Absorbansi……………………………………………………………………………….... 18 Bandgap………………………………………………………………………………..... 19 Ketebalan………………………………………………………………………………….. 20 Tabel Pengamatan tegangan nyala pengamatan pertama ……...…………......................... 21 Tabel Pengamatan tegangan nyala pengamatan kedua......................................................... 22 7 Rekap Tabel Pengamatan...................................................................................................... 23 8 Foto nyala O-LED……………………………………………………………………......... 24 kinerja divaisnya. Tujuan khusus dari penelitian ini diantara lain: PENDAHULUAN 1. Mengetahui pengaruh beberapa parameter fabrikasi untuk mendapatkan film dengan Latar Belakang kualitas yang sesuai untuk bahan aktif OO-LED (Organic-Light Emitting Diode) LED dengan mengamati sifat absorpsi dan memiliki potensi mengagumkan sebagai piranti ketebalan pada film tipis karena pengaruh optoelektronik. Sampai saat ini masih terus dari kecepatan spin. dipelajari dan dikembangkan untuk mendapatkan 2. Mengamati pengaruh ukuran O-LED hasil yang optimal sebagai teknologi display. Oterhadap kinerjanya. LED ini menggunakan bahan organik sebagai 3. Mengamati pengaruh kecepatan spin terhadap bahan aktifnya. Keunggulan dari pemakaian kinerja O-LED. bahan organik ini adalah sifat dasar sebagai bahan aktif pengemisif cahaya, kecepatan respons, Hipotesis kesederhanaan dan kemurahan teknologi yang 1. Spektrum absorpsi bergeser kearah panjang dibutuhkan untuk proses fabrikasinya, gelombang yang lebih besar seiring fleksibilitas, transparansi, skalabilitas, serta bertambahnya kecepatan spin [17]. kemungkinan rekayasa struktur molekul yang 2. Semakin tinggi kecepatan spin semakin tipis dimiliki oleh bahan organik tersebut. film yang dihasilkan. MEH-PPV merupakan polimer terkonjugasi 3. Semakin tebal film tipis semakin besar medan yang digunakan sebagai bahan aktif dalam listrik yang dibutuhkan untuk membuat divais pembuatan O-LED ini. Polimer ini memiliki O-LED menyala. ikatan rangkap tunggal selang-seling sehingga 4. Semakin luas ukuran O-LED semakin besar memungkinkan adanya aliran elektron dan medan listrik yang dibutuhkan untuk memperlihatkan efek elektroluminisensi. MEHmembuat divais O-LED menyala. PPV memiliki bandgap sebesar 2,1 eV. MEHPPV memiliki kelarutan yang baik sehingga Identifikasi Masalah memungkinkan menghasilkan film tipis dengan Kinerja dari model O-LED dipengaruhi oleh kualitas optik yang tinggi [5]. kualitas film tipisnya diantaranya homogenitas, Dalam skripsi ini melanjutkan penelitian ketebalan, dan orientasi dari polimer dalam sebelumnya dengan menggunakan referensi lapisan tersebut [15]. Masalah yang paling bahwa karakteristik O-LED terbaik diperoleh menonjol adalah tuntutan kemurnian dan pada fabrikasi dengan pelarut THF [15] dengan homogenitas film, transparansi optik, kehalusan konsentrasi 0,5 % [12]. Karena film tipis tersebut permukaan film, ambang rusak optik, stabilitas memiliki orientasi rantai polimer yang paling baik terhadap proses penuaan (ageing) dan lingkungan (lebih linier) yang diindikasikan mempunyai nilai [5]. bandgap yang kecil [13]. O-LED dibuat dengan Secara spesifik penelitian ini mengidentifikasi karakteristik tersebut tetapi divariasikan beberapa masalah, yaitu: kecepatan spin dan ukuran O-LEDnya. 1. Bagaimana pengaruh kecepatan spin terhadap Tujuan Penelitian sifat absorpsi pada film tipis. Tujuan umum dari penelitian ini adalah 2. Bagaimana pengaruh kecepatan spin terhadap membuat O-LED dari bahan aktif poly(2ketebalan film tipis. methoxy-5-(2`-ethyl-hexyloxy)-1,43. Bagaimana pengaruh kecepatan spin dan phenylenevinylene (MEH-PPV) dan menguji ukuran O-LED terhadap kinerja divais.
