THE INFLUENCE OF TERPINEOL CONCENTRATION ON STRUCTURE AND CONDUCTIVITY OF THIN FILM NANOPARTICLES SILVER PASTE Indah Mi’atul Qobah, Markus Diantoro, Nandang Mufti Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang Email :
[email protected] ABSTRACT This research reports the preparation and characterization of thin film nanoparticles silver paste. The silver nanoparticles and films have been characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Analysis (EDAX), and Electric Four Point Probe. Silver nanoparticles were prepared by chemical reduction. The morphology and crystal structure have been determined by XRD and SEM. The grain size of thin film nanoparticles silver paste with the influence of concentration Terpineol is 24,730 nm (terpineol 10%), 24,820 nm (terpineol 15%), 24,770 (terpineol 20%), dan 24,730 (terpineol 25%). The peaks in XRD pattern are in good agreement with that of face-centered-cubic form of metallic silver and monochlinic form of silver carbonat. Electric Four Point Probe results confirmed nanosilver film exhibit conducting behavior. The optimum conductivity was 3,22x10 3 S/m on concentration terpineol 10%. Keywords: nanosilver, silver paste, tepineol, film, spin coating, crystal structure, conductivity
PENDAHULUAN Nanopartikel perak merupakan suatu lompatan terbaru untuk memahami dan menggunakan suatu material. Ilmu material memulainya dengan merealisasikan komposisi kimia yang memainkan peranan penting dalam menentukan jenis penyusun material itu sendiri. Proses pembentukan suatu nanopartikel akan mempengaruhi sifat dari material itu sendiri, selain itu penambahan aditif juga akan memodifikasi sifatnya (Henne van Heeren, 2010). Dalam perkembangannya, material nano diklasifikasikan menjadi tiga kategori, yaitu material nano berdimensi nol (nanoparticle), material nano berdimensi satu (nanowire), dan material nano berdimensi dua (thin films) (Fernandez, 2011). Film ultrathin telah menjadi kunci untuk kemajuan teknologi dalam mikroelektronik, optik, fuel cells, filtrasi, lapisan pelindung, katalis, dan devais.
Beberapa teknik seperti deposisi uap kimia, reactive sputtering reactive ion plating dan pulsed laser-assisted evaporation dapat digunakan untuk membentuk film tipis dari berbagai bahan. Salah satu bahan dalam pembuatan film tipis adalah pasta konduktif yang dilapiskan pada substrat kaca. Pasta konduktif merupakan salah satu material smart pada beberapa tahun terakhir ini. Pasta konduktif banyak terbuat dari perak yang memiliki peranan dalam aplikasi manufaktur komponen elektronik (US Patent no.0220072 A1, 2012). Jika digunakan sebagai bahan dasar pasta konduktif, perak memiliki afinitas ikatan yang baik dibandingkan dengan tembaga yaitu untuk substrat isolasi serta sifat solderabilitas yang baik pula (US. Patent no.4789411, 1988). Pada penelitian ini akan dilakukan sintesis nanopartikel perak dengan menggunakan metode reduksi kimia dan fabrikasi film tipis pasta nanopartikel perak 1
menggunakan metode spin coating. Tujuan dari penelitian untuk mengetahui pengaruh dari konsentrasi Terpineol terhadap kemurnian, ukuran butir, dan konduktivitas listrik dari film tipis pasta nanopartikel Ag.
terbentuk dilapiskan di atas subsrat kaca untuk membentuk film tipis melalui metode spin coating dengan kecepatan 3000 rpm selama 1 menit. Film dipanaskan pada suhu 120oC selama 10 menit. Struktur kristal sampel diuji dengan X-Ray Diffraction (XRD) berupa gambar pola difraksi yang ditunjukkan oleh hubungan antara 2θ dan intensitas, dan hasil uji SEM dalam bentuk gambar morfologi partikel. Dari data hasil uji XRD, pembentukan dan analisis fasa diidentifikasi menggunakan program Celref dan X’Pert High Score. Dilanjutkan dengan bantuan Software Microcal Origin untuk penampilan berbagai grafik. Ukuran kristal dihitung menggunakan persamaan Scherrer dan dikonfirmasi dengan hasil fotografi SEM. Sedangkan konduktivitas listrik diuji menggunkan four point probe.
