Efek Jenis Pelarut Pada Sifat Optiko Morfologi Permukaand An Koefisienw Avegaidleo Ssd Ari Pandu Gelombang Planar Polimer Terkonjugasi Meh-ppv.
VOLUME4. NoMoR I
JURNAL FISIKA DAN APLIKASINY^
JANUARI2OO8
Efek JenisPelarutpadaSifat OptikoMorfologi
Lossdari Pandu
Permukaandan KoefisienWavegaide
GelombangPlanar Polimer TerkonjugasiMEH-PPV
Ayi Bahtiar,*Yeni Kurniawati,Fitrilawati,YayahYuliah,dan I MadeJoni
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Padjadjaran Bandung
Kampus Jatinangor; Sumedang 45363
Intisari
Dalamtulisanini dilaporkanstudi efekjenis pelarutpadasifat optik, morfologipermukaandan koefisien
waveguidelossas- dari pandugelombangplanarpolimer MEII-PPV. Pandugelombangplanardibuatdengan
teknik spin-coatingdari larutanpolimer denganpelarut toluen, kloroform dan THF. Itasil studi menunjukkan
bahwasifat optik dan morfologipermukaanfilm MEH-PPVdipengaruhiolehjenis pelarutyang digunakan
Film denganpelaruttoluendan kloroformmempunyaimorfologipermukaanyanghomogen,akibatnyanilai
ae- lebih kecil dari I dB/cm. SedangkanpelarutfilF membentukteksturdi permukaanfilm MEH-PPVkarena
agregasirantaipolimer,sehingganilai ae- menjadibesar.
KArA KUNcr: pandu gelombang plmar, MEH-PPV, aggregat,koefisien waveguide loss
I.
PENDAHULUAN
Pandu gelombang planar dari polimer merupakan bagian
yang sangat penting dalam perkembangan teknologi fotonik
seperti vnf;.tk integrated optics [l, 2], laser [3], LED [4], sel
surya [5] dan divais optik nonlinier [6, 7). Pandu gelombang planar sangat cocok dikembangkan un[tk integrated opdcs (IO), karena mudah difabrikasi dan dapat diintegrasikan
dengan komponen optik yang lain. Untuk aplikasi pandu
gelombang planar, terdapat persyaratan film tipis yang sangat berkaitan dengan kualitas optik. Kualitas film tipis yang
dinyatakan dengan optical /oss [8] akan menentukan kinerja
dari piranti yang dibual Film tipis untuk pandu gelombang
planar harus transpaftm, mempunyai indeks bias dan ketebalan yang homogen, mempunyai permukaan yang halus serta
memiliki koefisien wovegtide loss an- < I dB/cm. Mendapatkanfilm tipis yang berkualitas baik merupakan kendala
utama unhrk aplikasi, sehingga banyak upaya yang dilakukan
berkaitan denganhal tersebut [9-l l].
Salah satu metoda pembuatan film tipis polimer yang
banyak dipakai adalah spin-coating [8]. Pada metoda tersebut
terdapat beberapaparameteryang dapat dikonhol antara lain
jenis pelarut, konsentrasi larutan, temperatur dan kecepatan
serta waktu rotasi. Ketebalan, kerataan atau morfologi permukaan filrn yang dihasilkan ditentukan oleh pemilihan parameter tersebut. Walaupun spin-coating sangat umum digunakarL namun prcses spin-coating masih belum dipahami
secara terinci karena sangat kompleks. Dalam eksperimen,
seringkali digunakan hubungan empiris antara parameterparametersp in-coatingvntuk memperolehsifat-sifat film tipis
yang dihasilkan. Namun, hal itu hanya terbatas pada sis-
*E-MAIL: bahtiar.
ayi@gmail . com
@ JurusanFisikaFMIPA ITS
tem polimer-pelaruttertentu,dimana informasi yang berkaitan denganpolimer dan interaksiantarapolimer dan pelarut
masihterbatas.