10
Kegunaan Penelitian Kegunaan dari penelitian ini adalah: 1. Dapat membuat O-LED dengan menggunakan MEH-PPV sebagai bahan aktif O-LED. 2. Mendapatkan informasi adanya pengaruh kecepatan spin terhadap sifat absorpsi dan ketebalan film tipis. 3. Mendapatkan informasi adanya pengaruh kecepatan spin dan ukuran O-LED terhadap kinerja O-LED. 4. Sebagai dasar untuk penelitian selanjutnya.
TINJAUAN PUSTAKA Perkembangan O-LED (Organic- Light Emitting Devices) saat ini berkembang pesat dan telah menghasilkan display O-LED dot-matrix sederhana komersial [1]. Kemajuan ini telah dilakukan oleh peneliti awal pada tahun 1950-an. Sel elektroluminisensi organik ini telah dibuat dan dipelajari dengan model ac pada tahun 1953 oleh Bernanose et al dan dalam model dc pada tahun 1963 oleh Pope dan rekan kerja. Pada model ac ini telah diketahui juga menggunakan polimer yang dapat memancarkan cahaya [19]. Pada tahun 1990, Tang dan VanSlyke serta rekan-rekan kerjanya telah menjelaskan pertamakali PLED dengan poly (p-phenylene vinylene) (PPV) sebagai bahan aktifnya: dari divais yang awalnya menyala dengan suram dengan lifetime hanya 1 menit di udara, hingga O-LED dengan nyala hijau yang dapat beroperasi secara kontinu lebih dari 20.000 jam (833 hari) dengan brightness 50-100 Cd/m2 (dapat dibandingkan dengan monitor TV atau komputer), yang beroperasi hingga mencapai > 106 Cd/m2, atau divais berwarna biru, putih, dan merah secara kontinu model dc dengan lifetime bisa lebih dari 2000 jam [19]. Polimer Polimer berasal dari kata poly dan mer yang berarti molekul yang terdiri dari banyak kesatuan kimia yang kecil dan sederhana, yang disebut dengan monomer. Monomer adalah unit
pengulangan struktur pada sebuah polimer yang saling terhubung satu sama lain oleh ikatan kovalen. Jumlah monomer dalam sebuah molekul polimer disebut dengan derajat polimerisasi N dan massa molar (Mmer) pada sebuah polimer sama dengan derajat polimerisasi kali massa molar pada monomer kimianya. M = N Mmer (1) Proses pembuatan polimer dari monomer dikenal sebagai polimerisasi. Pada molekul polimer linear, struktur elektronik dari rantai atom hanya terdiri dari pita σ. Secara listrik, polimer ini bersifat isolator dan transparan untuk cahaya tampak, karena mempunyai bandgap (Eg) yang besar [10]. Sedangkan pada polimer terkonjugasi terdapat ikatan tunggal rangkap yang berselangseling sehingga membentuk ikatan-π dan membentuk sistem elektron yang terdelokalisasi pada seluruh molekul. Kondisi ini yang menyebabkan Eg menjadi lebih kecil [10]. Delokalisasi elektron π pada rantai utama polimer memiliki peranan penting dalam menentukan sifat elektronik dan sifat optik bahan sehingga memiliki beda energi (elektronik bandgap, Eg) [2]. Dalam polimer terkonjugasi Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) menunjukkan batas pita valensi dan Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) menunjukkan batas pita konduksi. Polimer terkonjugasi dapat dioksidasi (pdoping) atau direduksi (n-doping) sehingga menghasilkan pembawa muatan pada pita valensi atau pita konduksinya, hal ini berkaitan dengan konduktivitasnya [2]. Sifat-sifat yang membedakan polimer terkonjugasi dari polimer konvensional yaitu: a. Bandgap (Eg) relatif kecil (sekitar 1 sampai 3,5 eV). b. Molekul polimer terkonjugasi lebih mudah dioksidasi atau direduksi, proses oksidasi dan reduksi terjadi lewat transfer muatan oleh atom atau molekul dopan, yang berkolerasi dengan perubahan sifat listrik bahan dari isolator menjadi konduktor. c. Mobilitas pembawa muatan pada keadaan konduktif cukup besar, sehingga diperoleh konduktivitas listrik yang tinggi. d. Pembawa muatan pada polimer konduktif terdiri dari elektron dan partikel quasi yang pada kondisi tertentu bisa bergerak lebih bebas melewati material [10].
