Karakterisasi Sifat Optik pada Kaca TeO2 ZnO2 Na2O (TZN) Doping TiO2
KARAKTERISASI SIFAT OPTIK KACA TeO2 ZnO Na2O
(TZN) DENGAN DOPING TiO2
Devara Ega Fausta
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret
Jalan Ir. Sutami No 36A Kentingan Surakarta 57126
E-mail: faustadev@gmail.com
Abstract
Tellurium Zinc Natrium oxide (TZN) Glasses with different TiO 2 composition are fabricated and
characterized. The characterization include: density, refractive index, UV Absorbtion and Band Gap
Energy. From the characterization, obtained the value of density of glass (5,490-5,427)g/cm2.
Refractive index generated from 1,911- 2,005. The Band Gap Energy obtained from 3,03 – 2,60 eV.
The UV-Vis Measurement showed shifted wavelenght. It was found that TiO 2 contributes in the
highest extent to decreased the density and gap energy when the doped of TiO 2 was increased (Yusof
et al., 2015). Otherwise, the value of refractive index was increased with the shifted wavelenght in
UV-Vis measurement. It was suggest the possibility of long range order locally arising from the
formation of TiTe3O3 group (Strambouli et al., 2012).
Keyword: TZN TiO 2, density, refractive index of glass, optical properties, band gap energy
Abstrak
Telah dilakukan fabrikasi dan karakterisasi Kaca TZN dengan komposisi TiO2 yang berbeda.
Karakterisasi meliputi pengukuran densitas, indeks bias, serapan UV dan energi gap. Dari hasil
karakterisasi didapatkan nilai dari densitas berkisar pada 5,490-5,427 g/cm3. Indeks bias berada pada
kisaran 1,911-2,055. Nilai dari energi gap sebesar 3,03-2,60 eV dan terdapat pergeseran serapan sinar
UV. Dari hasil yang telah diperoleh, diketahui bahwa penambahan TiO2 berperan dalam penurunan
nilai densitas dan energi gap ketika nilai komposisinya menungkat. Disisi lain, nilai dari indeks bias
mengalami kenaikan dengan adanya pergeseran panjang gelombang pada pengukuran serapan UV-Vis
[2]
. Diperkirakan adanya peningkatan susunan ikatan yang lebih panjang pada komposisi TiTe3O3[1].
Kata Kunci: TZN TiO2 , sifat optik, densitas, indeks bias, energi gap
1. Pendahuluan
Dewasa ini perkembangan teknologi kaca sudah sangat pesat. Salah satu sistem kaca yang paling
banyak diminati adalah sistem kaca Tellurite. Sistem kaca Tellurite telah diteliti selama lebih dari 2
dekade karena sistem kaca ini mermpunyai keunggulan dibandingkan dengan sistem kaca yang lain [1].
Sistem kaca tellurite mempunyai titik leleh yang rendah, energi fonon yang tinggi, nilai indeks bias
yang tinggi, serta rentang pita absorbsi dan transmitansi yang lebar. Dengan keunggulan yang dimiliki
oleh sistem kaca ini, kaca tellurite mempunyai potensi besar untuk terus dikembangkan dalam bidang
fotonik, salah satunya sebagai bahan penguat dalam laser [1].
Saat ini ketertarikan pada kaca dengan dadah ion tanah jarang terus mengalami peningkatan terutama
pada aplikasi untuk bidang fotonik yang mana termasuk dalam pembuatan laser zat padat dengan
harga murah, pemerkuat optik, dan alat optik non linier [2]
Penambahan unsur golongan ion tanah jarang atau golongan logam transisi telah dilakukan untuk
waktu yang cukup lama. Salah satu logam transisi yang sering digunakan adalah TiO2. Pengaruh
penambahan TiO2 pada kaca berkaitan langsung dengan konfigurasi susunan dari atom titanium [3].
Dalam penelitian ini akan diinvesitigasi pengaruh penambahan TiO2 pada kaca TZN. Investigasi
dilakukan berfokus pada sifat optik yang dimiliki oleh kaca TZN, mulai dari nilai serapan panjang
gelombang pada daerah UV-Vis, nilai energi gap, indeks bias, dan densitas yang dimiliki kaca.