Polirner terkonjugasipoli(p-fenilenvinilen)(PPV) dan
hrrunannyamcrupakanpolimer yang banyak dikaji karena
memiliki sifat semikonduktor, luminisensi dan optik
non-linier [3-5, 71. Khususny4 poli[2-metoksi-S-(Z'etilheksiloksi)-1,4- fenilenvinilenl (MEH-PPV) sering
digunakansebagaimodel materialuntuk memperolehpemahaman dasardari fotofisik polimer terkonjugasi[12, l3l.
Polimer MEH-PPV mudah larut dalam pelarut organik
biasa dan dapat dibuat dalam bentuk film denganteknik
spin-coating.
Dalam studi ini, dilakukanfabrikasipandugelombangplanar dari polimcr terkonjugasiMEH-PPVdenga.,teknikspizcoating dari larutan dengantiga jenis pelarut yang berbed4
yaitu toluen,kloroform dan tehahidrofurane(THF). Ketiga
jenis larutan ini rnerupakanpelarut yang umum digunakan
sebagaipelarutMEH-PPVdalampembuatan
film tipis untuk
berbagaiaplikasipiranti-pirantioptoelektronik.Tujuanstudi
ini adalahuntuk mengkajipengaruhjenis pelarutterhadapabsorbansi,morfologipermukaandankoefisienwaveguideloss
daripandugelombang
planarpolimerMEH-ppV.Dalamstudi
ini, ditunjukkanbahwajenis pelarutmenentukansifat-sifat
optik, nrorfologi permukaandan koefisienwaveguideloss
pandugelombang
planarMEH-PPVyangdihasilkan.
II.
DASAR TEORI
Pandu gelombang planar merupakan shuktur dasar dari integrated optics (lO), yang berfungsi sebagai optoboard tempal
dibangunnya komponen-komponen optik yang lain, seperti
switches, optical modulato4 coupler. Pandu gelombang planar terdiri dari film tipis (indeks bias n2) yang terletak di an-
080101-l
AYI BAHTIAR,dA
J . F I S .D A NA P L . ,V o L ' 4 ' N o ' 1 , J a N u a n2t 0 0 8
-J
oJ
udaran
,1
filmtipis,n,
t l-\-cH=cH
planaryangtcrdiri dariudar4filrn
Gambar'1: Pandugelombang
dansubstrat
tipis
b-H, o-u dan C:o di dalamfilm, (2)' hamburan
i**t
film, variasi keVuitg*utiU"*an oleh ketidaksempurnaan
gelombang'dan
pandu
dalam
di
cacat
iipituo, impuritas,
permukaanfilm'
ketidakrataan
oleh
permukaan
iij. rt""tu*i"
padajenis
bergantung
sangat
kedua
dan
pertama
irrt"t*ir*"
mekanismeketiga
danteknik pembuatanmaterial.Sedangkan
planar'
U"tgu"t*g padateknik pembuatanpandugelombang
dinyatakan
akibat hamburanpermukaan
r"iigi*-["*gian
koefisienwaveguideloss,an- ll4]:
seUagai
I
A:+@'1,+o1r)'t'
t"
(2)
d adalahketcdengan) adalahpanjanggelornbang,cahay2,
g,'
sudutdatang
adalah
tipis;,
gelombinglnfn
Uati panOu
ketidakrataan
variasi
adalah
op
dan
o2s
Besaran
cahayi.
fihn tipis padabatasfilm-substratdanfilm-udara'
p.#*"""
yang berla5
i{onttuotu p dan q aclalahkonstanta-konstanta
film tipis
bias
indeks
indeksbiasudara,
tan denganperbedaan
tamPers'2'
dan
Pers'l
Aaninaits'Oiassubstrat[15]. Dari
loss'
wavegaide
koef,sien
pak bahwauntuk meminimalisasi
hodibuat
harus
film
permukaan
Lera-taandan mot{ologi
dapat
ini
Hal
minimum'
menjadi
orz
nilai
*og"" sehingga
faparameter-parameter
dilakukandenganm"ogoptimaiisasi
mebrikasifilrn tip-is[16]- bisampingitu, hasilstudi terbaru
."":"tf.". bairwanilai ao- dipengaruhiolehorientasirantai
raniaipolimeratauaggegatdalamfilrn tipis [17]'
Iil.
