STUDI PENGARUH MEDAN LISTRIK PADA PERTUMBUHAN KRISTAL ZnO
TESIS
Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh:
EVI MARYANTI NIM: 20506014 Program Studi Kimia
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
ii
ABSTRAK STUDI PENGARUH MEDAN LISTRIK PADA PERTUMBUHAN KRISTAL ZnO Oleh
Evi Maryanti NIM: 20506014 ZnO merupakan senyawa semikonduktor golongan II-VI dengan celah energi yang lebar (3,37 eV) pada suhu ruang dan energi ikat eksiton yang besar (60 meV) sehingga membuat ZnO sebagai kandidat menjanjikan untuk material elektronik dan fotonik generasi mendatang. Nanorods ZnO dengan berbagai ukuran dan orientasi kristal telah disintesis dengan menggunakan metoda deposisi larutan dengan berbagai konsentrasi prekursor dan waktu deposisi pada suhu 90 °C. Dalam studi ini, pengaruh medan listrik terhadap pertumbuhan kristal ZnO dipelajari dengan memberikan medan listrik eksternal serta dengan perbedaan konfigurasi arah medan listrik (posisi elektroda positif terhadap substrat gelas ITO) selama proses deposisi. Hasil karakterisasi menggunakan XRD dan SEM menunjukkan bahwa perbedaan konsentrasi prekursor dan konfigurasi medan listrik menyebabkan perbedaan ukuran dan orientasi nanorods ZnO. Nanorods ZnO dengan distribusi ukuran dan orientasi sumbu-c yang seragam dihasilkan pada konsentrasi prekursor 100 mM di bawah pengaruh medan listrik dengan konfigurasi B (elektroda positif di atas substrat) selama 8 jam. Adapun hasil karakterisasi fotoluminesen menunjukkan adanya peningkatan ketajaman puncak emisi UV pada panjang gelombang 360 dan 381 nm dengan meningkatnya konsentrasi prekursor serta pemberian medan listrik eksternal selama proses deposisi. Peningkatan ketajaman puncak emisi UV menunjukkan bahwa kristal ZnO yang dihasilkan mempunyai kualitas kristal dan sifat optik yang baik.
Kata Kunci: Nanorods ZnO, metoda deposisi pada larutan, medan listrik, fotoluminesen.
iii
ABSTRACT THE STUDY OF ELECTRICAL FIELD EFFECT ON ZnO CRYSTAL GROWTH By
Evi Maryanti NIM: 20506014
ZnO is one of II-VI group semiconductor material with the wide band gap and large exciton binding energy at room temperature. Furthermore, ZnO has developed as a promising for the new electronic and photonic devices generation. In this study, ZnO nanorods were growth using chemical solution deposition method under external electrical field at various precursor concentrations with temperature of 90 oC. We found that the ZnO growths on ITO substrate were affected by electrodes configuration through ITO surfaces. The observed XRD pattern and SEM images showed that the concentrations of precursor solution as well as electrodes configuration affect the homogeneity, crystal size and orientation of ZnO nanorods. The highest homogeneity of size and growth orientation (c-axis) could be obtained when precursor concentration is 100 mM, with configuration which positive electrode faced on ITO surfaces and deposition time of 8 hours. The photoluminescence spectra shows some sharp peak at 360 and 381 nm were increasing when an external electrical field direction of the electric field goes onto the ITO surfaces. The increasing of these peaks which identified as transition of exciton state in ZnO indicated that ZnO nanorods have a good crystalline phase and optical properties. Keyword: ZnO nanorods, Chemical Solution Deposition method, electric field, photoluminescence.
iv
STUDI PENGARUH MEDAN LISTRIK PADA PERTUMBUHAN KRISTAL ZnO
Oleh
EVI MARYANTI NIM: 20506014
Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tim Pembimbing
Tanggal……………………2008
Pembimbing I,
Pembimbing II,
Dr. Bambang Prijamboedi NIP. 132321043
Prof. Dr. Ismunandar NIP. 132084475
v
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Dekan Sekolah Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
vi
"Ya Allah, Engkaulah Tuhanku. Tiada Tuhan kecuali Engkau. Engkau Penciptaku dan aku hambaMu yang tetap dalam kesetiaan dan janjiku sepanjang
kemampuanku.
Aku
kembali
kepada-Mu
dengan
kenikmatan dan kembali kepada-Mu dengan dosaku. Maka ampunilah aku. Sesungguhnya tiada pengampun dosa-dosa kecuali Engkau."
