Proposal Penelitian UIN 2015 Contoh

  

SINTESIS LAPISAN TIPIS ALUMINUM-DOPED ZINC OXIDE (ZnO:Al)

PADA SUHU RELATIF RENDAH MENGGUNAKAN METODA SPRAY

PYROLYSIS

Usulan Penelitian Individu

  Diajukan untuk Mendapat Bantuan Dana dari Jurusan Fisika UIN Sunan Gunung Djati Bandung Tahun Anggaran 2015

  Oleh:

  

Dr. Bebeh Wahid Nuryadin

  NIP: 198608162011011009

  

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UIN SUNAN GUNUNG DJATI BANDUNG

TAHUN 2015

  

Sintesis Lapisan Tipis Aluminum-doped Zinc Oxide (ZnO:Al) Pada Suhu

Relatif Rendah Menggunakan Metoda Spray Pyrolysis

Abstrak. Lapisan tipis transparan konduktif berbasis ZnO:Al (AZO) telah menarik

  banyak perhatian sebagai bahan pengganti yang menjanjikan untuk lapisan tipis

  

indium tin oxide (ITO) yang umum digunakan pada banyak aplikasi. Selain itu, sifat

  listrik dan optik lapisan tipis AZO sangat dipengaruhi oleh konsentrasi dopan, ketebalan lapisan dan proses sintesisnya. Parameter sintesis seperti jenis substrat, suhu pertumbuhan, dan atmosfer ambient memainkan peran penting dalam struktural kristal, sifat listrik dan sifat optik lapisan. Kami tertarik untuk mensintesis lapisan tipis ZnO:Al pada suhu rendah menggunakan metode spray pyrolysis. Proses sintesis pada suhu rendah diharapkan mampu mengarahkan pengembangan lapisan tipis pada substrat plastik atau material fleksibel lainnya.

  

Kata kunci: Aluminium-doped zinc oxide (ZnO:Al), spray pyrolysis, suhu rendah.

A. Latar belakang

  Lapisan oksida tranparan konduktif (transparent conducting oxide, TCO) memiliki konduktivitas dan tranparansi yang tinggi. Telah banyak perkembangan penelitian berkaitan dengan proses sintesis dan karakteristik dari lapisan oksida

  2

  2

  4

  transparan konduktif seperti indium-tin oxide (ITO), SnO , ZnO, CdO, Zn SnO , CuAlO2, SrTiO

  3 [1-2]. Diantara lapisan TCO tersebut, ITO adalah material yang

  umum digunakan dalam berbagai aplikasi karena memiliki resistivitas rendah dan transparansi optik yang tinggi pada daerah cahaya tampak. Namun, proses sintesis material ini relatif mahal dan rumit. Selain itu, seiring meningkatnya permintaan akan material yang lebih murah dengan kondutivitas dan transparansi optik yang tinggi. Perlu dicari alternatif pengganti ITO, salah satu material yang potensial adalah ZnO:Al karena memiliki sifat listik dan optik yang baik, lebih murah dan bahan bakunya melimpah [3-7].

  Lapisan tipis AZO telah berhasil disintesis menggunakan berbagai teknik diantaranya adalah atomic laser depositon (ALD) [3], pulse laser deposition (PLD) [8], RF dan DC magnetron sputtering [4-5], molecular oxide chemical deposition (MOCVD) [6,9], teknik sol–gel [7]. Metode spray pyrolysis memiliki kelebihan dalam aplikasi industri karena prosesnya mudah, sederhana dan murah. Pada metoda spray pyrolysis, larutan logam-organik disemprotkan menggunakan udara bertekanan pada subtrat kaca bersuhu tinggi. Metoda tersebut dapat menghasilkan lapisan tipis AZO dengan ketebalan yang seragam dan dapat diatur dengan optimalisasi parameter konsentrasi larutan, waktu sintesis, dan suhu substrat [10]. Beberapa tahun kebelakang, lapisan tipis ZnO tipe-n atau didoping Al telah disintesis menggunakan metoda spray pyrolysis pada suhu substrat >400 °C [10- 12]. Penelitian tersebut menggunakan zinc acetate dihydrate dan aluminum trichloride sering digunakan sebagai sumber Zn dan Al. Namun, belum ada penelitian berkaitan proses sintesis AZO menggunakan zinc acetate dihydrate dan aluminum nitride nonahydrate pada suhu yang cukup rendah (~300 °C). Oleh karena itu, peneliti tertarik untuk meneliti sintesis lapisan tipis ZnO:Al (AZO) dan aplikasinya sebagai lapisan oksida transparan konduktif (TCO).