2. Metode Penelitain
Kaca dengan komposisi 60 TeO2- (30-x) ZnO – 5 Na2O – (x) TiO2 nilai x divariasi sebesar 1,2,3, dan
4 mol% difabrikasi menggunakan metode melt quenching. Komposisi bahan dihitung dengan
menggunakan metode stoikiometeri. Kemudian, bahan diltimbang untuk mendapatkan campuran awal
kaca. Campuran dimasukkan ke dalam krusibel platina yang dipanaskan menggunakan furnace
Carbolite WF 1100 pada suhu 900oC selama 35 menit untuk memperoleh keadaan lelehan yang stabil.
Lelehan lalu dituangkan ke dalam mold sebelum dimasukkan ke dalam furnace Keija 265 untuk
proses annealing pada suhu 265oC selama 3 jam. Sampel didinginkan hingga suhu ruang. Sampel
kemudian diamplas menggunakan polish machine dengan kertas amplas berukuran 1000. 1500, dan
4000 grid. Hal imenghilangkan goresan pada permukaan kaca selama proses fabrikasi berlangsung.
Kaca yang sudah diamplas kemudian dikarakterasi menggunakan seperangkat UV-Vis Spectroscopy
Lambda 25 Perkin Elmer untuk mengetahui serapan kaca pada panjang gelombang 200 hingga 800
nm. Densitas kaca diukur menggunakan metode Archimedes. Sementara nilai indeks bias kaca diukur
dengaan menggunakan metode Brewster .
3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Serapan pada UV-Vis
Pengukuran serapan panjang gelombang untuk kaca TZN:TiO2 dengan menggunakan UV-Vis
Perkin Elmer Lamda 25. Pengukuran dilakukan pada panjang gelombang 200-800 nm.
10
1% TiO2
2% TiO2
8
Absorbtivitas (1/cm)
3% TiO2
4% TiO2
6
4
2
0
400
500
600
700
800
Panjang gelombang (nm)
Gambar 3.1. Serapan kaca TZNT pada panjang gelombang 400 – 800 nm
Gambar 3.1. menunjukkan terjadinya pergeseran UV Edge pada rentang 425 hingga 460 nm.
Berdasarkan hasil yang telah diperoleh, penambahan doping TiO2 pada kaca TZN mampu
mengakibatkan adanya panjang gelombang yang bergeser menuju nilai panjang gelombang yang
lebih besar. Hal ini disebabkan karena bertambahnya doping dari TiO2 menyebabkan naiknya
konsentrasi non-bridging oksigen pada host kaca [4].
3.2. Densitas Kaca
Densitas dari kaca dapat dihitung dengan menggunakan piknometer. Prinsip dari pengukuran
densitas menggunakan hukum archimedes adalah dengan membandingkan massa dari piknometer
kosong dengan piknometer yang telah diisi oleh akuades dan sampel kaca. Hasil perhitungan dan
pengukuran sampel dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Nilai Densitas kaca TZN: TiO2 pada K1, K2, K3, dan K4
ρ (gram/cm3)
Perhitungan
Pengukuran
5,441
5,490 ± 0,004
5,430
5,484 ± 0,006
5,419
5,457 ± 0,004
5,409
5,427 ± 0,002
Komposisi
K1
K2
K3
K4
Selisih Relatif
(%)
0,90
0,99
0,68
0,33
Dari Tabel 3.1. diperoleh hasil penurunan nilai densitas kaca seiring bertamahnya doping TiO2
pada kaca [1.2]. Penuruan densitas kaca disebabkan adanya pergantian antara ikatan atom pada
TeO2 dengan TiO2, dimana atom TeO2 mempunyai massa yang lebih berat dibandingkan dengan
massa atom TiO2, sehingga membuat kerapatan kaca dapat mengalami penurunan [2].
