## UJI UV-VIS LAPISAN TiO 2 /N 2 UNTUK MENENTUKAN BAND GAP ENERGY
Devi Indriani 1* , Helga Dwi Fahyuan 1 , Mardian Peslinof 1 , Ngatijo 2
1 Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Jambi, Mendalo Darat, Jambi 36361
2 Program Studi Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Jambi, Mendalo Darat, Jambi 36361
* e-mail: Devi140396@gmail.com

## Abstrak
Telah  dilakukan  penelitian  tentang  pengaruh  variasi  doping  nitrogen  terhadap  celah  pita  energi  pada  lapisan  TiO 2 yang ditumbuhkan  dengan  teknik  doctor  blade.  Lapisan  TiO 2 /N 2 dibuat  dengan  konsentrasi  15%,  25%  dan  25%  dan  lapisan  TiO 2 tanpa doping dikalsinasi pada suhu 500°C selama 3 jam. Karakterisasi celah pita energi dengan menggunakan spektrometer UV-Vis pada rentang panjang gelombang 200 nm-700 nm. Celah pita energi diperoleh dengan menggunakan persamaan Swanepoel dan metode  Touch  Plot.  Hasil  penelitian  menunjukkan  nilai  energi  gap  tanpa  doping  sebesar  3,9250  eV  dan  dengan  penambahan doping  nitrogen  dapat  menurunkan  celah  pita  energi  berturut-turut  3,8750  eV,  3,8375eV  dan  3,9125  eV.  Celah  pita  energi terkecil diperoleh pada konsentrasi 25% sebesar 3,8375 eV.
Kata Kunci: Lapisan TiO 2 /N 2 , Transmitansi, Celah pita energi
Abstract
[Title: TEST UV-VIS LAYER TiO 2 /N 2 FOR DETERMINING BAND GAP ENERGY ] Research has been conducted on the effect of nitrogen doping variations on the energy band gap in the TiO2 layer which is grown by the doctor blade technique. TiO 2 /N 2 layers were made with a concentration of 15%, 25% and 25% and TiO2 layers without doping were calcined at 500°C for 3 hours. Characterization of energy band gap using a UV-Vis spectrometer at a wavelength range of 200 nm-700 nm. The energy band gap is obtained using the Swanepoel equation and the Touch Plot method. The results showed 3.9250 eV without doping gap energy and nitrogen doping can reduce energy band gap 3.8750 eV, 3.8375eV and 3.9125 eV, respectively. The smallest energy band gap was obtained at a concentration of 25% of 3.8375 eV.
Keywords: Coating TiO 2 /N 2 , transmittance, Band gap energy

## PENDAHULUAN
Semikonduktor  adalah  sebuah  material dengan  konduktivitas  yang  berada  diantara  isolator dan  konduktor.  Konduktivitas  memegang  peranan penting  pada  proses  transpor  elektron  atau hole di dalam  material.  Pada  semikonduktor  posisi  tingkat Fermi  bergantung  dari  jenis  bahan  tersebut. semikonduktor  tipe-n  (pembawa  mayoritas  muatan adalah  elektron)  posisi  tingkat  Fermi  berdekatan dengan  pita  konduksi  dan  semikonduktor  tipe-p (pembawa  mayoritas  muatan  adalah hole )  posisi tingkat Fermi berdekatan dengan pita valensi. Jarak antara pita konduksi dan pita valensi ini dinamakan band  gap  energy . Band  gap  energy merupakan  energi yang  diperlukan  suatu  elektron  untuk  dapat tereksitasi (Sutanto dan Wibowo, 2015).
Material  semikonduktor  yang  banyak menjadi  riset  pada  peneliti  dunia  adalah  TiO 2 . Beberapa tahun terakhir, film TiO 2 dipelajari secara ekstensif  karena  sifat  fotokatalitik  yang  menarik. Film tipis TiO 2 menemukan berbagai aplikasi dalam berbagai  bidang  seperti  photokatalisis,  gas  sensing, anti  reflektif  dan  lapisan  pelindung,  lapisan antibakteri  dan  optik,  film  dielektrik  untuk  efek
medan  generasi  baru  transistor,  dll  (Bedikyan  dkk, 2013).