METODE EKSPERIMEN Pada penelitian ini, proses fabrikasi film tipis pasta perak dilakukan dengan metode spin coating. Awalnya dilakukan proses sintesis nanopartikel Ag dengan teknik kimia (bottom up) pada suhu rendah di bawah 20oC. Teknik ini menggunakan metode reduksi kimia dari larutan perak nitrat (AgNO3) dan menggunakan senyawa pereduksi berupa Sodium Borohydride (NaBH4), serta MSA sebagai penyetabil. MSA 0.03M dilarutkan dalam metanol (400 mL) dan diaduk dengan cepat dengan magnetik stirer. Kemudian ditambahkan larutan kedua yakni larutan silver nitrat (340 mg) dalam 6,792 mL air. Selanjutnya larutan ketiga Natrium Borohidrate (756,6 mg dalam 100 mL air) diteteskan sedikit demi sedikit. Larutan I berwarna bening, menjadi berubah kuning setelah ditambahkan larutan II. Kemudian berubah menjadi coklat kehitaman setelah ditetesi larutan III. Setelah ketiga larutan tercampur, pengadukan dilakukan selama 30 menit dengan kecepatan konstan 500 rpm dan suhu dikontrol di bawah suhu 20oC. Partikel yang terbentuk dan teratur dalam metanol disaring dan dicuci lagi dengan metanol. Untuk menjadi serbuk, partikel yang telah disaring dikeringkan dalam suhu ruang.Sampel yang terbentuk dikarakterisasi dengan XRD dan SEM. Selanjutnya, serbuk nanopartikel Ag yang terbentuk dijadikan pasta konduktif dengan penambahan 5% wt ethyl cellulose dan variasi konsentrasi Terpineol 10%, 15%, 20%, dan 25%. Campuran pasta diaduk dengan magnetik stirrer dengan kecepatan 600 rpm pada suhu 60oC selama 30 menit. Kemudian diturunkan pada suhu ruang dan diaduk dengan kecepatan 200 rpm selama 20 jam. Pasta konduktif yang
HASIL DAN PEMBAHASAN Pola Difraksi Sinar-X Nanopartikel Ag Pola difraksi sinar-X sampel nanopartikel yang dihasilkan melalui metode sintesis reduksi kimia ditunjukkan pada Gambar 4.1. Puncak yang muncul pada 2θ berturut-turut bernilai 38.12o, 44.31o, 64.45o, 77.41o, 81.56o, dengan (hkl) berturut-turut (111), (200), (220), (311), (222). Gambar pola difraksi sinar-x ini menunjukkan kristalinitas nanopartikel perak. Tidak ditemukan puncak fase lain sebagai impuritas, sehingga dalam penelitian ini telah berhasil menyintesis nanopartikel perak dengan kemurnian tinggi melalui metode reduksi kimia.
Gambar 1 Phase Matching Nanopartikel Ag
Dari pola tersebut didapatkan konstanta kisi yang terhitung sebesar a = 4,0857 Å, dan hasil 2
ini tidak jauh berbeda dengan standart nilai a = 4,0855 Å.
dengan adanya perbedaan konsentrasi terpineol, sehingga volume kristal juga hampir tidak ada perubahan seiring bertambahnya konsentrasi terpineol pada film tipis pasta nanopartikel Ag. Hasil analisis film tipis pasta nanopartikel Ag ditunjukkan pada Tabel 2,
Pola Difraksi Sinar-X Film Tipis Pasta Nanopartikel Ag Pola difraksi sinar-X sampel film tipis pasta nanopartikel Ag yang dihasilkan melalui metode spin coating untuk variasi konsentrasi terpineol 10% sampai 25% ditunjukkan pada Gambar 2.
Tabel 2 Hasil Analisis Film Tipis Pasta Nanopartikel Ag
Hasil fitting dengan model Ag dan Ag2CO3 didapatkan bahwa fraksi volume Ag mengalami penurunan seiring dengan meningkatnya konsentrasi Terpineol pada film tipis pasta nanopartikel perak. Hasil dari penghitungan fraksi volume ditunjukkan pada Tabel 1.