Kupersembahkan karya kecilku ini untuk suamiku, kedua orang tuaku, mertua, kakak, adik-adikku, keponakan, dan seluruh keluarga besarku yang tercinta. Terkhusus buat calon bayi mungilku yang senantiasa menemani hari-hari panjang yang mengesankan ini. I love u all.....
vii
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat, hidayat dan karunia-Nya sehingga penulisan tesis yang berjudul ”Studi Pengaruh Medan Listrik pada Pertumbuhan Kristal ZnO” dapat terselesaikan. Tesis ini disusun sebagai salah satu syarat guna memperoleh gelar Magister bidang ilmu kimia di Sekolah Pascasarjana Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung. Penulis banyak memperoleh petunjuk, bantuan, bimbingan, perhatian, dan dorongan dari berbagai pihak dalam penyusunan tesis ini. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan yang sebesarbesarnya kepada : 1. Rektor Universitas Bengkulu atas kesempatan dan izin yang diberikan sehingga penulis dapat melanjutkan pendidikan di tingkat Magister. 2. Dirjen DIKTI selaku penyandang dana pendidikan (BPPs) bagi penulis. 3. Dr. Bambang Prijamboedi, selaku dosen pembimbing, yang telah banyak meluangkan waktu dan kesabarannya dalam memberikan bimbingan, dorongan, bantuan dan petunjuk sampai tesis ini dapat terselesaikan. 4. Prof. Dr. Ismunandar, selaku ko-pembimbing penelitian yang telah meluangkan waktu dan energinya dalam membimbing penulis baik saat penelitian dilaksanakan maupun saat penulisan tesis. 5. Semua staf pengajar di Program studi Kimia Institut Teknologi Bandung yang telah memberikan ilmu pengetahuan selama menjalani studi. 6. Kepala beserta staf Laboratorium Kimia Anorganik dan Laboratorium Kimia Fisik Material, Pak Bandi, Bu Ella, Mas Ifam, Pak Mudi, Bu Entin, Pak Wahyo, Pak Win, Mas Budi dan Mas Yadi, yang telah memberikan kemudahan dan bantuan dalam pelaksanaan penelitian. 7. Keluarga tercinta, Suami, Ayah, Ibu, Mertua, Kakak dan Adik-adik yang telah memberikan dukungan dan doa tiada henti tanpa pernah mengharap balasan, terima kasih telah memberikanku kesempatan menjalani ini semua.
viii
8. Rekan-rekan seperjuangan angkatan 2006 Cepi, Mauritz, Baiq Fara, Eka, Tety, Arba, Alief , Widyo, Laurent, Yuli, Udin, Erfan, Ganis, Tunjung, Tina, Rina, Neneng, Mukhtar, terima kasih atas rasa persaudaraan yang kalian berikan. 9. Rekan-rekan di Laboratorium Solid State & Catalyst, Pak Zul, Pak Akram, Bu Fitri, Bu Ati, Andri, Dicky, Vira, Fanny, Pak Bram, Anson, Ginanjar, terima kasih atas segala bantuan dan kerjasamanya, saya bangga menjadi bagian dari kalian semua. 10. Rekan-rekan di LKFM, Pak Bambang Piluharto, Pak Dani, Pak Maskuri, Pak Hadi, Pak Siang, Teman-teman DEPAG 2006, adik-adikku S1, terima kasih atas segala bantuan dan kerjasamanya. 11. Saudara-saudaraku di Wartel Prasta, Riska, Dewi, Mbak Tanti, Mbak Endah, Teh Ros, Entin, Teh Tika, Nova, Bu Ani, Inda, Bu Fahimah, Bu Tini, Silvi, Teh Ai, terima kasih atas rasa persaudaraan, dukungan dan doa yang kalian berikan. 12. Serta semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu.
Mudah-mudahan tesis ini dapat memberikan manfaat bagi pembacanya.
