SENSOR SEMIKONDUKTOR LAPISAN TIPIS ZnO:Al

UNTUK MENDETEKSI KUALITAS AIR

Ditujukan sebagai Proposal Tugas Akhir

Pembimbing :

Dr. Bebeh W. Nuryadin, M.Si

Dr. Hj. Hasniah Aliah, M.Si

Oleh

Fitri Rahayu

1127030025

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UIN SUNAN GUNUNG DJATI BANDUNG

2015

1

LEMBAR PENGESAHAN

Proposal Tugas Akhir FI-40XX

Jurusan Fisika UIN Sunan Gunung Djati Bandung

Judul Penelitian Tugas Akhir

SENSOR SEMIKONDUKTOR LAPISAN TIPIS ZnO:Al

UNTUK MENDETEKSI KUALITAS AIR

Nama Mahasiswa : Fitri Rahayu

NIM : 1127030025

Telah diperiksa dan disetujui pada tanggal 18 Mei 2015

Dosen Pengampu Tugas Akhir,

Dr. Yudha Satya Perkasa, M.Si

Pembimbing I Pembimbing II

Dr. Bebeh W. Nuryadin, M.Si Dr. Hj. Hasniah Aliah, M.Si

2

1. Latar Belakang

Air adalah hal yang paling penting bagi semua kehidupan di bumi dan sumber

daya berharga bagi peradaban manusia. Akses yang dapat dipercaya untuk

mendapatkan air bersih dianggap sebagai salah satu tujuan kemanusian yang

paling dasar, dan tetap menjadi tantangan global utama pada abad ke-21. (Qu, et

al., 2013)

Oleh karena itu diperlukannya alat untuk mendeteksi kualitas air. Pada penelitian

ini dilakukan studi awal untuk mendeteksi kualitas air dengan menggunakan

lapisan tipis. Lapisan tipis adalah suatu lapisan yang mempunyai ketebalan dari

orde angstrom hingga mikrometer.). Salah satu lapisan tipis anorganik berbasis

logam oksida yang menarik untuk diteliti adalah lapisan tipis ZnO:Al yaitu Zinc

Oxide (ZnO) yang di doping dengan atom Aluminium (Al). lapisan tipis ZnO

karena memiliki sifat fisis yang menarik diantaranya mempunyai celah pita yang

lebar, sifat anisotropinya akan menimbulkan gejala piezoelektrik, dan sifat non

stoikiometrinya menyebabkan paduan ini dapat menjadi semikonduktor tipe-n.

Selain itu ZnO memiliki perubahan konduktivitas permukaan dalam merespon

gas-gas yang diserap dan mudah difabrikasi dalam bentuk lapisan tipis melalui

sputtering. (MIN, 2003)

Aplikasi dari lapisan tipis ZnO:Al adalah liquid crystal displays (LCD), aspek

alternatif energi yaitu sel surya, aspek teknologi yang berupa sensor gas dan

lapisan oksida transparan konduktif (TCO) .Namun, pada penelitian ini , aplikasi

dari lapisan tipis ZnO:Al sebagai sensor untuk mendeteksi kulitas air dengan

membandingkan nilai resistansi masing-masing sample.

Metode yang digunakan dalam membuat lapisan tipis AZO adalah menggunakan

teknik spray pyrolysis karena mempunyai beberapa keuntungan antara lain:

metodanya sederhana, biaya pembuatan dan bahan dasarnya murah. Pada proses

menggunakan teknik ini meliputi optimisasi banyak parameter proses seperti

efek konsentrasi larutan (L, et al., 1993), jarak nozzle ke substrat (Abijhit, 2006),

kecepatan aliran udara (Abijhit, 2006) dan suhu substrat (C, 2006) yang tentunya

sangat memparuhi sifat-sifat dari film tipis.

3

Pada penelitian ini kami memfokuskan pada sensor semikonduktor berbasis

lapisan tipis AZO (Alumunium-dopen Zinc Oxide) untuk mendeteksi kualitas

air. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui aplikasi dari lapisan tipis AZO

sebagai sensor untuk mengetahui kualitas air. Nilai resistivitas air murni

digunakan sebagai pembanding dengan air yang di ambil dari sumber lain.