Fraksi Volume Ag2CO3 (%)
10% 15% 20% 25%
35,43 33,43 33,29 32,44
45,29 48,77 54,28 56,29
Terpineol 15%
Terpineol 20%
Terpineol 25%
a = b = c (Å) α = β = γ (°) V (ų) 2θ toleransi (°)
4,0863 90 67,78 0,100
4,0870 90 67,83 0,100
4,0875 90 68,18 0,100
4,0880 90 68,25 0,100
Ukuran Butir Nanopartikel Ag dan Film Tipis Pasta Nanopartikel Ag Pengaruh peningkatan konsentrasi pelarut Terpineol terhadap ukuran butir film tipis pasta nanopartikel Ag dapat diamati dengan hasil karakterisasi XRD. Melalui pola XRD dapat diketahui ukuran partikel dengan cara menghitung nilai FWHM (Full Widht at Half Maximum) dari puncak bidang difraksi. Pada umumnya, nilai FWHM digunakan untuk menentukan ukuran partikel dengan menggunakan persamaan Scherer. Ukuran butir partikel Ag pada film hasil penghitungan dengan persamaan Scherer ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 1 Hasil Penghitungan Fraksi Volume Film Tipis Pasta Nanopartikel Ag Fraksi Volume Ag (%)
Terpineol 10%
Dengan meningkatnya konsentrasi Terpineol, tidak membuat volume kristal partikel Ag ikut meningkat secara signifikan. Hal ini menunjukkan bahwa material Terpineol tidak memengaruhi volume kristal film tipis pasta nanopartikel Ag, artinya kristalinitas nanopartikel tetap terjaga. Hasil ini dapat memberikan informasi aplikatif dari bahan ini, terutama bahan film konduktif.
Gambar 2 Pola Difraksi Film Tipis Pasta Nanopartikel Ag melalui Metode Spin Coating dengan Variasi Terpineol 10% hingga 25%
Konsentrasi Terpineol
Parameter Kisi
Dari data ini menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi Terpineol yang diberikan, maka kemurnian film Ag semakin turun. Struktur Kristal Nanopartikel Ag Dari hasil analisis, parameter kisi dari masing-masing film tipis pasta nanopartikel Ag hampir tidak ada perubahan 3
Tabel 3 Ukuran Butir Nanopartikel Ag dan Film Tipis Pasta Nanopartikel Ag Ukuran Butir Partikel (nm) Puncak (hkl) (111) (200) (220) (311) (222) Ratarata
Nano partikel Ag 27.381 21.707 21.505 20.707 20.456 22.350
Terpineol 10% 31.877 24.119 23.508 21.650 22.507 24.730
Terpineol 15%
Terpineol 20%
Terpineol 25%
33.387 23.167 22.869 21.547 23.108 24.820
33.498 22.642 23.219 21.709 22.776 24.770
32.977 23.683 23.362 22.567 21.067 24.730
Ukuran butir partikel semakin mengecil seiring besarnya bidang (hkl). Hal ini dapat disebabkan oleh energi permukaan pada bidang yang lebih besar dari (111), nilainya lebih besar daripada energi permukaan pada bidang (111). Semakin mengecilnya ukuran butir partikel seiring besarnya bidang (hkl) dapat ditunjukkan oleh lebar puncak pola difraksi sinar-X yang semakin melebar. Hasil fitting Gaussian pada pola difraksi sinar-X menunjukkan adanya perbedaan ukuran butir partikel pada nanopartikel Ag dengan film. Dikarenakan pada proses sintesis pasta film nanopartikel Ag ditambahkan bahan pengikat dan pelarut yaitu ethyl cellulose dan terpineol. Penambahan bahan pengikat dan pelarut memicu partikel-partikel Ag yang terkandung dalam larutan menggumpal dan hal ini menyebabkan ukuran butir partikel berubah menjadi lebih besar. Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi Terpineol tidak mempengaruhi ukuran butir yang tersebar pada film.