TiO 2 memiliki band gap energi sekitar 3,2 – 3,9 eV, material ini juga memiliki indeks bias yang tinggi  (n  -2,4)  sehingga  membuat  TiO 2 dapat diaplikasikan  dalam  berbagai  hal  (Widaryanti,  dkk, 2013). Band gap energi yang cukup lebar dari TiO 2 tersebut  hanya mampu bekerja di rentang sinar UV, sehingga hanya sekitar 5% dari energi matahari yang dapat  dimanfaatkan,  agar  penggunaan  energi matahari dapat dimaksimalkan maka perlu dilakukan usaha  untuk  memperkecil  band  gap  energi  dari TiO2  dan  memperbesar  penyerapan  cahaya  Salah satunya dengan penambahan unsur lain atau disebut juga dengan doping . Doping merupakan  salahsatu  metode  yang digunakan  untuk  mengubah  sifat  dari  suatu  bahan. Umumnya doping yang digunakan untuk memperkecil  celah  pita  energi  yaitu  dengan menambahkan  unsur  logam.  Penambahan  unsur logam  ini  sangat  berbahaya  karena  peka  terhadap korosi  dan  mengandung  racun,  apabila  diproduksi dalam rentang wakrtu yang lama akan menyebabkan gangguan  kesehatan.  Maka  diperlukan doping yang
ramah  lingkungan  seperti  nitrogen.  Nitrogen merupakan doping yang  cukup  efektif  karena ukurannya  yang tidak jauh berbeda  dengan oksigen dan energi ionisasinya yang kecil . Selain itu nitrogen juga dapat menurunkan band gap energy TiO 2 . Penelitian  sebelumnya  telah  dilakukan  oleh Perez  dkk  (2013)  tentang  sintesis  TiO 2 /N 2 dan pengaruh konsentrasi nitrogen pada band gap energy . Sintesis  TiO 2 /N 2 terbukti  dapat  menurunkan band gap sebesar  2,51  eV  dengan doping sebesar  2  M nitrogen dengan panjang gelombang 494 λ . Teknik  yang  digunakan  pada  proses pendeposisian lapisan TiO 2 /N 2 di atas substrat kaca preparat  dengan  menggunakan doctor  blade. Teknik doctor  blade merupakan  pembuatan  lapisan  yang mengandalkan  pengolesan.  Teknik  ini  digunakan karena  prosesnya  yang  sederhana  dan  biaya  yang murah.  Penelitian  ini  dilakukan  dengan  pembuatan lapisan  TiO 2 tanpa  doping  dan  TiO 2 /N 2 dengan variasi konsentrasi 15%, 25% dan 35%. Doping ini diharapkan  mampu  memperkecil  celah  pita  energi TiO 2 .  Penurunan  celah  pita  energi  dapat  diketahui dengan  menggunakan  karakterisasi  UV-Vis. Berdasarkan  Pengujian  UV-Vis  diperoleh  nilai transmitasni  maksimum  dan  minimum,  data tersebut  kemudian  dioleh  dengan  persamaan Swanepoel dan metode Touch Plot untuk menentukan celah pita energi.

## METODE
Penelitian  ini  diawali  dengan  membersihkan substrat  kaca  dalam  larutan  deterjen  untuk menghilangkan  kotoran  berupa  minyak,  kabut  dan kotoran  lain  yang  menempel  pada  substrat. Kemudian  dibilas  hingga  bersih  dan  keringkan hingga  benar-benar  kering.  Selanjutnya  dibilas dengan larutan aseton, lalu keringkan kembali.
Larutan  nitrogen  dibuat  dengan  variasi  0%, 15%,  25%  dan  35%  dilarutkan  dengan  aquades menggunakan perbandingan % TiO 2 :urea.
Kemudian  dilakukan  pembuatan  koloid  TiO 2 /N 2 dengan  cara  melarutkan  pilivinil  alkohol  (PVA) kedalam aquades, kemudian diaduk dengan magnetik stirrer. Selama  pengadukan  gelas  ukur  ditutup dengan aluminium  foil. Hal  ini  dilakukan  untuk mengurangi penguapan saat pengadukan. Selanjutkan ditambahkan serbuk TiO 2 sebanyak 4 g, kemudian  diaduk  selama  2  jam  pada  suhu  80°C. Larutan  nitrogen  yang  telah  dibuat  sebelumnya dicampurkan kedalam larutan TiO 2 . Diaduk kembali dengan magnetik  stirrer selama  1  jam    dengan  suhu yang  sama.  Larutan  yang  telah  diaduk  dibiarkan selama 5 hari.
Pasta  TiO 2 tanpa doping dan  TiO 2 /N 2 dideposisikan  di  atas  kaca  preparat  dengan  teknik doctor  blade. Pasta  diteteskan  pada  kaca menggunakan  pipet  tetes  dan  diratakan  dengan batang  gelas  hingga  menutupi  seluruh  permukaan kaca  hingga  rata.  Kemudian  kaca  dipanaskan  pada suhu 150°C selama 30 menit untuk menghilangkan uap  air  pada  lapisan.  Kemudian  pemanasan dilakukan  selama  3  jam  pada  suhu  500°C.  Lapisan TiO 2 /N 2 yang  dihasilkan  kemudian  dikarakterisasi menggunakan ultraviolet visivel (UV-Vis).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Lapisan  TiO 2 /N 2 dapat  ditumbuhkan  pada substrat  kaca  menggunakan  teknik doctor  blade.
