Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 19 November 2016 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
PENGARUH KONSENTRASI DOPAN ALUMINUM TERHADAP STRUKTUR DAN MORFOLOGI ZnO-NANOROD
AYUNITA CHINTIA CELLINE, ANNISA APRILIA*, AFIFAH NURRIDA, LUSI SAFRIANI, AYI BAHTIAR Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang KM 21, Jatinangor 45363, Jawa Barat Abstrak. Lapisan ZnO berstruktur nanorod berhasil disintesis menggunakan metode self-assembly pada suhu 100°C selama 150 menit, dan ditumbuhkan di atas lapisan Aluminum doped ZnO (AZO) sebagai seed layer. Untuk mengetahui pengaruh AZO seed layer terhadap pertumbuhan ZnO nanorod, maka dilakukan pendopingan dengan konsentrasi Al yang berbeda yaitu 0,0 wt%, 0,5 wt% dan 1,0 wt%. Deposisi seed layer menggunakan metode spin-coating di atas substrat kaca dengan prekursor yang digunakan adalah Zinc acetate dihidrate (Zn(CH3COOH)2.2H2O), sedangkan untuk larutan penumbuh struktur nanorod, prekursor yang digunakan adalah Zinc nitrate heksahidrate (Zn(NO3).6H2O). Untuk mengamati morfologi dari nanorod yang terbentuk dilakukan analisa pencitraan menggunakan scanning electron microscopy (SEM) dan diketahui bahwa ukuran ZnO nanorod cenderung menurun seiring dengan peningkatan konsentasi Al pada AZO seed layer. Selain itu, berdasarkan hasil pengukuran XRD (xray diffraction), ZnO nanorod yang terbentuk memiliki struktur hexagonal wurtzite, dengan ukuran bulir berkisar antara 15-25 nm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan aluminium pada ZnO seed layer akan menghasilkan lapisan ZnO nanorod yang lebih rapat dengan diameter yang lebih kecil. Hal ini disebabkan oleh pemberian dopan Al dapat menyebabkan terjadinya penurunan kekasaran permukaan seed layer. Kata kunci : ZnO, ZnO doping Al , ZnO nanorod, sol-gel, self-assembly. Abstract. ZnO nanorod layer has been successfully prepared using self-assembly methods on Aluminum doped ZnO (AZO) seed layer. In order to investigate the influences of Aluminum content on ZnO seed layer for nanorod growth, concentration of Aluminum content was varied by 0.0 wt%, 0.5 wt% and 1.0 wt %. Zinc nitrate hexaydrate (Zn(NO3).6H2O) was used as precursor for ZnO nanorod while Zinc acetate dihydrate (Zn(CH3COOH)2.2H2O) and AlCl3 was used as precursor of aluminum doped ZnO seed layer. The precursor of seed layer was deposited on substrate glass using spin coating technique, and continued with heating treatment to produce AZO thin films. ZnO nanorod was growth by immersing the AZO thin films into solution growth at at 100°C temperature deposition for 150 minutes inside regularly laboratory oven. The surface, morphology and structure of ZnO nanorod was investigated using SEM (scanning electron microscopy) and XRD (x-ray diffraction) measurement. The SEM result shows that increament of Al concentration on AZO seed layer has tendency to produce the smaller ZnO nanorod and denser film due to reducing of AZO seed layer surface roughness as increasing of Al content. From XRD measurement, it is known that all samples show (002) preferred orientation with hexagonal wurtzite structure and have average grain size approximately 15-25 nm determined by Debye-Scherrer method. Keywords : ZnO, ZnO doped Al, ZnO nanorod, sol-gel, self-assembly