  B. Perumusan Masalah dan Kerangka Berfikir

  Secara khusus masalah dan ruang lingkup dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: (1) Apakah lapisan tipis ZnO:Al (AZO) dapat disintesis pada suhu relatif rendah (~300 °C) menggunakan metode spray pyrolysis? (2) Bagaimana pengaruh konsetrasi bahan dasar dan doping Al terhadap peningkatan kualitas sifat listrik dan optik lapisan tipis ZnO:Al (AZO)?

  C. Tujuan penelitian

  Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mensintesis lapisan tipis ZnO:Al (AZO) pada suhu rendah menggunakan metode spray pyrolysis dan aplikasinya sebagai lapisan oksida transparan konduktif (TCO).

  D. Manfaat penelitian

  Proses sintesis lapisan tipis AZO pada suhu rendah akan menurunkan penggunaan energi dalam pembuatan lapisan tipis. Hal ini menyebabkan produksi lapisan tipis AZO akan lebih murah dan mudah. Selain itu, pengembangan lapisan AZO pada permukaan plastik atau material fleksibel lainnya menjadi terbuka luas. Selain itu, konsentrasi bahan dasar dan doping Al sangat berpengaruh pada sifat listrik dan optik lapisan tipis AZO. Hal ini disebebkan pendopingan aluminum menyebabkan terjadinya peningkatan pembawa muatan negatif dari ZnO.

  E. Tinjauan pustaka E.1 Lapisan Tipis ZnO:Al

  Zinc oxide adalah semikonduktor dengan celah pita energi lebar dari grup II-VI,

  dengan rumus kimia ZnO. Material ini memiliki sifat yang menjanjikan, diantaranya adalah transparansi baik, mobilitas elektron tinggi, celah pita energi lebar, dan memiliki pendaran tinggi pada suhu ruang. Sedangkan doping yang umum dari semikonduktor ini adalah pengotor oksidan atau interstitial atom Zn menghasilkan semikonduktor tipe-n. Dengan demikian, material ini dapat diaplikasikan sebagai elektroda transparan pada liquid crystal displays (LCD), penghemat energi atau penghambat panas di jendela rumah, dan aplikasi elektronik sebagai transitor lapisan tipi dan dioda pemancar cahaya (LED).

a. Unsur Pendoping

  Beberapa unsur dapat digunakan sebagai pendoping lapisan tipis ZnO, seperti B [13-14], Al, Ga, In (dari unsur grup III) [15], F (dari unsur grup VII) [16], dan banyak yang lainnya. Diantara pendoping tersebut yang paling banyak dipelajari adalah lapisan tipis Al-doped ZnO dan Ga-doped ZnO. Selain itu, posisi dari atom pendoping dan tingkat kelarutannya sangat berhubungan dengan metode preparasi lapisan tipis. Sebagai contoh, pada teknik spray pyrolysis, doping atom In dan Ga lebih efisien dibandingkan dengan atom Al dikarenakan atom Al lebih cenderung menempati posisi interstitial (diantara kisi kristal) pada kisi kristal ZnO yang menyebabkan terjadinya penurunan mobilitas elektron [17].