2. Perumusan Masalah

Tugas akhir ini akan difokuskan pada Melakukan sintesis lapisan tipis ZnO:Al

dengan menggunakan metode spray pyrolysis serta mengetahui aplikasinya

sebagai sensor untuk mendeteksi kualitas air berdasarkan resistansinya dari

berbagai sample.

3. Tujuan

Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian tugas akhir ini adalah pembuatan

lapisan tipis ZnO:Al yang disintesis menggunakan metode spray pyrolysis,

dengan parameter variasi jumlah lapisan deposisi dan persen mol doping

alumunium untuk aplikasinya sebagai sensor semikonduktor untuk menentukan

kualitas air.

4. Hasil

Hasil dari penelitian tugas akhir ini adalah lapisan tipis ZnO:Al dapat dijadikan

sebagai sensor semikonduktor untuk mendeteksi kandungan air minum.

5. Batasan Masalah

Batasan masalah yang ditetapkan bagi penelitian tugas akhir ini adalah :

a. Material sumber yang digunakan adalah Zn(CH3COO)2.2H2O dalam

bentuk powder dan Al(NO3)2.9H2O

b. Digunakan metode spray pyrolisis untuk mensintesis lapisan tipis

c. Pengaruh molaritas dan jumlah deposisi lapisan pada resitansi lapisan tipis

d. Pengujian resitansi menggunakan multimeter digital

e. Karakterisasi yang digunakan adalah SEM dan spektrometer UV-vis.

f. Sample air yang digunakan adalah air keran, air limbah, air kolam, air isi

ulang

4

6. Metodologi Penelitian

Metodologi penelitian tugas akhir ini adalah berupa penelitian eksperimental.

Adapun metode yang digunakan pada penelitian in adalah:

a. Studi literatur.

b. Pembuatan secara langsung lapisan tipis ZnO:Al dengan menggunakan

metode spray pyrolysis dan aplikasinya sebagai sensor semikonduktor untuk

menentukan kualitas air.

c. yaitu pengambilan data dengan mengamati langsung terhadap pembuatan

lapisan tipis ZnO:Al dan perbandingan resistansi air dari berbagi macam

sampel.

7. Teori Dasar

7.1. Struktur Kristal

Pada umumnya ZnO membentuk struktur kristal heksagonal wurtzite.

Struktur ini dapat digambarkan sebagai kombinasi bergantian subkisi

hexagonal-close-packed (hcp), dimana tiap subkisi terdiri dari satu jenis

atom (misal atom Zn) bergantian dengan atom jenis lain (atom O)

sepanjang sumbu c. Tiap satu subkisi meliputi empat atom per unit sel,

setiap atom Zn dikelilingi oleh empat atom O dan sebaliknya. Gambar 2.1

memperlihatkan struktur kristal wurtzite ZnO dimana atom O digambarkan

sebagai bola putih besar dan atom Zn digambarkan sebagai bola hitam yang

lebih kecil dan garis hitam menggambarkan unit sel. Parameter kisi ZnO

untuk struktur wurtzite pada temperatur 300 K adalah a = 3,2495 dan c =

5,2069 .

Gambar 1. Struktur heksagonal wurtzite ZnO

5

Selain struktur kristal wurtzite, ZnO juga dilaporkan dapat memiliki struktur

kristal kubik zincblende dan rocksalt (Jagadish dan Pearton, 2006; Dengyuan,

2005). Gambar 2.2 memperlihatkan struktur rocksalt (kiri) dan zincblende

(kanan) ZnO. Struktur kristal zinckblende ZnO stabil hanya jika ditumbuhkan

pada struktur kubik dan konstanta kisi ZnO untuk struktur rocksalt adalah a =

4,280 .

Gambar 2. Struktur rocksalt dan zincblende ZnO

7.2. Sifat Optik ZnO

Seng oksida adalah semikonduktor dengan celah pita energi langsung (direct

band gap). Nilai celah pita energi untuk ZnO monokristal adalah antara 3,1 -

3,3 eV pada temperatur ruangan dan 3,44 eV pada temperatur 4 K dan

untuk film ZnO polikristal adalah antara 3,28 3,30 eV (Dengyuan, 2005).

Karena memiliki celah pita energi yang lebar maka ZnO transparan

terhadap sinar tampak (400-700 nm). Indeks bias ZnO dalam bentuk film

adalah sekitar 1,93-2,0 dan untuk material ukuran besar (bulk) adalah ~2,0.