*Email:
[email protected] Kode Artikel: FM-06 ISSN: 2477-0477
Ayunita Chintia Celline dkk
1. Pendahuluan Zinc Oxide (ZnO) merupakan bahan semikonduktor golongan II – VI dan memiliki sifat piezoelektrik, fotokonduktif, serta dapat digunakan sebagai pandu gelombang optik [1]. Semikonduktor oksida ini memiliki lebar celah energi sekitar 3,37 eV dan energi ikat eksiton yang cukup besar pada suhu ruang sebesar 60 meV. Hal ini membuat ZnO menjadi material yang dapat diaplikasikan sebagai material optik, seperti light emitting diode (LED), laser, sensor gas dan lain sebagainya [2]. Zinc Oxide (ZnO) dapat dibuat dalam berbagai nanostruktur seperti nanorods, nanowire, nanotube, nanodiscs, nanocrystal dan nanosheet. ZnO dapat difabrikasi melalui berbagai metode sintesis sederhana untuk memperoleh variasi bentuk morfologi, diantaranya nanostruktur yang vertikal (nanorod). ZnO nanorod merupakan bahan yang sudah umum digunakan sebagai lapisan Electron Transport Material (ETM) selain TiO2 (titanium dioksida). Penggunaan ZnO sebagai ETM berkaitan dengan mobilitas elektron pada ZnO cukup tinggi, yaitu 205–300 cm2 Vs1 dalam bentuk bulk dan 1000 cm2 Vs-1 dalam struktur single nanowire [3]. Luas permukaan struktur nanorod dapat ditentukan dari kerapatan dan ukuran nanorod itu sendiri. Pada dasarnya, luas permukaan ZnO nanorod dapat dikontrol dengan memodifikasi tempat awal pertumbuhan struktur nanorod tersebut. Ukuran nanopartikel pada lapisan penumbuh (seed layer) sebagai inisiator pertumbuhan bagi struktur nanorod dapat menentukan ukuran nanorod yang terbentuk [4]. Salah satu upaya dalam meningkatkan sifat optoelektronik ZnO nanorod, adalah memodifikasi lapisan penumbuh (seed layer) melalui penambahan dopan alumunium. Beberapa hasil penelitian memperlihatkan bahwa ZnO nanorod yang ditumbuhkan di atas Al doped ZnO (AZO) seed layer, panjang dan penjajarannya meningkat secara signifikan [5,6]. 2. Metode Penelitian Dalam penelitian ini preparasi ZnO seed layer menggunakan metode sol-gel dengan prekursor yang digunakan adalah zinc acetate dehydrate ((Zn(CH3CO2)2.2H2O, Aldrich, 98%), 2-methoxyethanol, diethanolamine dan alumunium chloride (AlCl3). Sedangkan prekursor untuk larutan penumbuh ZnO Nanorod terdiri dari zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO3)2. 6H2O, Aldrich, 98%), hexamethylenetetramine (HMTA, Aldrich, 99%) dan deionized (DI) water sebagai pelarut. Lapisan ZnO seed layer dan ZnO nanorod ditumbuhkan di atas substrat kaca. Sebelum digunakan substrat kaca tersebut, dicuci dan dibilas menggunakan teepol dan methanol, kemudian dikeringkan dengan cara mencelupkannya ke dalam acetone panas bersuhu 60°C. Preparasi ZnO seed layer. Zinc acetate dihydrate ((Zn(CH3CO2)2.2H2O, Aldrich, 98%) sebanyak 0,548 gram dilarutkan dalam 5 ml 2-methoxyethanol, setelah itu ditambahkan diethanolamine sebanyak 5 tetes secara periodik. Pemberian dopan aluminium dilakukan dengan menambahkan alumunium chloride (AlCl3) 0,5wt% dan 1wt%. Setelah larutan tercampur dengan baik dilakukan proses pelapisan di atas substrat kaca menggunakan spin coater dengan kecepatan 1500 rpm selama 30
202
Pengaruh Konsentrasi Dopan Aluminium Terhadap Struktur dan Morfologi ZnO-.......