  3+

  Radius ionik Al adalah 0.54Å, dimana nilainya lebih kecil dibandingkan

  2+ 3+ 2+

  dengan Zn (0,74 Å). Sehingga atom Al dapat menggantikan tempata Zn pada kisi secara mudah, mengarah pada penurunan parameter kisinya. Sebagai

  3+ 3+ 2+ perbandingan dengan Al , Ga memiliki radius yang sebanding dengan ion Zn .

  Hal tersebut dapat mengurangi perubahan bentuk kisi ZnO bahkan pada konsentrasi doping yang tinggi [15,18]. Sifat konduktivitas lapisan tipis ZnO secara mendasar didominasi oleh pembentukan pembawa muatan negatif oleh pengotor oksigen dan tambahan muatan. Geng dan grupnya [19] meneliti pengaruh dari konsentrasi Al terhadap sifat listrik lapisan tipis ZnO:Al yang ditumbuhkan pada substrat Si(110) menggunakan atomic layer deposition (ALD). Kristalinitas lapisan tipis terdegenerasi sedangkan resistivitas diketahui menurun seiring peningkatan konsentrasi doping Al (9.36 × 10 Ω⋅cm pada konsentrasi maksimum sebesar 2.7 mol%).

  Tingkat konsentrasi Al sangat dipengaruhi oleh batas kelarutan secara termodinamika, walaupun terbatas, hubungan antaran konsentrasi Al dan resistivitas tidak monoton [20]. Pada konsentrasi Al tinggi, kandungan Al akan berbentuk Al

2 O 3 , menghasilkan efek penghilangan sifat listrik dari lapisan tipis.

  Berdasarkan dari beberapa penelitian menunjukan hubungan antara karakteristik konduksi dan konsentrasi unsur-unsur yang lainnya mirip dengan yang dimiliki oleh doping Al.

b. Konsentrasi doping

  Zinc oxide, sebagai lapisan oksida transparan dengan celah pita energi sebesar 3.37 eV [21], dapat memenuhi syarat sifat optik yang dibutuhkan sebagai TCO walau tanpa doping. Namun, konsentrasi pembawa muatan dari ZnO intrinsik

• 3

  sangat dikisaran 10 cm pada temperatur ruang [22], dimana lebih renda dibandingkan lapisan tipis TCO untuk aplikasi praktis. Secara umum, hubungan sebanding dopan dengan peningkatan konsentrasi adalah

  = dengan adalah konsentrasi pembawa muatan elektron, adalah konsentrasi pembawa muatan hole, dan adalah konsentrasi pembawa muatan ZnO intrinsik. Doping secara langsung berpengaruh terhadap kosentrasi pembawa muatan dan mempengaruhi konduktivitas. Namun kosentrasi doping memiliki keterbatasan; dengan kata lain, pada konsentrasi doping sangat tinggi akan menghasilkan penyerapa pembawa muatan bebas, refleksi resonansi plasma tinggi, dan rendahnya transparansi pada daerah cahaya tampak.

  E.2 Metode Spray Pyrolysis

  Spray pyrolysis adalah salah satu metode sintesis partikel yang banyak dikaji secara intensif oleh sejumlah peneliti karena menjanjikan sejumlah keunggulan metode spray pyrolysis mampu menghasilkan partikel berbentuk bulat, tanpa aglomerasi, serta rentang waktu produksi yang sangat pendek (dapat kurang dari satu detik). Ukuran partikel yang dihasilkan juga dapat dikontrol dengan mudah melalui pengontrolah konsentrasi prekursor yang digunakan maupun ukuran droplet yang dihasilkan atomizer (penghasil droplet). Dengan menggunakan konsentrasi prekursor yang sangat kecil, maka secara teoretis metode spray pyrolysis dapat juga digunakan untuk mengasilkan lapisan tipis dalam orde nanometer hingga mikrometer.