7.3. Penumbuhan Film Tipis ZnO:Al

Film tipis ZnO yang ditumbuhkan dengan berbagai metode menunjukkan

keunggulan sebagai kandidat devais elektronik baru. Banyak usaha yang

telah dilakukan olah para peneliti untuk meningkatkan keunggulan film tipis

ZnO, salah satu yang dilakukan dengan melakukan doping unsur logam

(Sayono, et al., 2007). Penelitian yang telah dilakukan oleh beberapa peneliti

diantaranya menumbuhkan film tipis ZnO dengan doping alumunium. Hal

tersebut dilakukan untuk mendapatkan film tipis dengan karakteristik yang

6

menguntungkan untuk aplikasi devais khususnya TCO ( (E.Saptaningrum,

2012).

Sim dkk, (2010) (U, et al., 2010) telah berhasil menumbuhkan film tipis

ZnO doping alumunium di atas substrat gelas keramik dengan rf magnetron

sputtering. Film tipis yang dihasilkan memiliki butiran dengan ukuran nano

(20-30 nm), film juga menunjukkan sensitivitas yang baik terhadap gas

hydrogen pada temperatur 40 C. Chen dkk, (2006) (Chen, et al., 2009) juga

menunjukkan bahwa film tipis ZnO di doping aluminium memiliki

sensitivitas yang tinggi untuk mendeteksi 400 ppm uap etanol pada

temperature operasi 250 C. Film tipis ZnO doping alumunium memiliki

struktur datar dan memiliki struktur hexagonal wurtzite (Aryanto &

Saptaningrum, 2012).

7.4. Metode Spray Pyrolisis

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 partikel dalam orde (Nuryadin, et al., 2009).

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 carrier gas ke reaktor yang telah diatur pada suhu tertentu.

Pemanasan pada suhu tinggi yang terjadi dalam reaktor tersebut

menguapkan pelarut yang diikuti dengan reaksi kimia pada suhu tinggi

(pyrolysis) untuk membetuk partikel. Partikel yang terbentuk dibawa oleh

pembawa gas dan terkumpul di substrat. Spray pyrolysis sangat potensial

7

digunakan untuk membuat lapisan tipis dengan ukuran mikrometer hingga

sub micrometer (Nuryadin, et al., 2009).

Gambar 3. Skema alat spray pyrolysis .(1) kompresor; (2) regulator tekanan

dan pengukur; (3) batang penyangga; (4) prekursor; (5) nozzle ; (8)

substrat; (9) pemanas.

7.5. Aplikasi Lapisan Tipis ZnO:Al

Lapisan tipis oksida logam merupakan satu jenis dari sekian banyak bahan

lapisan tipis yang telah dikembangkan menjadi sensor gas semikonduktor.

Keadaan ini dimungkinkan karena struktur dan sifat elektrik lapisan tipis

oksida dapat dikontrol dalam proses pembuatannya, sehingga dapat

merubah tingkat sensitivitasnya jika berada dalam lingkugan gas. Pada

kondisi udara normal, permukaan bahan semikonduktor terlapisi oleh suatu

lapisan yang diakibatkan oleh terserapnya oksigen. Proses ini meliputi

penyerapan fisika, yang kemudian diikuti penyerapan kimia dengan

menangkap elektron dari daerah dekat permukaan semikonduktor. Proses

terserapnya gas oksigen di atas permukaan semikonduktor (Sayono, et al.,

2007).

Bila tekanan gas semakin rendah, maka jumlah ion argon dalam tabung

plasma yang berfungsi sebagai gas sputter juga masih sedikit. Akibatnya

jumlah atom-atom target ZnO:Al ke permukaan substrat alumina masih

kecil sehingga tingkat kerapatan dan homogenitas atom pada permukaan

yang berfungsi sebagai sensor masih rendah. Oleh karena tingkat kerapatan

dan homogenitas atom pada permukaan masih rendah maka jarak antar

8

atom masih ada celah atau gap sehingga elektron sebagai pembawa muatan

akan sulit melewati pada daerah tersebut, ini berpengaruh terhadap

konduktivitas bahan sensor masih rendah atau nilai resistansinya masih

tinggi (Sayono, et al., 2007).