3.3. Indeks bias Kaca
Penentuan nilai indeks bias menggunakan sudut Brewster dan juga perhitungan. Hasil dari kedua
metode tersebut disajikan pada Tabel 3.2. Diperoleh nilai indeks bias kaca dengan nilai berkisar
dari 2,118- 2,129 untuk metode perhitungan, sementara nilai indeks bias dari metode eksperimen
sebesar 1,911-2,005. Dapat dilihat bahwa nilai indeks bias mengalami kenaikan seiring
bertambahnya doping TiO2 pada sampel [1,2]. Penyebab terjadinya naiknya indeks bias disebabkan
oleh adanya pergantian antara komponen ZnO dengan komponen TiO2 pada kaca [4].
Tabel 3.2. Nilai Indeks Bias kaca TZN: TiO2 pada K1, K2, K3, dan K4
Komposisi
K1
K2
K3
K4
Prediksi
2,118
2,122
2,125
2,129
n (indeks bias)
Pengukuran
1,911 ± 0,008
1,962 ± 0,014
1,976 ± 0,014
2,005 ± 0,015
3.4. Energi Gap Kaca
Nilai energi gap pada kaca dapat diperoleh dengan menggunakan metode Tauch Plot. Metode ini
memanfaatkan prinsip perpotongan gradien pada UV Edge dengan sumbu x. Hasil penarikan
garis dengan Tauch Plot dapat dilihat pada Gambar 3.2. Sementara nilai dari energi gap
dituliskan pada Tabel 3.3.
80
60
60
(eVm)
(eVm)
1/2
1/2
80
40
(ahv)
(ahv)
1/2
1/2
40
20
20
0
0
1,5
1,5
2,0
2,5
3,0
2,0
2,5
3,5
3,0
3,5
hv (eV)
hv (eV)
(a)
(b)
80
80
60
(ahv)
(ahv)
40
1/2
40
1/2
(eVm)
1/2
(eVm)
1/2
60
20
20
0
1,5
0
1,5
2,0
2,5
3,0
2,0
3,5
2,5
3,0
3,5
hv (eV)
hv (eV)
(c)
(d)
Gambar 3.2. Grafik hubungan (ahv)1/2 dengan hv
Hasil yang diperoleh dari grafik hubungan antara (hv)1/2 dengan energi foton (hv) adalah
ketika terjadi penambahan konstentrasi mol% dari TiO2 diperoleh nilai dari Energi Gap Kaca
mengalami penurunan [1.2].
Tabel 3.2. Nilai Indeks Bias kaca TZN: TiO2 pada K1, K2, K3, dan K4
Komposisi
K1
K2
K3
K4
Energi Gap (eV)
Perhitungan
Tauch’s Plot
3,95
3.03
3,93
2,98
3,92
2,69
3,91
2,60
4. Kesimpulan
Telah berhasil dilakukan fabrikasi dan karakterisasi sifat optik pada kaca TZN dengan doping TiO2.
Karakterisasi meliputi perhitungan nilai densitas, indeks bias, dan energi gap kaca, serta pengukuran
serapan kaca pada daerah rentang UV-Vis. Dari hasil perhitungan diperoleh hasil ketika konsentrasi
doping TiO2 mengalami peningkatan diperoleh nilai densitas, energi gap mengalami penurunan.
Sementara, nilai indeks bias mengalami peningkatan ketika konsetrasi doping TiO2 bertambah. Pada
hasil UV-Vis menunjukkan bahwa terjadi pergeseran nilai UV Edge menuju nilai panjang gelombang
yang lebih besar ketika konsentrasi dari TiO2 mengalami peningkatan.
Referensi
[1] Strambouli, W., Elhouichet, H., Ferid, M. (2012). Study of Thermal Structural and
Optical Properties of Tellurite Glass with Different TiO2 Composition. Journal of
Molecular Structure , 1028, 39-43.
[2] Yusof, N.N., Ghoshal, S.K., Arifin, M., Sahar, M.R. (2015). Modified Absroption
Features of Titania-Erbium Incorporated Plasmonic Tellurite Glass System. Jurnal
Teknologi, 76, 89-94.
