Sayono, dkk.
ISSN 0216-3128
129
EFEK DOPING EMAS (Au) PADA PERMUKAAN BAHAN SENSOR GAS CeO2 TERHADAP SENSITIVIT AS GAS NH3, CO DAN HNO3 Sayono, Tjipto Sujitru[), Agus Santoso, Sunardi
P3TM-BATAN
.
ABSTRAK EFEK DOPING EMA:) (Au) PADA PERMUKAAN BAHAN SENSOR GAS Ce02 TERHADAP SENSITIVITAS GASNH3'.CO DAN HN03. Telahdilakukanpenelitianefekdoping emaspada variasi dosis dan energi ion (1.2 x 1016 ionlcm2,energi 40 keV; 4,4 x 1016 ionlcm2,energi 60 keV don 4,6 x 1016 ionlcm2, energi 80 keV)yang diimplantasikanpada permukaanlapis tipis Ce02 bahan sensorgas hasil sputtering. Untuk mengetahuikeberhasilanefek doping emaspada permukaanlapis tipis Ce02 dilakukan pengukuran resistansidan sensitivitasterhadapsuhu sensordengangas uji NH3; CO don HN03. Dari percobaandiperoleh nilai resistansidon sensitivitasterbaikpada dosis: 1,2 x 1016 ionlcm2 don energi 40 keV. Adapun besarnyam'lai resistansiadalah 2,22 Mfl dengansensitivitas terhadapoksigendari gas uji: NH3 (70,3 .:!::8,38)%; CO (45.:!::6,78)% don HNO3 (30,3 .:!::5,5)% pada suhu sensor325 'C dengan konsentrasi4800ppm.
ABSTRACT EFFECT OF GOLD (Au) DOPING ON THE SURFACEOF CeO2MATERIALSSURFACEGASSENSOR TO NH3. CO AND HNO~IDETECTIONSENS/TIVIES.Researchon the effect ofvariousdoseand energy of gold ions (1.2 x 1016 ionlcm2,40 keV; 4,4 x 1016 ionlcm2. 60 keV and 4,6 x 1016 ionlcm2. 80 kel1 implantedinto CeO2 thin layer gas sensorhas beencarried out using ion accelerator.The effect such as their resistanceand sensitivityfor varioustemperatureandgas sensorsuchas NH3. Co and HNO3 has been done. It wasfound that n7ebest resistancyand sensitivitywas achievedat ion dose 1,2 x 1016 ionlcm2and 40 keV.At this condition.\',the resistancywas2.22 M.!2andsensitivitywas(70,3.:!:.8.38)%for NH3; (45.:!:. 6,78)%for CO and (30.3.:!:.5.5)%for HNO3 gas. at the sensortemperatureof325 'C and concentration of 4800ppm.
PENDAHULUAN S ejak diusulkan pacta 19152,sensor gas semikonduktor telah menjadi pusat perhatian dalam riset intensif untuk dikemban!~kan sebagai perangkat penting yang tidak hanya dapat digunakan untuk mendeteksi kebocoran gas yalrlgmudah terbakar dan gas beracun, tetapi juga dapat memonitor campuran gas berbau dalam kosentrasi kecil yang dihasilkan dari bermacam-macam sumbe:r.('») Dengan meningkatnya kepedulian terhadap lingkungan, kebutuhan ak;in sensor gas juga meningkat. Dalam hal ini, sensor gas terutama digunakan untuk mendeteksi gas-gas pencemar seperti CO, NOx, sax d:an NHJ. Sensor gas digunakan pula untuk menglui kadar oksigen yang dikeluarkan oleh mesin berbahan bakar hidro karbon(2). Selain itu sens'or dimanfaatkan oleh sektor industri untuk mendeteksi gas-gas berbahaya yang terlibat pacta proses J:,roduksi. Sensor dapat digunakan secara mandiri untuk mendeteksi s'uatu
gas, atau dapat pula diintegrasikan menjadi hidung elektronik untuk mendeteksi berbagai macam aroma seperti yang dilakukan Abe dkk.(]) Karena kegunaan yang sangat besar, maka penelitian tentang sensorgas semakin banyak dilakukan. Dalam pembuatan sensor gas suatu hal yang menjadi perhatian sangat penting adalah sensitivitas dan selektivitas. Kedua hal ini merupakan isu penting dalam pembuatan sensor gas. Salah satu cara untuk meningkatkan sensitivitas sensor gas adalah dengan doping emas (Au) pacta lapisan tipis CeOzsebagai bahan dasar sensor gas. Pada penelitian ini telah dilakukan pembuatan lapisan tip is CeOz pada substrat kaca yang didoping dengan emas (Au) sebagai bahan dasar pembuatan sensor gas. Tujuan doping emas (Au) pada permukaan lapisan tip is CeOz adalah untuk menambah daya serap atom-atom oksigen dari gas reduktor atau oksidator yang mengenai permukaan sensor, hal ini akan dapat meningkatkan
Prosiding Pertemuan cian Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir PJTM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002
/30
Sayono,dkk.