I, n
Gambar2: StnrkturkimiapolimerMEI{-PPV
yang ditunjukkan
tara substrat (ri3) tlan udara (n1), seperti
di dalam
merambat
dapat
cahaya
Agar
Jalam Gambar 1.
n2 )
persyaratan
selain
maka
tersebut,
pandu gelombang
minimum'
ketebalan
persyaratan
terdapat
," , ,ijuga
suSalah iatu parameterkrusial yang menentukanapakah
gelompandu
atu material dapat digrurakan untuk aplikasi
(ag')'
iung pf*u. atau tidak adalahkoefisien waveguide loss
os""
nilai
mempengaruhi
Ada"t'iga mekanisme utama yang
molekul-molekul
vibrasi
oleh
V"iil, if i absorpsi cahaya
1
A 2 { c o s 3P - \ |
Qs--;
\#;'-)l*i;tl
tlt/
r
CF{.O
Polimer dilarutkan didalam pelarut kloroform (J I" Bakcr
toluen (JT. Baker) dan TIIF (Merck GmbH) mastng-masr
dengan konsentrasi 0,3olo' Konsentrasi ini dipilih agar fil
yang dibuat mempunyai ketebalan minimum dari pant
(500 nm)' Larutan diaduk sat
ielombang planar MEFI-PPV
kemudian,larutan dibu
homogen'
dan
iai t"-puf'Uening
tekar*' spin-coatii
dengan
gelombang
pandu
hm tip" atau
putalan
diatur oleh 1
kecepatan
mana
tli
made).
(home
ganganlistrik. Film tiprs yang dihasilkankemudiandisimp
Iiautu.n vakum oven selama 2 jam dengan temperatur 50'
sisa-sisapelarut'
untuk mcnghilangJ
JURNAL FISIKA DAN APLIKASINY^
JANUARI2OO8
Efek JenisPelarutpadaSifat OptikoMorfologi
Lossdari Pandu
Permukaandan KoefisienWavegaide
GelombangPlanar Polimer TerkonjugasiMEH-PPV
Ayi Bahtiar,*Yeni Kurniawati,Fitrilawati,YayahYuliah,dan I MadeJoni
Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Padjadjaran Bandung
Kampus Jatinangor; Sumedang 45363
Intisari
Dalamtulisanini dilaporkanstudi efekjenis pelarutpadasifat optik, morfologipermukaandan koefisien
waveguidelossas- dari pandugelombangplanarpolimer MEII-PPV. Pandugelombangplanardibuatdengan
teknik spin-coatingdari larutanpolimer denganpelarut toluen, kloroform dan THF. Itasil studi menunjukkan
bahwasifat optik dan morfologipermukaanfilm MEH-PPVdipengaruhiolehjenis pelarutyang digunakan
Film denganpelaruttoluendan kloroformmempunyaimorfologipermukaanyanghomogen,akibatnyanilai
ae- lebih kecil dari I dB/cm. SedangkanpelarutfilF membentukteksturdi permukaanfilm MEH-PPVkarena
agregasirantaipolimer,sehingganilai ae- menjadibesar.
KArA KUNcr: pandu gelombang plmar, MEH-PPV, aggregat,koefisien waveguide loss
I.