[3] Ghamari, M., Mirhandi B. (2012). Composition Depence of Spectroscopic
Properties and Transparency of SiO2-TiO2- Na2O Glass in 200-1100 nm. Iranian
Journal of Materials Science & Engineering 9, 36-40
[4] Ruengsri, S., Kaewkhao, J., Limsuwan, P. (2012). Optical Characterization of Soda
Lime Borosilicate Glass Doped TiO2. Procedia Engineering, 32, 772-779
(TZN) DENGAN DOPING TiO2
Devara Ega Fausta
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret
Jalan Ir. Sutami No 36A Kentingan Surakarta 57126
E-mail: faustadev@gmail.com
Abstract
Tellurium Zinc Natrium oxide (TZN) Glasses with different TiO 2 composition are fabricated and
characterized. The characterization include: density, refractive index, UV Absorbtion and Band Gap
Energy. From the characterization, obtained the value of density of glass (5,490-5,427)g/cm2.
Refractive index generated from 1,911- 2,005. The Band Gap Energy obtained from 3,03 – 2,60 eV.
The UV-Vis Measurement showed shifted wavelenght. It was found that TiO 2 contributes in the
highest extent to decreased the density and gap energy when the doped of TiO 2 was increased (Yusof
et al., 2015). Otherwise, the value of refractive index was increased with the shifted wavelenght in
UV-Vis measurement. It was suggest the possibility of long range order locally arising from the
formation of TiTe3O3 group (Strambouli et al., 2012).
Keyword: TZN TiO 2, density, refractive index of glass, optical properties, band gap energy
Abstrak
Telah dilakukan fabrikasi dan karakterisasi Kaca TZN dengan komposisi TiO2 yang berbeda.
Karakterisasi meliputi pengukuran densitas, indeks bias, serapan UV dan energi gap. Dari hasil
karakterisasi didapatkan nilai dari densitas berkisar pada 5,490-5,427 g/cm3. Indeks bias berada pada
kisaran 1,911-2,055. Nilai dari energi gap sebesar 3,03-2,60 eV dan terdapat pergeseran serapan sinar
UV. Dari hasil yang telah diperoleh, diketahui bahwa penambahan TiO2 berperan dalam penurunan
nilai densitas dan energi gap ketika nilai komposisinya menungkat. Disisi lain, nilai dari indeks bias
mengalami kenaikan dengan adanya pergeseran panjang gelombang pada pengukuran serapan UV-Vis
[2]
. Diperkirakan adanya peningkatan susunan ikatan yang lebih panjang pada komposisi TiTe3O3[1].
Kata Kunci: TZN TiO2 , sifat optik, densitas, indeks bias, energi gap
1. Pendahuluan
Dewasa ini perkembangan teknologi kaca sudah sangat pesat. Salah satu sistem kaca yang paling
banyak diminati adalah sistem kaca Tellurite. Sistem kaca Tellurite telah diteliti selama lebih dari 2
dekade karena sistem kaca ini mermpunyai keunggulan dibandingkan dengan sistem kaca yang lain [1].
Sistem kaca tellurite mempunyai titik leleh yang rendah, energi fonon yang tinggi, nilai indeks bias
yang tinggi, serta rentang pita absorbsi dan transmitansi yang lebar. Dengan keunggulan yang dimiliki
oleh sistem kaca ini, kaca tellurite mempunyai potensi besar untuk terus dikembangkan dalam bidang
fotonik, salah satunya sebagai bahan penguat dalam laser [1].
Saat ini ketertarikan pada kaca dengan dadah ion tanah jarang terus mengalami peningkatan terutama
pada aplikasi untuk bidang fotonik yang mana termasuk dalam pembuatan laser zat padat dengan
harga murah, pemerkuat optik, dan alat optik non linier [2]
Penambahan unsur golongan ion tanah jarang atau golongan logam transisi telah dilakukan untuk
waktu yang cukup lama. Salah satu logam transisi yang sering digunakan adalah TiO2. Pengaruh
penambahan TiO2 pada kaca berkaitan langsung dengan konfigurasi susunan dari atom titanium [3].
Dalam penelitian ini akan diinvesitigasi pengaruh penambahan TiO2 pada kaca TZN. Investigasi
dilakukan berfokus pada sifat optik yang dimiliki oleh kaca TZN, mulai dari nilai serapan panjang
gelombang pada daerah UV-Vis, nilai energi gap, indeks bias, dan densitas yang dimiliki kaca.