ISSN 0216 -3128
sensitivitas/tanggap terhadap gas. Untuk mengetahui efek doping emas (Au) pada lapisan tipis CeOz, maka dilakukan pengukuran resistivitas dan
Banyak bahan yang terpercik dan terdeposit pactasatu-satuanluas substrat W dan laju deposisi R diberikan oleh persamaan(4):
sensitivitas/kepekaan tanggap terhadap gas. Manfaat penelitian ini adalah diperoleh bahan sensor gas yang dapat digunakan untuk mendeteksi gas: NH3; CO dan HNO3. Dengan berhasilnya penelitian ini, maka dapat diperoleh suatu bahan barn sebagai bahan barn yang dapat digunakan untuk pembuatan sensorgas.
DASARTEORI Pacta proses pendeposisian dengan metode sputtering, target dibombardir dengan partikelpartikel berat (ion-ion positif) yang bergerak c;epat dalam sistem vakum, sehingga atom-atom bahan target dapat terpecik dan memancar keberbagaiarah yang sebagian diantaranya akan bergerak menuju substrat. Atom-atom yang terpercik dengan energi yang cukup tinggi tersebut selanjutnya menumbuk permukaan substrat dengan menekan atom-atom pennukaan dan selanjutnya menempati posisi interstisial atau subsitusi pacta kisi kristal. Atomatom yang terpecik tersebut akhimya bergerak masuk ke dalam bahan subsrat menempati posisi interstisial atau mengisi kekosongan (subsitusi pada .batas butir). Pergeseran atom-atom permukaan target akan lebih isotropik akibat tumbukan beruntun dan akhimya atom-atom dapat lolos dari permukaan target.(4) Dalam proses pendeposisian, energi dari atom-atom terpecik yang menumbuk permukaan subsrat adalah cukup besar yaitu sekitar 2 sampai 30 eV IS!,sehingga proses saling campur (inter-mixing) dan proses difusi atom-atom terpecik ke dalam bahan substrat cenderung berjalan dengan mudah. Percikan arus searah (dc sputtering) merupakan metode sputtering yang paling sederhana. Metode ini terdiri dari dua elektroda planar. Satu dari elektroda adalah anoda dan yang lainnya adalah katoda yang dibelakangnya diletakkan pendingin. Bahan target diletakkan pada katoda, sedangkan substrat pada anoda. Dengan memasukkan gas Argon (Ar) ke dalam tabung .\puttering pada tekanan tertentu dan tegangan arus searah diantara elektroda yang tertentu, maka akan terjadi proses lucutan pijar (glow discharge). lonion Ar pada proses lucutan pijar dipercepat ke katoda sehingga proses sputtering pada target akan terjadi dan selanjutnya atom-atom target tersputter menuju substrat.
W
--!!-
W=k
(I)
p.d
laju deposisi diberikan oleh
R=~
(2)
t
dengan k adalah tetapan, W0 adalah jumlah bahan yang terpercik per satuan luas katoda, d adalah jarak elektroda, W adalah banyak bahan yang terpercik dan berhasil dideposisikan per satuan luas katoda, t adalah waktu deposisi, W0 diberikan oleh persamaan: J+ ~=-s.t-d- e
B N ..