detik. Setelah itu, dilakukan proses pemanasan awal pada suhu 250 °C selama 10 menit, dan proses pemanasan akhir pada suhu 500 °C0%selama - 210 menit 30 menit. Penumbuhan ZnO nanorod. 0,67 gram zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO3)2. 6H2O, Aldrich, 98%) dilarutkan dalam 20 ml DI-water. Serta 0,288 gram hexamethylenetetramine (HMTA, Aldrich, 99%) dilarutkan dalam 20 ml DI-water. 0% - 180 menit Setelah masing-masing larutan tercampur dengan baik, kedua larutan tersebut dicampurkan kemudian diaduk kembali selama 30 menit. ZnO seed layer yang telah dibuat sebelumnya, direndam pada larutan penumbuh nanorod dengan posisi facedown selama 150 menit pada suhu 100 °C. Kemudian film ZnO nanorod dibilas 0% - 150 menit menggunakan DI-water dan ethanol kemudian dilakukan pemanasan (post heating) menggunakan furnice pada suhu 450 °C selama 30 menit. 3. Hasil dan Pembahasan
0% - 120 menit
Untuk mengetahui pengaruh dari penambahan dopan alumunium terhadap struktur kristal ZnO nanorod yang terbentuk, dilakukan karakterisasi difraksi sinar-X. Pola difraksi yang dihasilkan30 dapat dilihat pada Gambar 1. 60 40 50
Intensitas (a.u)
1% - 150 menit
0.5% - 150 menit
0% - 150 menit
30
40
50
60
2 Theta (Derajat) Gambar 1. Pola XRD ZnO nanorod
Berdasarkan spektrum XRD pada Gambar 1, seluruh sampel dengan konsentrasi dopan alumunium yang berbeda memiliki intensitas puncak difraksi yang sangat tajam pada sudut (2 ) 34°, yang merupakan puncak difraksi bidang hkl (002). Dominasi puncak difraksi (002) tersebut memperlihatkan bahwa ZnO nanorod telah terbentuk dengan arah pertumbuhan tegak lurus terhadap bidang (sumbu-c). Selain itu, muncul puncak difraksi bidang kristal lainnya (101), (102), (103) dan (004) yang menunjukkan bahwa lapisan ZnO nanorod tersebut memiliki struktur hexagonal wurtzite. Seluruh puncak dari ZnO tersebut bersesuaian dengan JCPDS No. 36-1451 (Joint Committee on Difraction Standard) kristal ZnO. Ukuran bulir kristal ZnO yang membentuk struktur nanorod dapat dihitung menggunakan persamaan Debye-Scherrer (persamaan 1), sedangkan untuk menghitung konstanta
203
Ayunita Chintia Celline dkk
kisi, menggunakan persamaan (2). Hasil perhitungan tersebut dapat dilihat pada tabel 1. Persamaan (1) merupakan perumusan Debye-Scerrer untuk menghitung ukuran bulir/kristalit dari ZnO nanorod (D) yang terbentuk. Nilai k adalah konstanta Scherrer yang bergantung pada bentuk kristal, nilai k adalah 0,9. merupakan panjang gelombang Cu Kα yang digunakan, yaitu sebesar 0,154 nm, B merupakan nilai FWHM (full width at half maximum) dari puncak difraksi pada bidang yang dipilih sedangkan θ merupakan sudut dari puncak difraksi tersebut [7]. Tabel 1 merupakan hasil perhitungan ukuran bulir/kristalit untuk orientasi kristal pada bidang (002) dam konstanta kisi (c). D= c =
k B cos
(1)
k B cos
𝑐 = 𝜆 sin 𝜃
(2)
Tabel 1. Posisi puncak, estimasi ukuran butir kristal serta parameter kisi c dari ZnO nanorod Orientasi Kristal
002
Al (wt%)
Posisi puncak (2θ)
Ukuran Kristal (nm)
c
0 0,5 1
34,49 34,65 34,39
25,58 21,14 15,35
5,20 5,17 5,21
Pertumbuhan ZnO nanorod dengan lapisan AZO sebagai seed layer dipengaruhi oleh konsentrasi Al. Terlihat bahwa semakin meningkatnya konsentrasi alumunium pada seed layer, mengakibatkan penurunan nilai ukuran bulir kristal, dari 25,58 nm menjadi 15,35 nm. Pertumbuhan struktur nanorod dipengaruhi oleh kekasaran permukaan pada seed layer. Penambahan dopan Al dapat menyebabkan penurunan tingkat kekasaran permukaan lapisan ZnO, hal ini disebabkan karena pada proses doping atom Al akan mengisi daerah kosong yang seharusnya ditempati oleh atom Zn (Zn interstitial). Radius atomik atom Al lebih kecil dibandingkan dengan atom Zn sehingga pendopingan ini akan berdampak pada menurunnya tingkat kekasaran permukaan lapisan ZnO (seed layer) [8]. Pada pertumbuhan struktur nanorod, kristal yang berukuran kecil pertama kali akan terbentuk (ternukleasi) pada kondisi media/larutan dalam kondisi tersaturasi. Sehingga, keadaan seed layer yang memiliki tingkat kekasaran yang rendah akan menghasilkan transfer energi antar permukaan untuk membentuk struktur nanorod dengna ukuran relatif yang lebih kecil [9].Dengan kata lain, setiap bulir yang terbentuk pada seed layer merupakan
204
Pengaruh Konsentrasi Dopan Aluminium Terhadap Struktur dan Morfologi ZnO-.......
daerah nukleasi (pembentukan pertama) bagi struktur nanorod, sehingga bulir ZnO yang besar pada lapisan seed layer akan menghasilkan diameter nanorod yang besar pula [10].