Gambar 3 Hasil Foto SEM dengan perbesaran 50.000x, a) Nanopartikel Ag, b) Film Terpineol 10%, c) Film Terpineol 15%, d) Film Terpineol 20%, e) Film Terpineol 25%
Hasil citra SEM nanopartikel Ag dengan perbesaran 50.000 kali tampak bahwa partikel yang disintesis tidak memberikan bentuk yang sepenuhnya sperichal (berbentuk bola), sesuai dengan yang dilaporkan oleh Khan (2011) dan juga penelitian oleh Fitria (2014), karena ada partikel yang tampak berbentuk rantai atau chain. Hal ini menunjukkan sintesis dengan metode reduksi kimia menghasilkan partikel yang masih polidisperse. Ukuran partikel pun juga tampak bervariasi (tidak homogen). Konduktivitas Film Tipis Pasta Nanopartikel Ag dengan Four Point Probe Uji konduktivitas listrik fim tipis pasta nanopartikel Ag dilakukan untuk mengetahui sifat kelistrikan film tipis. Uji konduktivitas menggunakan metoda four point probe, yaitu pengukuran yang menghasilkan arus dan tegangan listrik. Data hasil pengukuran arus dan tegangan listrik diolah dengan menggunakan persamaan resistivitas
Morfologi Kristal dari Citra SEM Karakterisasi SEM nanopartikel Ag dilakukan untuk mengetahui morfologi, mikrostruktur, dan ketebalan film pada sampel. Hasil SEM dari sampel nanopartikel Ag ditunjukkan pada Gambar 3.
4
Untuk Terpineol 10%, besar fraksi volume Ag 35,44% dan fraksi volume Ag2CO3 45,29 %. Sedangkan untuk Terpineol 25%, besar fraksi volume Ag 32,44% dan fraksi volume Ag2CO3 56,29 %. 2. Peningkatan konsentrasi pelarut Terpineol tidak mempengaruhi ukuran butir yang tersebar pada film, terlihat bahwa ukuran butir tiap film tetap terjaga walaupun dengan perbedaan yang kecil yaitu 24,730 nm (Terpineol 10%), 24,820 nm (Terpineol 15%), 24,770 (Terpineol 20%), dan 24,730 (Terpineol 25%), . 3. Semakin tinggi konsentrasi Terpineol yang diberikan, maka semakin kecil nilai konduktivitasya. Namun film tipis pasta nanopartikel Ag yang terbentuk masih bersifat konduktif pada konsentrasi Terpineoel 10% sebesar 3,22x10+03 S/m.
V , selanjutnya untuk I mengetahui nilai konduktivitas listrik 1 menggunakan persamaan . Untuk mengetahui grafik konduktivitas film tipis pasta nanopartikel Ag ditunjukkan pada Gambar 4.
listrik
2d
DAFTAR RUJUKAN 1. Aarifi, Hani. 2011. Silver Nanoparticles Paste for Low-Temperatur bonding of Copper. Journal of Electronic Materials, Vol. 40, No. 6 2. Ali, Yasir et al. 2013. Surface Modification of Polyaniline Nanofiber Using Silver Nanoparticle to Enhace Sensing Properties. Advanced Materials Journal: 68-372. 3. Bonsak, Jack. 2010. Chemical Syinthesis of Silver Nanoparticles for Light Trapping Application In Silicon Solar Cells. Thesis University of Oslo. 4. Budi, Harmami. S. 2007. The Synthesis of Silver Nanoparticles Produced by Chemical Reduction of Silver Salt Solution. Tangerang: Research Center for Chemistry, Indonesian Institute of Science. 5. Cheung R, et al. 2008. Silver nanoparticles made in solvent. United States Patent. New Jersey: Noyes Publication. 6. Chou, Kan-Sen. 1999. Synthesis of nanosized silver particles by chemical
Gambar 4 Konduktivitas Film Tipis Pasta Nanopartikel Ag