(3)
dengan J+ adalah rapat arus ion pada katoda, e adalah muatan elektron, s adalah hasil percik, BA adalah berat atom bahan percik, clan NA adalah bilangan Avogadro. Gejala sensitivitas serapan gas adalah perubahan tahanan (resistansi) akibat terserapnya gas pada permukaan elemen sensitif. Sedangkan nilai nisbah sensitivitas serapan gas didetinisikan sebagai perbandingan antara besar perubahan tahanan elemen sensitif ketika di beri suatu gas, dengan resistansi elemen sensitif pada udara normal. Untuk gas reduksi sensitivitas semikonduktor tipe-n diberikan oleh persamaan(l): ARK
RK -R"
~=-~
(4)
dan untuk gas oksidator sensitivitas diberikan oleh persamaan:
~=~~ R"
(5) R"
dimana Rg dan Rn terukur pada kondisi isotermal, dengan Rg adalah resistansi ketika udara di beri gas, Rn adalah resistansi pada udara normal. Timbulnya gejala sensitivitas serapan gas dalam bahan semikonduktor oksida dikaitkan dengan perubahan konduktivitas akibat adanya serapan gas pacta permukaan semikonduktor.
Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
Sayono, dkk.
ISSN 0216-3128
Imp/antasi Ion
D=
lmplantasi ion adalah suatu metode untuk menempatkan atom ke dalam suatu bahan dengan cara mengionisasi atom-atom dopan, mempercepat di dalam medan listrik dan selanjutnya menembakkan ke permukaalr1bahan. Oalam proses implantasi ion, peranan dosis dan energi sangat mempengaruhi hasil akllir yaitu jangkauan kedalaman ion dopan dan konsentrasi distribusi ion yang terimplantasi pada sasaran. OJ samping dosis dan energi, hasil akhir implantasi juga ditentukan oleh massa ion dopan dan atom sasaran. Kedalaman penetrasi Rt(A) dalam sasaran dapat dihitung menggunakan persamaan.(1.6) R, = 60(mj + m...)(Z;I):!:.~ ~ No
E
(6)
mj Zi Zs
Rt = jangkauan ion terimplantasi (A) Mi = massa ion dopan (amu ) ms = massa ion sasaranI(amu) = nomor atom ion do'pan
Zs = nomor atom sasaran No = kerapatan atom sa~:aran(atom/cm3) E
dengan : D = J = t = q = A =
It qA
(7)
dosis ion dopan (ion/cm2) arus dopan (ampere) waktu implantasi (detik) muatan elektron(1,602 x lO-'9C ukuran berkas (cm2)
T AT A KERJA PENELITIAN Pembuatan Lapisan Tipis CeO2 Dengan MetodaSputtering dun Imp/antasi Ion
dengan
Zi
J3J
= energi ion dopan (keV)
Dosi.\' Ion Oasis adalah jumlah ion yang diimplantasikan ke dalam bahan per satuan Illlas. Jumlah ion yang diimplantasikan dapat dihitung dengan persamaan:
Dalam proses pembuatan sensor gas CeO2 yang didoping dengan emas (Au) dilakukan dalam dua tahap yakni tahap proses pendeposisian lapisan tipis CeO2 dan tahap doping emas (Au). Pendeposisian dilakukan dengan menvariasi parameter proses yaitu waktu, tegangan tinggi dc (HV) dan suhu sputtering. Skema alat DC Sputtering disajikan pada Gambar 1. Adapun langkah pendeposisian lapisan tipis adalah sebagai berikut: memasang target CeO2pada katoda dan substrat kaca pad a anoda. Kemudian tabung reaktor dihampakan dengan pompa rotari hingga mencapai tekanan 10-2torr, kemudian pompa difusi dihidupkan agar dicapai tingkat kevakuman 10-4 torr, selanjutnya gas argon dimasukkan ke dalam tabung sputtering hingga tekanan kerja operasi tercapai (10-2 torr). Tegangan tinggi dc dihidupkan dan divariasi.
Gambar 1. Skemaalat DC Sputtering.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
J32
ISSN0216-3128
Sayono,dkk.
dimaksukkan ke tabung uji sensor gas kemudian dilakukan variasi tegangan dan suhu sensor kemudian setelah diperoleh kondisi yang stabil dicatat besamya resistansi sensor gas baik sebelum dan setelah diberi gas uji. Skema rangkaian pengukuran sensitivitas ditunjukkan pactaGambar 2.