2. Metode Penelitain
Kaca dengan komposisi 60 TeO2- (30-x) ZnO – 5 Na2O – (x) TiO2 nilai x divariasi sebesar 1,2,3, dan
4 mol% difabrikasi menggunakan metode melt quenching. Komposisi bahan dihitung dengan
menggunakan metode stoikiometeri. Kemudian, bahan diltimbang untuk mendapatkan campuran awal
kaca. Campuran dimasukkan ke dalam krusibel platina yang dipanaskan menggunakan furnace
Carbolite WF 1100 pada suhu 900oC selama 35 menit untuk memperoleh keadaan lelehan yang stabil.
Lelehan lalu dituangkan ke dalam mold sebelum dimasukkan ke dalam furnace Keija 265 untuk
proses annealing pada suhu 265oC selama 3 jam. Sampel didinginkan hingga suhu ruang. Sampel
kemudian diamplas menggunakan polish machine dengan kertas amplas berukuran 1000. 1500, dan
4000 grid. Hal imenghilangkan goresan pada permukaan kaca selama proses fabrikasi berlangsung.
Kaca yang sudah diamplas kemudian dikarakterasi menggunakan seperangkat UV-Vis Spectroscopy
Lambda 25 Perkin Elmer untuk mengetahui serapan kaca pada panjang gelombang 200 hingga 800
nm. Densitas kaca diukur menggunakan metode Archimedes. Sementara nilai indeks bias kaca diukur
dengaan menggunakan metode Brewster .
3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Serapan pada UV-Vis
Pengukuran serapan panjang gelombang untuk kaca TZN:TiO2 dengan menggunakan UV-Vis
Perkin Elmer Lamda 25. Pengukuran dilakukan pada panjang gelombang 200-800 nm.
10
1% TiO2
2% TiO2
8
Absorbtivitas (1/cm)
3% TiO2
4% TiO2
6
4
2
0
400
500
600
700
800
Panjang gelombang (nm)
Gambar 3.1. Serapan kaca TZNT pada panjang gelombang 400 – 800 nm
Gambar 3.1. menunjukkan terjadinya pergeseran UV Edge pada rentang 425 hingga 460 nm.
Berdasarkan hasil yang telah diperoleh, penambahan doping TiO2 pada kaca TZN mampu
mengakibatkan adanya panjang gelombang yang bergeser menuju nilai panjang gelombang yang
lebih besar. Hal ini disebabkan karena bertambahnya doping dari TiO2 menyebabkan naiknya
konsentrasi non-bridging oksigen pada host kaca [4].
3.2. Densitas Kaca
Densitas dari kaca dapat dihitung dengan menggunakan piknometer. Prinsip dari pengukuran
densitas menggunakan hukum archimedes adalah dengan membandingkan massa dari piknometer
kosong dengan piknometer yang telah diisi oleh akuades dan sampel kaca. Hasil perhitungan dan
pengukuran sampel dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Nilai Densitas kaca TZN: TiO2 pada K1, K2, K3, dan K4
ρ (gram/cm3)
Perhitungan
Pengukuran
5,441
5,490 ± 0,004
5,430
5,484 ± 0,006
5,419
5,457 ± 0,004
5,409
5,427 ± 0,002
Komposisi
K1
K2
K3
K4
Selisih Relatif
(%)
0,90
0,99
0,68
0,33
Dari Tabel 3.1. diperoleh hasil penurunan nilai densitas kaca seiring bertamahnya doping TiO2
pada kaca [1.2]. Penuruan densitas kaca disebabkan adanya pergantian antara ikatan atom pada
TeO2 dengan TiO2, dimana atom TeO2 mempunyai massa yang lebih berat dibandingkan dengan
massa atom TiO2, sehingga membuat kerapatan kaca dapat mengalami penurunan [2].
3.3. Indeks bias Kaca
Penentuan nilai indeks bias menggunakan sudut Brewster dan juga perhitungan. Hasil dari kedua
metode tersebut disajikan pada Tabel 3.2. Diperoleh nilai indeks bias kaca dengan nilai berkisar
dari 2,118- 2,129 untuk metode perhitungan, sementara nilai indeks bias dari metode eksperimen
sebesar 1,911-2,005. Dapat dilihat bahwa nilai indeks bias mengalami kenaikan seiring
bertambahnya doping TiO2 pada sampel [1,2]. Penyebab terjadinya naiknya indeks bias disebabkan
oleh adanya pergantian antara komponen ZnO dengan komponen TiO2 pada kaca [4].