Gambar 4 menunjukkan perubahan konduktivitas pada film tipis pasta nanopartikel Ag, terlihat bahwa semakin tinggi konsentrasi terpineol yang diberikan maka semakin kecil nilai konduktivitasya. Untuk konsentrasi 20% dan konsentrasi 25%, konduktivitas listriknya terlihat paling kecil dan hampir sama. Hal ini menunjukkan bahwa film yang diberi konsentrasi terpineol paling banyak akan kehilangan sifat kelistrikannya atau nilai konduktivitas akan semakin kecil, karena terpineol merupakan pelarut polimer. Apabila konsentrasi pelarut semakin banyak, maka pasta nanopartikel Ag sulit menempel di atas substrat kaca, sehingga kandungan Ag pada film semakin berkurang. Kesimpulan 1. Peningkatan konsentrasi pelarut Terpineol menurunkan kemurnian film tipis pasta nanopartikel Ag yang ditandai dengan munculnya fase lain yaitu silver carbonat. 5
reduction method. Materials Chemistry and Physics 64 (2000) 241–246. 7. Dong Hoon Kim, dkk. 2012. Copper nano paste, method for forming the copper nano paste and method for forming electrode using the copper nano paste. U.S. Patent No. 0220072 A1. 8. Fernadez, Benny Rio. 2011. Sintesis Nanopartikel. Padang: FMIPA Pascasarjana Universitas Andalas. 9. Fitria, Chasanah A. 2013. Fabrication of Silver Nanoparticles Films by Coprecipitation Process and Spin Coating Method and Their Characterization Structure and Conductivity. Malang: FMIPA UM. 10. Fitrianingsih, Rina. 2012. Sintesis Nanopartikel Perak (Ag) melalui metode reduksi kimia dengan variasi molar MSA dan karakterisasi struktur kristal dan morfologi. Malang: FMIPA UM. 11. Handaya, Saputra A. 2011. Preparasi Koloid Nanosilver Menggunakan Stabilizer Polivinil Alkohol dan Aplikasinya Sebagai Antibakteri Pada Bakteri S. aureus dan E. Coli. Depok: Fakultas Teknik Universitas Indonesia. 12. Henne van Heeren. 2007. Nano Materials. RTO-EN-AVT-129bis. 13. Jenkins, Ron. 2000. X-Ray Techniques. USA: International Centre for Diffraction Data. 14. Kazumasa Eguchi, Nara, dkk. 1988. Conductive copper paste composition. U.S. Patent No. 4789411. 15. Khan Majeed M.A, Sushil Kumar, Maqusood Ahamed, Salman A Alrokoyan. 2011. Structural And Thermal Studies Of Silver Nanoparticles And Electrical Transport Strudy Of Their Thin Films. Journal Nanoscale Research Letters, 6:434. 16. Li et al. 2009. Stabilized silver nanoparticle compositions. United States Patent.
17. Li, Yuning. 2008. Silver nanoparticles process. European Patent. 18. Li, Yuning. 2010. Silver nanoparticle compositions. United States Patent. 19. Rizkyta, Ara Gradiniar, Ardhyananta, Hosta. 2013. Pengaruh Penambahan Karbon terhadap Sifat Mekanik & Konduktivitas Listrik Komposit Karbon/Epoksi sebagai Pelat Bipolar Polimer Elektrolit Membran Sel Bahan Bakar (Polymer Exchange Membran (PEMFC)). Jurnal Teknik Pomits Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539. 20. Rustami, Erus. 2008. Sistem Kontrol Kecepatan Putar Spin Coating Berbasis Mikrokontroler ATmega8535. Skripsi: Departemen Fisika Fakultas Matematika & Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. 21. Singh, P., Raja, R. Balaji. 2011. Biological Synthesis and Characterization of Silver Nanoparticles Using the Fungus. 22. Theivasanthi, T. & Alagar, M. 2010. XRay Diffraction Studies of Copper Nanopowder. Indian: Department of Physics PACR Polytechnic College. 23. Tolaymat T, El Badawy A, Genaidy A, Scheckel K, Luxton T, Suidan M. 2010. An evidence-based environmental perspective of manufactured silvernanoparticle in syntheses and applications: A systematic review and critical appraisal of peer-reviewed scientific papers. Sci. Tot. Environ.5: 999-1006. 24. Vivek M, Kumar PS, Steffi S, Sudha S. 2011. Biogenic Silver Nanoparticles by Gelidiella acerosaExtract and their Antifungal Effects. India: Karpagam University Department of Biotechnology. 25. Xiao et al. 2011. Large-Area Chip Attachment by Sintering Nanosilver Paste. USA.
6