Mengulangi pendeposisian untuk setiap pasangan suhu dan waktu deposisi yang divariasi pada suhu : 100 DC , 150 DC; 200 DC dan 250 DC dengan waktu deposisi masing-masing : 2 dan 3 jam. Hal ini dilakukan untuk memperoleh data parameter proses yang optimum dalam pembuatan lapisan tipis CeO2 pada substrat kaca. Substrat kaca yang telah disputter dengan CeO2 selanjutnya didoping dengan Au menggunakan metoda implantasi ion dengan variasi dosis dan tenaga masing-masing adalah : 1.2 x 1016 ion/cm1 dengan energi 40 keY; 4.4 x 1016ion/cm2 dengan energi 60 keY dan 4.6 x 1016 ion/cm2 dengan energi 80 keY kemudian dilanjutkan dengan proses anil pada suhu 300 DCselama 60 menit.
HASIL DAN PEMBAHASAN Efeek Doping Enlas (Au) Pada Lapis Tipi... CeO2 Terlladap Nilai Resistansi Bahan SensorGas. Untuk mengetahui keberhasilan proses doping emas (Au) pada lapis tipis CeO2diantaranya dengan mengetahui nilai resistansi. Adapun parameter implantasi yang sangat berpengaruh terhadap nilai resistansi adalah dosis clan energi. Lapis tip is CeO2 sebelum dilakukan implantasi mempunyai resistansi sekitar 450 MQ kemudian setelah dilakukan doping pacta pennukaan lapis tip is CeO2dengan variasi dosis dan energi yang diikuti dengan proses anil pacta suhu 400 °C selama 120 menit, maka terjadi penurunan nilai resistansi hingga mencapai 1 -10 MQ seperti ditunjukkan pactaGambar 3.
Untuk mengetahui keberhasilan pembuatan lapisan tipis yang didoping denganemas (Au), maka dilakukan pengukuran resis.tivitas hasil deposisi dengan metode V-I dan sensitivitas terhadap gas: NH3; CO dan HNO3 Langkah-langkah pengukuran konduktivitas dan sensitivitas adalah sebagai berikut: Memasang sensor gas pacta alat penguji resistansi yang telah dihubungkan ke sumber oaya dan pemanas sensor. Kemudian sumber daya divariasi dari 1 sampai 10 volt dan variasi suhu substrat 30 DC Sid 250 DC. Gas yang akan diuji
Masukango uji
Gambar2. Skemarangkaianpengukuransensitivitas.
-
Prosiding Pertemuan dan Presentasl IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
Sayoflo.dkk.
ISSN 0216 -3128
/33
Gambar 3. Grafik hubungansuhusensorterhadapresistansihasil doping emas (Au)padapermukaanlapis tipis CeO2.
Pacta grafik hubungan suhu sensor tehadap nilai resistansi hasil doping emas (Au) pacta permukaan lapis tipis CeO2 menunjukkan bahwa semakin besar dosis dan energi doping akan menghasilkan nilai resistansl yang semakin kecil. Hal ini dikarenakan pengaruh dari dopan ion emas pacta permukaan lapisan tipis dan suhu anil, parameter lain yang sangat berpengaruh terhadap resistansi bahan sensor adal:ih suhu sensor (suhu pacta saat sensor dioperasikan) ketiga parameter tersebut saling gayut untuk rnembentuk suatu nilai
menurunkan resistansi bahan sensor. Sedang suhu sensor juga mempengaruhi terhadap resistansi. Semakin naik suhu sensor, maka nilai resistansi akan semakin kecil, hal ini karena pada suhu yang semakin tinggi akan menimbulkan pengaruh yang semakin komplek, terutama pada konsentrasi pembawa muatan (elektron dan hole), mobilitas pembawa muatan dan konduktivitas bahan. Akibat suhu tinggi akan muncul pada tingkat ionisasi defect dan jumlah atom oksigen yang terserap oleh
yang optimum.
mekanisme transport (mobilitas) pada batas butir dan fonon. Jumlah atom oksigen yang terserap menentukan jumlah pembawa muatan, tetapi hila suhu sensor terus ditambah penurunan resistan semakin kecil menuju kondisi stabil yaitu mulai suhu sensor sekitar 225 DC pada kondisi tersebut merupakan daerah kerja sensor gas, karena nilai resistansi tidak lagi dipengaruhi oleh kenaikan suhu sensor tetapi perubahan nilai resistansi diakibatkan oieh serapanoksigen dari gas yang dideteksi.