  Sintesis partikel dengan metode spray pyrolysis diawali dengan proses penyemprotan larutan prekursor dalam bentuk droplet oleh atomizer. Droplet yang mengandung pelarut dan material prekursor kemudian dibawa menggunakan gas pembawa ke substrat pada suhu tertentu. Pemanasan pada suhu tinggi yang terjadi di atas subtrat tersebut akan menguapkan pelarut yang diikuti dengan reaksi kimia pada suhu tinggi (pyrolysis) membetuk lapisan tipis. Spray pyrolysis sangat potensial digunakan untuk membuat lapisan tipis dengan ketebalan puluhan nanometer hingga micrometer.

F. Metodologi penelitian

  Penelitian ini adalah penelitian eksperimen/pembuatan dan karakterisasi yang didukung oleh studi literatur dan pemodelan data fisis. Penelitian ini meliputi pembuatan dan karakterisasi lapisan tipis ZnO:Al. Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah:

1. Tahap persiapan yang meliputi persiapan bahan dan alat.

a. Tahap pemotongan dan pencucian substrat.

  b. Tahap pembuatan larutan (konsentrasi 0,025 M) meliputi persiapan alat dan bahan, pencampuran Zn(CH

  3 COO) 2 ·2H

  2 O, Al(NO 3 ) 2 ·9H

  2 O dengan air murni.

  2. Tahap pembuatan lapisan tipis pada substrat kaca menggunakan metode spray pyrolysis.

  3. Tahap karakterisasi menggunakan multimeter, spektroskopi UV-Vis dan scanning electron microscope (SEM).

  Zn(CH COO) ·2H O Al(NO ) ·9H O _{3 2 2 3 2 2} Prekursor Optimasi ketebalan

• Reaktor Spray Pyrolysis lapisan tipis

  Konsentrasi doping Al

• Lapisan Tipis ZnO:Al

  Uji resistansi

• Spektroskopi UV-Vis
• Karakterisasi

  Scanning Electron

• Microscope (SEM) Gambar 1.

  Tahapan penelitian sintesis lapisan tipis ZnO:Al menggunakan metode spray pyrolysis

  

Gambar 2. Reaktor spray pyrolysis di laboratorium fisika nanomaterial, Jurusan

Fisika, UIN Bandung.

  

Gambar 3. Alat karakterisasi di laboratorium fisika nanomaterial, Jurusan Fisika,

UIN Bandung (a) Spektroskopi UV-Vis, (b) multimeter, dan (c) SEM.

G. Jadwal Penelitian

  No Akitivitas Bulan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

  1 Preparasi alat dan bahan

  2 Pembuatan lapisan tipis ZnO:Al

  3 Karakterisasi produk dan optimasi

  4 Penyusunan Laporan

  5 Penyusunan makalah ilmiah untuk publikasi di jurnal dan pertemuan ilmiah

  Daftar Pustaka

  [1] R. G. Gordon, “Criteria for Choosing Transparent Conductors,” MRS Bulletin, vol. 25, p. 52, 2000. [2] T. Minami, “New n-Type Transparent Conducting Oxides,” MRS Bulletin, vol. 25, no. 8, pp. 38-44, August 2000. [3] K.-S. An, W. Cho, B. K. Lee, S. S. Lee dan C. G. Kim, “Atomic Layer

  Deposition of Undoped and Al-Doped ZnO Thin Films Using the Zn Alkoxide Precursor Methylzinc Isopropoxide,,” Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 8, p. 4856–4859, 2008.

  [4] M. Chen, Z. Pei, C. Sun, L. Wen dan X. Wang, “--,” Journal of Crystal

  Growth, vol. 220, p. 254, 2000.

  [5] D. Dimova-Malinovska, N. Tzenov, M. Tzolov dan L. Vassilev, “---,” Material Science Engineering B, vol. 52, p. 59, 1998. [6] I. Volintiru, M. Creatore, B. Kniknie, C. Spee dan M. v. d. Sanden, “---,” Journal of Applied Physics, vol. 102, pp. 043709-1, 2007. [7] W. Tang dan D. Cameron, “--,” Thin Solid Films, vol. 238, p. 83, 1994.