ZnO nanorod dengan seed layer ZnO undoped
ZnO nanorod dengan seed layer AZO 0.5wt%
ZnO nanorod dengan seed layer AZO 1wt%
Gambar 2. Hasil SEM permukaan ZnO Nanorod
Pada gambar 2 memperlihatkan foto SEM permukaan ZnO nanorod, dan mengkonfirmasi bahwa ZnO nanorod yang dihasilkan memiliki struktur heksagonal, sesuai dengan hasil pengukuran difraksi sinar-X. Walau demikian, terlihat bahwa penjajaran dari nanorod yang terbentuk belum merata dan ukuran diameter yang kurang homogen. Rata-rata diameter ZnO nanorod yang terbentuk adalah 170 nm (ZnO seed layer), 151 nm (AZO 0,5 wt% seed layer) dan 120 nm (AZO 1,0 wt% seed layer). Hasil pengukuran SEM turut menegaskan bahwa penggunaan seed layer AZO 1wt% menghasilkan ukuran diameter nanorod yang relatif lebih kecil dibandingkan sampel lainnya. 4. Kesimpulan Penambahan dopan alumunium pada ZnO seed layer mempengaruhi pertumbuhan dari struktur ZnO nanorod. Dengan meningkatnya konsentrasi dopan alumunium pada seed layer menyebabkan tingkat kekasaran permukaan menjadi menurun dan menghasilkan struktur nanorod dengan ukuran bulir dan diameter nanorod yang lebih kecil. Namun masih diperlukan optimasi nilai konsentrasi dopan alumunium beserta metode preparasi lainnya (konsentrasi prekursor, waktu dan suhu deposisi) agar pertumbuhan dan ukuran diameter dari ZnO nanorod dapat lebih merata. Daftar Pustaka 1. Gao.W., Li. Z.W., ZnO Thin Film Produced by Magnetron Sputtering. (2004) Elsevier, vol 30. 2. Rahmat Hidayat, Herman., Pengembangan dan Kajian Efek Lapisan Transpor Elektron Zno dengan Doping Metal Transisi untuk Peningkatan Performa Sel Surya Hibrid. (2014)Institut Teknologi Bandung.
205
Ayunita Chintia Celline dkk
3. H. Zhou, Q. Chen, G. Li, S. Luo, T.-b. Song, H. S. Duan, Z. Hong, J. You, Y. Liu, Y. Yang., Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells, (2014) Science, Vol. 345, pp. 542-546 4. Cui, J. B.; Daghlian, C. P.; Gibson, U. J.; Pu¨sche, R.; Geithner, P.; Ley, L. J. Appl. Phys. (2005) 97, 044315/1-04431.5/7. 5. Gonzalez-Valls, I.; Lira-Cantu, M., Vertically-aligned nanostructures of ZnO for excitonic solar cells. A review. Energy Environ. Sci. (2009) 2, 19–34. 6. Bai, Y.; Yu, H.; Li, Z.; Amal, R.; Lu, G.Q.; Wang, L., In situ growth of a ZnO nanowire network within a TiO2 nanoparticle film for enhanced dye-sensitized solar cell performance. Adv. Mater. (2012) 24, 5850–5856. 7. Kai Loong F., Uda H. and Chun Hong V., Sol-Gel synthesized zinc oxide nanorods and their structural optical investigation for optoelectronic applications, Nanoscale Research Letter, 2014, 9:429 8. A. aprilia, P. Wulandari, V. Suendo, Herman, R. Hidayat, A. Fujii, M. Ozaki, Influences of dopant concentration in sol-gel derived AZO layer on the performance of P3HT:PCBM based inverted solar cell, Solar Energy Materials & Solar Cells, 111, (2013) 181-188 9. D. Polsonglram, P. Chaminok, S. Pukird, L. Chow, O. Lupan, G. Chai, H. Khallaf, S. park, and A. Schulte, Effect of synthesis conditions on the growth of ZnO nanorods via hydrothermal method, Pysica B 403 (2008) 3713-3717 10. H. Lee, J-H Shin. J. Chae, J. B. Kim, K. Tae-Heui, and P. Kyung-Bong, Effect of seed layer prepared under various heating conditions on growth of ZnO Nanorod Arrays for Dye-Sensitized Solar Cells, Electronics Materials Letter, Vol.9, No. 3 (2013), pp.357-362
206