Kehadiran ion emas pacta permukaan lapis tipis CeO2 akan menambah rapatnya atom-atom permukaan membentuk kelompok-kelompok yang akan memperbesar daya serap terhadap oksigen dan akan mengurangi energi aktivasi reaksi-reaksi permukaan. Semakin ting:gi dosis ion emas diimplantasikan ke permuka:in lapisan tipis CeO2, maka akan semakin banyak atom-atom emas(Au) pacta permukaan sehingga dapat meningkatkan kerapatan atom-atom permukaan tersebut. Sedang energi doping yang semakin tinggi akan menambah ion dopan masuk lebih dalam dari permukaan sehingga ion dopan pada pe:rmukaan tidak mudah lepas/aus akibat gesekan kemudian diikuti proses anil yang bertujuan untuk' memulihkan kisi-kisi atom yang rusak/geser akibat proses doping ke posisi semula (rearrangement) sehingga dapat memperbaiki sifat kelistrikan bahan. Selain itu, anil juga dapat meningkatkan homogenitas atom-,atom emas dan CeO2 pacta permukaan sensor,semua itu pacta akhimya bertujuan untuk meningkatkan daya serap permukaan sensor terhadap oksigen semakin linggi, hal ini akan meningkatkan konduktivitas atau
permukaan. Suhu juga akan berpengaruh pada
Efek Doping Enlas (Au) pada Lapis Tipis CeO2 terlladap Sellsitivitas Sensor Gas Oari hasil perhitungan resistansi menggunakan persamaan (4), dapat untuk menentukan besamya sensitivitas bahan sensor gas NH3; CO dan HNO3 baik sebelum maupun sesudah dilakukan doping emas dengan variasi dosis clan energi masing-masing : 1.2 x 1016ion/cm2 pada energi 40 keY; 4.4 x 1016ion/cm2 pada energi 60 keY; 4.6 x 1016 ion/cm2 pada energi 80 keY seperti yang disajikan pada Gambar 4; 5; 6 clan7.
Prosiding Pertemuan ,jan Presentasillmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
134
ISSN 0216 -3128
Sayono,dkk.
0.6 '" g
'>
';:3
'in c= u
0.3
f/)
0
200
225
250
300
275
325
350
375
Suhu sensor (OC)
Gambar 4. Grafik hubungansuhu sensor terhadapsensitivitaslapis tipis CeO2sebelumdidopingdenganion emas.
0.6 '" ~
:~ .~ 5
(/) 0.3
0
200
225
250
275
300
325
350
375
Suhu sensor (oC)
Gambar 5.
Grafik hubungansuhu sensor terhadapsensitivitaspada bahan CeO2yang didoping emasdengandosis /.2 x /0/6 ionlcm2padaenergi40 keV.
Pada Gambar 4 grafik hubungan suhu sensor terhadap sensitivitas lapis tipis CeO2 sebelum dilakukan implantasi ion emas menunjukkan bahwa nilai sensitivitas tertinggi dicapai pada suhu sensor 275 °C besarnya sensitivitas untuk masing-masing gas adalah NH] (21 :!:.4,5)%; CO (18,3 :!:.4,27)% clan HNO] (15 :!:.3,8)% pada konsentrasi 4800 ppm, hal ini menunjukkan bah,,:,a sensitivitas sensor masih relatif rendah sehingga hila digunakan untuk mendeteksi gas pada konsentrasi rendah kurang dari
1000 ppm tidak sesuai/kurang peka sehingga diperlukan peningkatan sensitivitas. Pada Gambar 5 grafik hubungan suhu sensor terhadap sensitivitas dari sampel yang didoping emas (Au) dengan pada dosis 1.23 x 1016ion/cm2 pada energi 40 keY menunjukkan adanya kenaikan sensitivitas serapan pada sensor terhadap oksigen dari gas uji yang dideteksi. Adapun besarnya sensitivitas untuk masing-masing adalah NH} (70,3
Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
Sayono,dkk.