Bandung, Juni 2008
Penulis
ix
DAFTAR ISI ABSTRAK.. ...............................................................................................ii ABSTRACT ..............................................................................................iii LEMBAR PENGESAHAN........................................................................ iv PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ......................................................... v LEMBAR PERSEMBAHAN..................................................................... vi KATA PENGANTAR .............................................................................. vii DAFTAR ISI ............................................................................................. ix DAFTAR LAMPIRAN.............................................................................. xi DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI .................................................. xii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG............................................. xv Bab I
Pendahuluan ............................................................................... 1
I.1 Latar Belakang Penelitian ............................................................ 1 I.2 Tujuan Penelitian ......................................................................... 3 I.3 Pentingnya Penelitian................................................................... 3 I.4 Ruang Lingkup Penelitian ............................................................ 3 I.5 Sistematika Tesis ......................................................................... 4 Bab II
Tinjauan Pustaka ....................................................................... 5
II.1 Nanomaterial ............................................................................... 5 II.1.1 Klasifikasi Nanomaterial.................................................... 5 II.1.2 Nanokristal Semikonduktor................................................ 7 II.2 Nanokristal Zink Oksida (ZnO).................................................. 10 II.2.1 Struktur Kristal ZnO ........................................................ 11 II.2.2 Sifat Optik ZnO ............................................................... 12 II.3 Penumbuhan Kristal ZnO........................................................... 17 II.4 Efek Medan Listrik .................................................................... 19 II.4.1 Pengenalan Medan Listrik ................................................ 19 II.4.2 Polarisasi Materi Dielektrik.............................................. 19 II.4.3 Aplikasi medan listrik pada proses pertumbuhan kristal ... 20 II.5 Difraksi Sinar-X Serbuk ............................................................ 21 II.6 Scanning Electron Microscope (SEM) ....................................... 24
x
II.7 Fotoluminesen ........................................................................... 25 II.7.1 Luminesen ....................................................................... 25 II.7.2 Pengukuran fotoluminesen ............................................... 26 Bab III Metodologi Penelitian .............................................................. 28 III.1 Tahap penelitian ................................................................ 28 III.2 Tempat penelitian ............................................................. 28 III.3 Alat dan Bahan ................................................................. 29 III.4 Prosedur Penelitian ........................................................... 29 III.4.1 Prosedur Sintesis ................................................... 30 III.4.2 Prosedur Karakterisasi........................................... 31 III.4.2.1 Difraksi Sinar-X Serbuk.......................... 31 III.4.2.2 Scanning Electron Microscope (SEM) .... 31 III.4.2.3 Fotoluminesen ........................................ 32 Bab IV Hasil dan Pembahasan............................................................. 33 IV.1 Hasil Sintesis dan Analisis Karakterisasi ........................... 34 IV.1.1 Pengaruh konsentrasi prekursor terhadap ukuran dan morfologi dari kristal ZnO.................................... ..35 IV.1.2 Pengaruh konsentrasi prekursor terhadap sifat optik dari kristal ZnO ....................................................... 38 IV.1.3 Pengaruh medan listrik eksternal pada pertumbuhan kristal ZnO ............................................................. 39 IV.1.4 Pengaruh medan listrik eksternal terhadap sifat optik dari kristal ZnO ....................................................... 49 Bab V
Kesimpulan ............................................................................... 51
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 52 LAMPIRAN
xi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A
Contoh gambar SEM dan cara pengukuran butiran ...
Lampiran B
Data distribusi diameter nanorods ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mM……………………...
55
56
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1
Tata nama material struktur nano 0-D...................................
Gambar II.2
Diagram energi (kurva dispersi) untuk semikonduktor langsung dan tidak langsung.................................................
Gambar II.3
7
8
Diagram skematik dari Wannier-Mott aksiton dan Frenkel eksiton...................................................................................
10
Gambar II.4
Gambaran struktur-struktur kristal ZnO………………........
11
Gambar II.5
Gambaran skematik dari struktur wurtzit ZnO………….....
12
Gambar II.6
Daerah eksiton bebas dari spektrum PL ZnO pada 15 K......
14
Gambar II.7
Spektrum PL dari ZnO pada daerah TES dari garis-garis eksiton ikatan……………………………………………………………..
Gambar II.8
15
Perubahan morfologi kristal tunggal ZnO yang terbentuk dalam suatu larutan Zn(NO3)2 (0,05 mol L-1) dan heksametiltetramin (0,05 mol L-1) yang dipanaskan pada suhu 100 °C: (a) permulaan turbiditas; (b) setelah 3 menit; (c) setelah 7 menit; (d) setelah 30 menit…………………...
Gambar II.9
Orientasi molekul polar tanpa dan dengan pemakaian medan listrik..........................................................................
Gambar II.10
18
20
Elektron berkecepatan tinggi yang mengenai elektron pada orbital 1s (kulit K) menyebabkan elektron tereksitasi sehingga terjadi kekosongan (□) pada orbital 1s, elektron pada orbital 2p mengisi kekosongan tersebut yang menyebabkan terjadinya pancaran sinar-X………………...