PENDAHULUAN
Pandu gelombang planar dari polimer merupakan bagian
yang sangat penting dalam perkembangan teknologi fotonik
seperti vnf;.tk integrated optics [l, 2], laser [3], LED [4], sel
surya [5] dan divais optik nonlinier [6, 7). Pandu gelombang planar sangat cocok dikembangkan un[tk integrated opdcs (IO), karena mudah difabrikasi dan dapat diintegrasikan
dengan komponen optik yang lain. Untuk aplikasi pandu
gelombang planar, terdapat persyaratan film tipis yang sangat berkaitan dengan kualitas optik. Kualitas film tipis yang
dinyatakan dengan optical /oss [8] akan menentukan kinerja
dari piranti yang dibual Film tipis untuk pandu gelombang
planar harus transpaftm, mempunyai indeks bias dan ketebalan yang homogen, mempunyai permukaan yang halus serta
memiliki koefisien wovegtide loss an- < I dB/cm. Mendapatkanfilm tipis yang berkualitas baik merupakan kendala
utama unhrk aplikasi, sehingga banyak upaya yang dilakukan
berkaitan denganhal tersebut [9-l l].
Salah satu metoda pembuatan film tipis polimer yang
banyak dipakai adalah spin-coating [8]. Pada metoda tersebut
terdapat beberapaparameteryang dapat dikonhol antara lain
jenis pelarut, konsentrasi larutan, temperatur dan kecepatan
serta waktu rotasi. Ketebalan, kerataan atau morfologi permukaan filrn yang dihasilkan ditentukan oleh pemilihan parameter tersebut. Walaupun spin-coating sangat umum digunakarL namun prcses spin-coating masih belum dipahami
secara terinci karena sangat kompleks. Dalam eksperimen,
seringkali digunakan hubungan empiris antara parameterparametersp in-coatingvntuk memperolehsifat-sifat film tipis
yang dihasilkan. Namun, hal itu hanya terbatas pada sis-
*E-MAIL: bahtiar.
ayi@gmail . com
@ JurusanFisikaFMIPA ITS
tem polimer-pelaruttertentu,dimana informasi yang berkaitan denganpolimer dan interaksiantarapolimer dan pelarut
masihterbatas.
Polirner terkonjugasipoli(p-fenilenvinilen)(PPV) dan
hrrunannyamcrupakanpolimer yang banyak dikaji karena
memiliki sifat semikonduktor, luminisensi dan optik
non-linier [3-5, 71. Khususny4 poli[2-metoksi-S-(Z'etilheksiloksi)-1,4- fenilenvinilenl (MEH-PPV) sering
digunakansebagaimodel materialuntuk memperolehpemahaman dasardari fotofisik polimer terkonjugasi[12, l3l.
Polimer MEH-PPV mudah larut dalam pelarut organik
biasa dan dapat dibuat dalam bentuk film denganteknik
spin-coating.
Dalam studi ini, dilakukanfabrikasipandugelombangplanar dari polimcr terkonjugasiMEH-PPVdenga.,teknikspizcoating dari larutan dengantiga jenis pelarut yang berbed4
yaitu toluen,kloroform dan tehahidrofurane(THF). Ketiga
jenis larutan ini rnerupakanpelarut yang umum digunakan
sebagaipelarutMEH-PPVdalampembuatan
film tipis untuk
berbagaiaplikasipiranti-pirantioptoelektronik.Tujuanstudi
ini adalahuntuk mengkajipengaruhjenis pelarutterhadapabsorbansi,morfologipermukaandankoefisienwaveguideloss
daripandugelombang
planarpolimerMEH-ppV.Dalamstudi
ini, ditunjukkanbahwajenis pelarutmenentukansifat-sifat
optik, nrorfologi permukaandan koefisienwaveguideloss
pandugelombang
planarMEH-PPVyangdihasilkan.
II.