Tabel 3.2. Nilai Indeks Bias kaca TZN: TiO2 pada K1, K2, K3, dan K4
Komposisi
K1
K2
K3
K4
Prediksi
2,118
2,122
2,125
2,129
n (indeks bias)
Pengukuran
1,911 ± 0,008
1,962 ± 0,014
1,976 ± 0,014
2,005 ± 0,015
3.4. Energi Gap Kaca
Nilai energi gap pada kaca dapat diperoleh dengan menggunakan metode Tauch Plot. Metode ini
memanfaatkan prinsip perpotongan gradien pada UV Edge dengan sumbu x. Hasil penarikan
garis dengan Tauch Plot dapat dilihat pada Gambar 3.2. Sementara nilai dari energi gap
dituliskan pada Tabel 3.3.
80
60
60
(eVm)
(eVm)
1/2
1/2
80
40
(ahv)
(ahv)
1/2
1/2
40
20
20
0
0
1,5
1,5
2,0
2,5
3,0
2,0
2,5
3,5
3,0
3,5
hv (eV)
hv (eV)
(a)
(b)
80
80
60
(ahv)
(ahv)
40
1/2
40
1/2
(eVm)
1/2
(eVm)
1/2
60
20
20
0
1,5
0
1,5
2,0
2,5
3,0
2,0
3,5
2,5
3,0
3,5
hv (eV)
hv (eV)
(c)
(d)
Gambar 3.2. Grafik hubungan (ahv)1/2 dengan hv
Hasil yang diperoleh dari grafik hubungan antara (hv)1/2 dengan energi foton (hv) adalah
ketika terjadi penambahan konstentrasi mol% dari TiO2 diperoleh nilai dari Energi Gap Kaca
mengalami penurunan [1.2].
Tabel 3.2. Nilai Indeks Bias kaca TZN: TiO2 pada K1, K2, K3, dan K4
Komposisi
K1
K2
K3
K4
Energi Gap (eV)
Perhitungan
Tauch’s Plot
3,95
3.03
3,93
2,98
3,92
2,69
3,91
2,60
4. Kesimpulan
Telah berhasil dilakukan fabrikasi dan karakterisasi sifat optik pada kaca TZN dengan doping TiO2.
Karakterisasi meliputi perhitungan nilai densitas, indeks bias, dan energi gap kaca, serta pengukuran
serapan kaca pada daerah rentang UV-Vis. Dari hasil perhitungan diperoleh hasil ketika konsentrasi
doping TiO2 mengalami peningkatan diperoleh nilai densitas, energi gap mengalami penurunan.
Sementara, nilai indeks bias mengalami peningkatan ketika konsetrasi doping TiO2 bertambah. Pada
hasil UV-Vis menunjukkan bahwa terjadi pergeseran nilai UV Edge menuju nilai panjang gelombang
yang lebih besar ketika konsentrasi dari TiO2 mengalami peningkatan.
Referensi
[1] Strambouli, W., Elhouichet, H., Ferid, M. (2012). Study of Thermal Structural and
Optical Properties of Tellurite Glass with Different TiO2 Composition. Journal of
Molecular Structure , 1028, 39-43.
[2] Yusof, N.N., Ghoshal, S.K., Arifin, M., Sahar, M.R. (2015). Modified Absroption
Features of Titania-Erbium Incorporated Plasmonic Tellurite Glass System. Jurnal
Teknologi, 76, 89-94.
[3] Ghamari, M., Mirhandi B. (2012). Composition Depence of Spectroscopic
Properties and Transparency of SiO2-TiO2- Na2O Glass in 200-1100 nm. Iranian
Journal of Materials Science & Engineering 9, 36-40
[4] Ruengsri, S., Kaewkhao, J., Limsuwan, P. (2012). Optical Characterization of Soda
Lime Borosilicate Glass Doped TiO2. Procedia Engineering, 32, 772-779