Aplikasi yang lainnya digunakan sebagai bahan lapisan oksida transparan

konduktif (TCO) untuk sel surya. Lapisan tipis ZnO yang dicampur dengan

unsur Al merupakan salah satu jenis bahan TCO. Lapisan tipis ZnO:Al telah

banyak diteliti karena aplikasinya begitu luas yaitu untuk peralatan

permukaan gelombang akustik, sensor tekan, sensor gas, foto dioda maupun

sel surya. Bahan TCO ini selain mempunyai nilai resistivitas yang rendah

dan harganya murah juga mempunyai sifat-sifat optik yang baik. Dalam

plasma hidrogen TCO juga mempunyai kesetabilan arus dan tegangan yang

tinggi, sehingga dapat ditumbuhkan dalam suhu rendah (Wirjoadi & B,

2007).Oleh karena itu pada penelitian ini lapisan tipis ZnO:Al akan

diaplikasikan untuk lapisan oksida transparan konduktif (TCO) dan

digunakan sebagai sensor pendeteksi kualitas air.

8. Jadwal Pelaksanaan

KEGIATAN

September Oktober November Desember Januari Februari

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Studi Litelatur Pembuatan Proposal Tugas Akhir

Pesrsiapan alat dan bahan

Pembuatan lapisan tipis serta pengukuran resistansi

Pengujian sample

Karakterisasi

Pengolahan data Penyusunanan laporan tugas akhir

Penyusunan persentasi tugas akhir

Persentasi terhadap dosen pembimbing

9. Rancangan Anggaran

Rancangan anggaran untuk pelaksanaan penelitian tugas akhir ini adalah sebagai

berikut:

9

Pembelian alat dan bahan Rp. 50.000

Karakterisasi Rp. 500.000

Pencetakan laporan tugas akhir Rp. 250.000

+

Total Rp. 800.000,00

10. Daftar Pustaka

1. Abijhit, N. (2006). Semiconducting Metal Oxide Gas Sensor. 19-44.

2. Aryanto, D., & Saptaningrum, E. (2012). Fabrikasi dan Karakterisasi TCO Berbasis Film

Tipis Zinc-Oxide Doping (Alumunium, Gallium) sebagai Window Layers Dalam Sel Surya.

Semarang: IKIP PGRI.

3. C, R. (2006). Pembuatan Lapisan Tipis ZnO:Al pada substrat alumina untuk bahan

sensor gas. Skripsi Program Studi Elektro MekanikJurusan Teknofisika Nuklir, STTN

BATAN,.

4. Chen, K. J., Hung, F. Y., Chang, S. J., & Hu, Z. S. (2009). Microstructures, optical

and electrical properties of In-doped ZnO thin films prepared by solgel method.

Applied Surface Science. Applied Surface Science, 255(12), 6308-6312.

5. E.Saptaningrum, D. A. (2012). Fabrikasi dan Karakterisasi TCO Berbasis Film Tipis

Zinc-Oxide Doping (Alumunium, Gallium) sebagai Window Layers Dalam Sel

Surya. Semarang: IKIP PGRI.

6. MIN, Y. (2003). Properties and Sensor Performance of Zinc Oxide Thin Film.

Massachusetts Institute Of Technolgy.

7. Nuryadin, B. W., Marully, A. R., Khairuddin, Abdullah, M., & Khairurrijal. (2009).

Pengembagan Reaktor Spray Pyrolysis dan Spray Drying Untuk Sintesis Partikel

Oksida dan Partikel komposit Berbentuk Bulat dan Berukuran Mikrometer. Jurnal

Nanosains, 2(2).

8. Qu, X., Alvarez, P. J., & Li, Q. n. (2013). Applications of nanotechnology in water

and wastewater treatment. elsevier, 1.

9. Sayono, Surarso, B., & Saputra, R. (2007). Deposisi Lapisan Tipis ZnO:Al pada

Substrat Alumina Untuk Bahan Sensor Gas. Prosiding PPI - PDIPTN.

10. U, S., W, S., Moholkar, Yun.J, Moon.J.H, & J, H. (2010). Effect of dopant (Al, Ga

and In) on the characteristics of ZnO thin film prepared by RF magnetron

sputtering system. Journal of Physics and Chemistry of Solids, S463-S467.

11. Wirjoadi, & B, S. (2007). Sifat Optik Struktur Kristal dan StrukturMikro Lapisan

tipis ZnO:Al pada Substrat KacaSebagai Bahan TCO. Prosiding PPI - PDIPTN 2007

Pustek Akselerator dan Proses Bahan BATAN.