:ISSN 0216-3128
.:!: 8,38)%; CO (45 .:!: 6,78)% dan HNO) (30,3 .:!: 5,5)% pada suhu sensor 325 DC. Kenaikan sensitivitas serapan pada sensor gas CeO2 ini disebabkan oleh kehadiran ion emas pada pennukaan CeO2 yang diikuti proses anil. Akibat ion dopan yang diikuti proses anil, maka atom-atom (CeO2 + Au) pennukaan sensor menjadi lebih rapat daD homogen sehingga akan mempennudah mekanisme transport (mobilitas) pembawa muatan melewati daerah antar butir. Hal ini akan menyebabkan kenaikan k:onduktivitas daD daya serap terhadap oksigen dari gas uji yang dideteksi pada pennukaan sensor, hila dibandingkan dengan bahan sensor CeO2 sebelum didoping. Kombinasi dosis ijan energi (parameter doping) daD suhu anil tersebut akan mempengaruhi terbentuknya ukuran butir .jan distribusi yang akan menentukan homogenitas daD kerapatan lapis tipis CeO2' hal ini akan berpengaruh terhadap konduktivitas lapis tip is CeO2 sebagai sensor,gas. Semakin rapat butir, konduktivitasnya akan semakin baik. lni berkaitan dengan mekanisme transport pada batas butir yang menentukan mobilitas pembawa muatan yang akan memberi sumbangan pacta peningkatan konduktivitas (resistansi menurun). Hal ini terbukti bahwa nilai resistansi setelah dilakukan dopin!~ dengan emas jauh menurun hila dibandingkan dengan resistansi sebelum didoping. Menuru1: Gas'kov(7)penambahan bahan emas pacta pennukaan lapis tip is CeO2 akan menaikkan sensitivitas dengan semakin besar serapan gas pennukaan pad;l bahan sensorgas. Menurut Gaskov(7), kondisi pennukaan (interaksi antara gas uji daD permukaan semikonduktor sensor gas) akan memberikan pengaruh yang signifikan jika 2L ;~ D. dengan L adalah panjang depletion layer dan D adalah ukuran butir. Jadi dari hasil eksperimen bahwa pacta suhu :t 325 DC telah dipenuhi kondisi 2L ? D. karena ukuran butir adalah relatif tetap untuk peningkatan suhu dalam orde suhu sensor, maka peningkatan perbandingan panjang dEpletion layer terh~dap ukuran butir diakibatkan oleh meningkatnya panjang depletion layer. P;lda suhu kamar panjang depletion 1G}'errelatif penclek karena atom oksigen yang teradsorbsi hanya menarik elektron dari pennukaan bahan. Menurut Mrowec(8) dengan peningkatan suhu sensor maka atom oksigen yang teradsorbsi dapat menarik (~Iektrondari daerahyang lebih dalam dengan ionis:lSi ganda (021, bahkan pacta kesetimbangan termodinamik (antara permukaan daD bulk) penarikan dapat mencapai elektron-elektron bulk, ini menyebabkan panjang
Prosiding
Pertemualn
dan Presentasi
Ilmiah
P3TM-BATAN
135
depletionlayer akanmeningkatdan memenuhi2L ~
D. Sedang suhu sensor pada sensitivitas optimum setelah dilakukan doping dengan emas mengalami pergeseran yaitu semula 275 DC (sebelum didoping) menjadi 325 DC (setelah didoping). Perubahan suhu sensor ini disebabkan oleh adanya atom-atom emas yang menempati celah/kisi antar butir dari atom-atom CeO2 yang menyebabkan terjadinya perubahan struktur mikro pacta permukaan sensor akibat proses interstisi dan vacansi antara ion emas dengan atom CeO2 pacta permukaan sensor sebagai akibat dari proses doping yang diikuti oleh aniI. Menurut Mrowec(K), pada suhu sensor yang relatif tinggi semikonduktor oksida logam dapat terjadi mekanisme small polaron sebagai pembawa muatan. M mekanisme transport pembawa muatan (mobilitas small polaron) adalah sebuah proses difusi defect (Heikes dan Johnson), yang meningkat dengan suhu secara eksponensial. Jadi pada kosentrasi tetap, kenaikan suhu sensor akan meningkatkan proses difusi small polaron dalam bahan, dan sebagai akibatnya mobilitas pembawa muatan akan bertambah. Peningkatan mobilitas pembawa muatan ini memperbesar konduktivitas yang menyebabkan kenaikan sensitivitas. Bila dosis dan energi terns ditingkatkan yakni 4.4 x 1016ion/cm2 dengan energi 60 keY dan 4.6 x 1016 ion/cm2 dengan energi 80 keY maka terjadi perubahan sensitivitas serapan gas dan pergeseran suhu sensor seperti disajikan pacta Gambar 6 dan 7. PactaGambar 6 dan 7 menunjukkan bahwa hasil penambahan dosis dan energi doping terjadi penurunan sensitivitas. Hal ini disebabkan oleh atom-atom emas (Au) yang menyisip di antara kisikisi atom CeO2pacta permukaan sensor masuk lebih ke dalam sebagai akibat pemberian energi doping yang lebih tinggi. Ini berpengaruh terhadap daya serap permukaan sensor menjadi berkurang, walaupun dosis yang didopingkan lebih tinggi tetapi sebagian besar ion-ion emas berada di bawah permukaan sensor aktif, semakin besar energi doping maka akan semakin jauh ion emas berada di bawah permukaan sensor aktif, sehingga jumlah atom emas pada permukaan sensor CeO2 semakin sedikit menyebabkan terjadinya penurunan mobilitas pembawa muatan dan memperkecil daerah depletion layer. Semua ini akan mengakibatkan terjadinya penurun konduktivitas bahan yang berpengaruh pacta penurunan daya serap permukaan terhadap gas uji yang dideteksi.