  [8] J. Mass, P. Bhattacharya dan R. Katiyar, “--,” Material Science Engineering

  B, vol. 103, p. 9, 2003.

  [9] X. Hou dan K. Choy, “----,” Chemical Vapor Deposition, vol. 12, p. 583, 2006. [10] K. R. Reddy, T. Reddy, I. Forbes dan R. Miles, “--,” Surface Coating Technology (2002) 110., vol. 151–152, p. 110, 2002. [11] J. Lee dan B. Park, Material Science Engineering B, vol. 106, p. 242, 2004. [12] A. B. J. Wienke, “--,” Thin Solid Films, vol. 516, p. 4508, 2008. [13] A. Favier, D. Munoz, S. M. D. Nicolas dan P. J. Ribeyron, “Boron-doped zinc oxide layers grown by metal-organic CVD for silicon heterojunction solar cells applications,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 95, no. 4, pp. 1057-1061, 2011. [14] Q. Huang, Y. Wang, S. Wang, D. Zhang, Y. Zhao dan X. Zhang,

  “Transparent conductive ZnO:B fims deposited by magnetron sputtering,” Thin Solid Films, vol. 520, no. 18, pp. 5960-5964, 2012. [15] J. A. Sans, J. F. Sanchez-Royo, A. Segura, G. Tobias dan E. Canadell,

  “Chemical effects on the optical band-gap of heavily doped ZnO: MIII (M=Al,Ga,In): an investigation by means of photoelectron spectroscopy, optical measurements under pressure, and band structure calculations,”

  Physical Review B, vol. 79, no. 19, p. 195105, 2009.

  [16] D. S. Bhachu, I. P. Parkin dan G. Sankar, “Aerosol assisted chemical vapour deposition of transparent conductive Zinc oxide fims,” Chemistry of

  Materials, vol. 24, no. 24, pp. 4704-4710, 2012.

  [17] P. Nunes, E. Fortunato, P. Tonello, F. B. Fernandes, P. Vilarinho dan R.

  Martins, “Effect of diffrent dopant elements on the properties of ZnO thin fims,” Vacuum, vol. 64, no. 3-4, pp. 281-285, 2002. [18] J. L. Zhao, X. W. Sun, H. Ryu dan Y. B. Moon, “Thermally stable transparent conducting and highly infrared reflctive Ga-doped ZnO thin fims by metal organic chemical vapor deposition Optical,” Materials, vol. 33, no. 6, pp. 768-772, 2011. [19] Y. Geng, L. Guo, S.-S. Xu, Q.-Q. Sun, S.-J. Ding, H.-L. Lu dan D. W.

  Zhang, “Influence of Al doping on the properties of ZnO thin fims grown by atomic layer deposition,” Journal of Physical Chemistry C, vol. 115, no. 25, pp. 12317-12321, 2011.

  [20] D. Kim, H. Kim, K. Jang, S. Park, K. Pillai dan J. Yi, “Electrical and optical properties of low pressure chemical vapor deposited Al-doped ZnO transparent conductive oxide for thin fim solar cell,” Journal of the

  Electrochemical Society, vol. 158, no. 4,

  vol. 158, no. 4, p. D191–D195, 2011. [21] H. Zeng, W. Cai, P. Liu, X. Xu, H. Zhou, C. Klingshirn dan H. Kalt, “ZnO- based hollow nanoparticles by selective etching: elimination and reconstruction of metal—semiconductor interface, improvement of blue emission and photocatalysis,” ACS Nano, vol. 2, no. 8, p. 1661–1670, 2008. [22] D. Norton, Y. Heo, M. Ivill, K. Ip, S. Pearton, M. Chisholm dan T. Steinerc,

  “ZnO: growth, doping & processing,” Materials Today, vol. 7, no. 6, pp. 34- 40, 2004.