DASAR TEORI
Pandu gelombang planar merupakan shuktur dasar dari integrated optics (lO), yang berfungsi sebagai optoboard tempal
dibangunnya komponen-komponen optik yang lain, seperti
switches, optical modulato4 coupler. Pandu gelombang planar terdiri dari film tipis (indeks bias n2) yang terletak di an-
080101-l
AYI BAHTIAR,dA
J . F I S .D A NA P L . ,V o L ' 4 ' N o ' 1 , J a N u a n2t 0 0 8
-J
oJ
udaran
,1
filmtipis,n,
t l-\-cH=cH
planaryangtcrdiri dariudar4filrn
Gambar'1: Pandugelombang
dansubstrat
tipis
b-H, o-u dan C:o di dalamfilm, (2)' hamburan
i**t
film, variasi keVuitg*utiU"*an oleh ketidaksempurnaan
gelombang'dan
pandu
dalam
di
cacat
iipituo, impuritas,
permukaanfilm'
ketidakrataan
oleh
permukaan
iij. rt""tu*i"
padajenis
bergantung
sangat
kedua
dan
pertama
irrt"t*ir*"
mekanismeketiga
danteknik pembuatanmaterial.Sedangkan
planar'
U"tgu"t*g padateknik pembuatanpandugelombang
dinyatakan
akibat hamburanpermukaan
r"iigi*-["*gian
koefisienwaveguideloss,an- ll4]:
seUagai
I
A:+@'1,+o1r)'t'
t"
(2)
d adalahketcdengan) adalahpanjanggelornbang,cahay2,
g,'
sudutdatang
adalah
tipis;,
gelombinglnfn
Uati panOu
ketidakrataan
variasi
adalah
op
dan
o2s
Besaran
cahayi.
fihn tipis padabatasfilm-substratdanfilm-udara'
p.#*"""
yang berla5
i{onttuotu p dan q aclalahkonstanta-konstanta
film tipis
bias
indeks
indeksbiasudara,
tan denganperbedaan
tamPers'2'
dan
Pers'l
Aaninaits'Oiassubstrat[15]. Dari
loss'
wavegaide
koef,sien
pak bahwauntuk meminimalisasi
hodibuat
harus
film
permukaan
Lera-taandan mot{ologi
dapat
ini
Hal
minimum'
menjadi
orz
nilai
*og"" sehingga
faparameter-parameter
dilakukandenganm"ogoptimaiisasi
mebrikasifilrn tip-is[16]- bisampingitu, hasilstudi terbaru
."":"tf.". bairwanilai ao- dipengaruhiolehorientasirantai
raniaipolimeratauaggegatdalamfilrn tipis [17]'
Iil.
I, n
Gambar2: StnrkturkimiapolimerMEI{-PPV
yang ditunjukkan
tara substrat (ri3) tlan udara (n1), seperti
di dalam
merambat
dapat
cahaya
Agar
Jalam Gambar 1.
n2 )
persyaratan
selain
maka
tersebut,
pandu gelombang
minimum'
ketebalan
persyaratan
terdapat
," , ,ijuga
suSalah iatu parameterkrusial yang menentukanapakah
gelompandu
atu material dapat digrurakan untuk aplikasi
(ag')'
iung pf*u. atau tidak adalahkoefisien waveguide loss
os""
nilai
mempengaruhi
Ada"t'iga mekanisme utama yang
molekul-molekul
vibrasi
oleh
V"iil, if i absorpsi cahaya
1
A 2 { c o s 3P - \ |
Qs--;
\#;'-)l*i;tl
tlt/
r
CF{.O
Polimer dilarutkan didalam pelarut kloroform (J I" Bakcr
toluen (JT. Baker) dan TIIF (Merck GmbH) mastng-masr
dengan konsentrasi 0,3olo' Konsentrasi ini dipilih agar fil
yang dibuat mempunyai ketebalan minimum dari pant
(500 nm)' Larutan diaduk sat
ielombang planar MEFI-PPV
kemudian,larutan dibu
homogen'
dan
iai t"-puf'Uening
tekar*' spin-coatii
dengan
gelombang
pandu
hm tip" atau
putalan
diatur oleh 1
kecepatan
mana
tli
made).
(home
ganganlistrik. Film tiprs yang dihasilkankemudiandisimp
Iiautu.n vakum oven selama 2 jam dengan temperatur 50'
sisa-sisapelarut'
untuk mcnghilangJ