Penelitian Yogyakarta,
Dasar IImu Pengetahuan 27 Juni
2002
dan Teknologi
Nuklir
325
."".., "..."
n
0.6 '"cIS ">
"~ "m Q CI)
t/}
0.3
0 200
225
250
275
300
,
325
350
375
Suhu sensor (OC)
Gambar 6. Grafik hubungansuhu sensor terhadapsensitivitaspada bahan CeO2yang doping emas dengan dosis 4.4 x 1016 ion/cm2denganenergi60 keV.
0.6
'"
J3 "> .+:
"in
~
~
0.3
0 200
225
250
275
300
350
375
Suhusensor(oC) Gambar 7.
Grafik hubungan suhu sensor terhadap sensitivitas bahan CeO2 yang didoping emas dengan dosis 4.6 x 1016 ion/cm2 .dengan energi 80 keV.
Peningkatan energi doping juga menyebabkan terjadinya cacat titik yang semakin banyak. Pada proses doping dengan energi tinggi ion dopan emas akan masuk lebih ke dalam dari permukaan sensor dan selama perjalanannya ion dopan emas di dalam atom-atom CeO2 akan terjadi proses interstisi dan substitusi sehingga akan mengakibatkan pergeseran atau terpentalnya atom-atom CeO2serta
timbul cacat titik akibat dari berbenturan antara ion emas dengan atom-atom CeO2 sepanjang lintasan yang dilalui oleh ion dopan tersebut, sebelum ion dopan berhenti karena kehabisan energi ( Zeigler).(9) Pactaenergi doping yang semakin tinggi akan terjadi efek panas yang menyebabkan kenaikan suhu.
Kenaikan
suhu
ini
akan
mempermudah
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
137
ISSN 0216 -3128
SaYOllo,dkk -
pembentukan ke arah ukuran butir yang lebih besar. Dengan adanya ukuran butir yang lebih besar pada permukaan sensor akan b'~rpengaruhpada tingkat
kerapatan
atom-atom
permukaan semakin
of Porous SnO2-based Elements, Sensors and Actuators B, 3,147-155,1991. 2
COSANDEY, F., SKANDON, G., SINGHAL, A, Material and Pocessing Issues in Nanostructured Semiconductor Gas Sensors, The Minerals, Metals and Materials Society,
berkurang, hal ini akan mengurangi mobilitas pembawa muatan di dal:rah antar butir yang menyebabkan terjadinya pe,:\urunan konduktivitas
2000.
bahan sensor. Dengan demikian daya serap
MARDARE, D., RUSU, G.L., Structural and Electrical Properties of TiO2 RF Sputerred Thin Films. Materials Science and Engineering, B75, 68-71, 2000.
permukaan sensor menjadj lebih kecil sehingga sensitivitas terhadap oksi~~en dari gas uji yang dideteksi juga mengalami pt:nurunan.
KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan- dan pembahasan efek doping emas pada permukaan bahan sensor gas CeO2 terhadap sensitivitas gas NH3; CO dan HNO3, maka dapat disimpulkan sebagai berikut :
4.
W ASA, K., HAY AKA W A, S., Handbook of Sputter Deposition Technology: Principles, Technology and Application, Noyes Publication, New Jersey, 1992.