Gambar II.11
Spektrum panjang gelombang sinar-X yang dipancarkan oleh logam Cu yang terdiri dari radiasi putih, radiasi Cu Kβ dan beberapa jenis radiasi Cu Kα…………………………..
22
xiii
dan beberapa jenis radiasi Cu Kα………………………….. Gambar II.12
22
Difraksi sinar-X pada kisi kristal. λ adalah panjang gelombang sinar-X, d adalah jarak antar kisi kristal, θ adalah sudut datang sinar…………………………………..
23
Gambar II.13
Skema spektrofotometer fotoluminesen……………………
26
Gambar III.1
Ilustrasi skematik untuk sistem reaksi yang terdiri dari bejana gelas, sumber tegangan, substrat, elektroda dan larutan prekursor…………………………………………...
30
Gambar IV.1
Pola difraksi ZnO berdasarkan JCPDS no. 36-1451.............
33
Gambar IV.2
Pola difraksi ZnO pada berbagai konsentrasi prekursor tanpa pengaruh medan listrik eksternal.................................
Gambar IV.3
35
Foto SEM dari nanorods ZnO dengan perbedaan konsentrasi prekursor dengan waktu deposisi 8 jam tanpa adanya pengaruh medan listrik..............................................
Gambar IV.4
37
Spektrum PL dari nanorods ZnO pada substrat gelas ITO dengan perbedaan konsentrasi prekursor dan waktu deposisi selama 8 jam, diukur pada suhu ruang....................
Gambar IV.5
Pola difraksi ZnO pada konsentrasi prekursor 1 mM dengan dan tanpa medan listrik eksternal.............................
Gambar IV.6
Gambar IV.8
40
Pola difraksi ZnO pada konsentrasi prekursor 10 mM dengan dan tanpa medan listrik eksternal.............................
Gambar IV.7
38
41
Pola difraksi ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mM dengan dan tanpa medan listrik eksternal.............................
42
Foto SEM dari nanorods ZnO tanpa adanya pengaruh medan listrik eksternal dan dengan adanya medan listrik eksternal pada konsentrasi prekursor 100 mM......................
43
xiv
Gambar IV.9
Distribusi diameter dari nanorods ZnO pada konsentrasi prekursor 100 mM.................................................................
45
Gambar IV.10
Skema struktur kristal ZnO...................................................
48
Gambar IV.11
Skema polarisasi molekul ZnO terhadap arah medan listrik
48
Gambar IV.12
Spektrum PL dari nanorods ZnO pada substrat gelas ITO pada konsentrasi prekursor 100 mM, waktu deposisi 8 jam, dengan dan tanpa medan listrik eksternal yang diukur pada suhu ruang.....................................................................
49
xv
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG Singkatan
Nama
MOCVD
Metal Organic Chemical Vapor
Pemakaian pertama kali pada halaman 1
Deposition ITO
Indium Tin Oxide
2
SEM
Scanning Electron Microscope
3
TCO
Transparent Conductive Oxide
11
BE
Bound Exciton
13
DBE
Donor Bound Exciton
13
ABE
Acceptor Bound Exciton
13
PL
Photoluminescence
14
MBE
Moleculer Beam Epitaxy
17
PLD
Pulse Laser Deposition
17
HVPE
Halida Vapor Phase Epitaxy
17
EL
Electroluminescence
25
CL
Cathodoluminescence
25
DC
Direct Current
29
XRD
X-Rays Diffraction
34
PDF
Powder Diffraction File
31
DAP
Donor Acceptor Pair
50
a
Panjang satu sel satuan
12
Å
Angstrom, satuan panjang gelombang
23
d
Jarak antar kisi kristal
12
E
Medan Listrik
20
P63mc
Grup ruang untuk struktur kristal wurtzit
12
Eg
Celah pita energi
8
LAMBANG
xvi
Hf’
Energi gelombang elektromagnetik
8
EV
Electron Volt, satuan untuk energi foton
15
nZn
Jumlah atom Zn
16
nO
Jumlah atom O
16
µZn
Potensial kimia Zn
16
µO
Potensial kimia O
16
VZn
Kekosongan atom Zn
16
VO
Kekosongan atom O
16
θ
Sudut datang sinar pada kisi kristal
20
λ
Panjang gelombang sinar datang pada kisi kristal
23