5.
OHRING, M., The Material Science of Thin Films, Academic Press Inc., New York, 1992.
6.
ABE, H., YOSHIMURA, T., KANA Y A, S., TAKAHASHI, Y., MIYASHITA, Y., SASAKI, S., Automated Odor-sensing System Based 0/1 Plural Semiconductor Gas Sensors and Computerized Pattern Recognition Techniques, Anal. Chim. Acta., 194, 1-9, 1987.
I. N ilai resistansi bahan ICeO2setelah dilakukan doping emas mengalami penurunanyang berarti, semula 450 M.Q dan st:telah dilakukan doping menjadi sekitar 1 -10 M.Q, hat ini disebabkan oleh kehadiran atom emas akan meningkatkan kerapatan atom-atom pacta permukaan sensor
GAS'KOV, A.M., RUMYANTSEVA, M.N., Materials for Solid-State Gas Sensors, Inorganic Materials, Vol. 36, No.3, 293-301,
CeO2 2. Efek doping emas pactabahan sensor CeO2dapat meningkatkan sensitiviti&, tetapi bila dosis dan energi doping terus ditambah justru menurunkan sensitivitasnya, ini akibat energi yang semakin besar menyebabkan ion-ion emas berada dibawah permukaan sensor aktif sehingga ~kan menurunkan daya serap terhadap oksigen' dari gas uji yang dideteksi. 3. Sensitivitas sensor gas CeO2 + Au mempunyai respon yang tertinggi terhadap gas masingmasing adalah : NH) (70,3 ~ 8,38)%; CO (45 ~ 6,78)% dan HNO) (30,3 ~ 5,5)% pacta suhu sensor 325 DC.
UCAP AN TERIMA K.ASIH Dengan telah selesainya penelitian ini kami mengucapkan banyak terima kasih kepada Bapak J. Kam1adi, AI. Sunarto, dan Sumarmo dan seluruh star Kelompok Pengemban!~anAplikasi Akselerator atas segala bantuan yang telah diberikan.
DAFTARPUSTAKA TAMAKI, J., XU, C., MIURA, N., YAMAZOE, N., Grain Size E;lJectson Gas Sensitivity
2000. 8.
MROWEC, S., Defect and Diffusion in Solids, Elsevier Scientific Publishing Company, Polandia 1980.
9.
ZEIGLER, J.F., The Stopping and Range of Ions in Solids, IBM-Research, New York, 1985.
TANYAJAWAB Jumari -Apa tujuan akhir dari diadakannya penelitian efek doping emas ini? Dan aplikasinya untuk apa saja.
Sayono -Tujuan akhir dari peneli/ian efek doping emas (Au) permukaan bahan .\'ensor CeO2 adalah un/uk meningka/kan daya serap permukaan sensor gas CeO2. hal ini menyebabkan meningka/kan sensi/ivi/as sensor gas. Aplikasinya un/uk sensor gas-gas pencemar an/ara lain NH3. CO, e/elin, dll.
Prosiding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Juni 2002
138
ISSN 0216 -3128
Ika Ismet -Apakah peralatan Ion implantasi dalam keadaan jalan terus (tidak rewel)? -Bahan
Sayono,dkk.
-Apakah acta alasan lainnya mengapa dalam pengujian suhu yang digunakan sampai ratusan
°C?
em as yang dipakai dalam bentuk apa? Sayono
Sayono -Peralatan implantasi ion saat in; dalam keadaan jalan normal/ba;k. -Bahan emas yang dipakai adalah bentuk padatan dengan kemurn;an 99,99%. Widdi Usada
.
-Di antara ketiga gas cuplikan yang diuji, gas manakah yang paling pas untuk sensorCeO2?
-Dari ketiga gas cuplikan NH3, CO dan HNO3 yang paling tepat untuk sensorCeO2adalah gas NH3 karenamempunyaisensitivitasterbaikyaitu (70,3 :t 8,38) % sedanggas CO (45 :t 6,78) % danHNO3 (30,3:t 5,5)%. -Dalam operasi sensor gas memerlukan suhu sensorminimal (200 sid 350) °C dan hila pada suhu kamar sensor tersebut bekerjanya kurang sensitiv.
Prosiding Pertemuan ctan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknolo!}i Nuklir P3TM.BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