Lapisan  diperoleh  berwarna  putih  dan  tersebar merata  di  atas  substrat  kaca  dengan  suhu  kalsinasi 500°C  selama  3  jam.  Pengaruh doping nitrogen dapat  diketahui  dengan  karakterisasi  UV-Vis. Karakterisasi  dengan  UV-Vis  dilakukan  dengan memperoleh  nilai  transmitansi  dari  lapisan TiO 2 /N 2 .  Sampel  ditransmitansi  dengan  panjang gelombang  200-700  nm  dengan  rentang  100  nm. Kisaran  Uv  adalah  200-400  nm  sedangkan  visibel 400-700  nm.  Hasil  pengukuran  transmitansi TiO 2 /N 2 dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Data transmitansi lapisan TiO 2 /N 2
Panjang gelombang (nm) Transmitansi (%) Tanpa doping 15% 25% 35% 200 0,041 0,042 0,041 0,025 300 1,045 0,963 0,546 0,958 400 0,348 0,347 0,332 0,313 500 0,38 0,383 0,365 0,384 600 0,397 0,402 0,381 0,378 700 1,272 1,355 1,211 1,349
Mengetahui band gap energi dimulai dengan penentuan  nilai  transmitansi  maksimum  dan minimum,  ketebalan  lapisan  dan  koefisien  serap lapisan. Kemudian nilai band gap energi ditentukan
dengan  metode Touch  Plot dengan  penarikan  garis lurus antara koefisien serap (h υ ) dan koefisien serap terhadap  foton  ( α h υ 2 )  perhitungan  selengkapnya dapat dijelaskan sebagai berikut.
Panjang  gelombang  yang  digunakan  dari 200 nm – 700 nm dengan rentang  100 nm.  Nilai transmitansi  maksimum  (TiO 2 tanpa doping ) TM 1 = 1,045 dan TM 2 0,38  dan nilai transmitansi minimum Tm 1 = 0,348 dan 0,397 dengan panjang gelombang 1 λ 1 = 300 dan panjang gelombang 2 λ 2 =  500. Berdasarkan  Tabel  1  maka  grafik  antara panjang gelombang dan nilai transmitansi diperoleh dan dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Transmitansi UV-Vis
Berdasarkan Gambar 1 maka dapat diketahui nilai  transmitansi  maksimum  dan  minimum.  Nilai maksimum  untuk    TiO 2 tanpa doping dan  TiO 2 /N 2 15%, 25% dan 35% berada pada panjang gelombang 300  nm dan 500  nm. Sedangkan nilai transmitansi minimum  berada  pada  panjang  gelombang  400  dan 600  nm.  Perubahan  nilai  transmitansi  pada  TiO 2 tanpa doping dan  TiO 2 /N 2 15%,  dan  35%  tidak begitu jauh hanya saja transmitansi pada sampel 25% lebih  rendah  pada  rentang  200-400  nm.  Variasi perbandingan doping %  nitrogen  tidak  terlalu mempengaruhi  besarnya  pergeseran  daerah  sinar tampak.
Setiap  konsentrasi  TiO 2 tanpa doping dan TiO 2 /N 2 menghasilkan intensitas kurva transmitansi cahaya  yang  berbeda-beda.  kurva  transmitansi tersebut  menunjukkan  banyaknya  elektron  yang dihasilkan  dari  setiap  sampel.  Setiap  penyisipan nitrogen  yang  berbeda-beda  memiliki  perbedaan yang tidak linear terhadap nilai transmitansinya (Zen dkk.,  2016).  Perbedaan  nilai  transmitansi  ini menyebabkan band  gap  energy dari  sampel  juga berbeda.
Besarnya band  gap  energy diperoleh  dengan menggunakan persamaan Swanepoel dan metode Touc Plot . Nilai indeks bias  ( n ) dan ketebalan lapisan ( d ) ditentukan  dengan  menggunakan  persamaan Swanepoel (untuk sampel TiO 2 tanpa doping )
2 1 2 2 2 1 2 1 1 + + = s M M M M s n xT T T T n N (1)
357 , 6 2 1 51 , 1 397 , 0 045 , 1 397 , 0 045 , 1 51 , 1 2 2 1 = + + = x x N 2 1 2 2 1 2 1 2 1 + + = s M M M M s n xT T T T n N (2) 371 , 2 2 1 51 , 1 348 , 0 38 , 0 348 , 0 38 , 0 51 , 1 2 2 1 = + + = x x N Keterangan: n s adalah  indeks  bias  kaca  yaitu  1,51 dan n adalah indeks bias lapisan. Indeks bias lapisan n 1 dan  n 2 ditentukan  dengan  menggunakan persamaan 3 dan 4.
2 2 1 1 1 s n N N n + = (3) 541 , 3 51 , 1 357 , 6 357 , 6 2 2 1 = + = n 2 2 2 2 2 s n N N n + = (4) 049 , 2 51 , 1 7308 , 7 7308 , 7 2 2 2 = + = n
Hasil  perhitungan  indeks  bias  digunakan  untuk menghitung  ketebalan  lapisan  (d)  dengan menggunakan persamaan 5.
) ( 2 1 2 2 1 2 1 n n d = (5) m x x x x d 8 10 38 , 9 ) 8011 , 3 350 9131 , 3 650 ( 2 500 500 = = Setelah  diketahui  ketebalan  dari  lapisan TiO 2 /N 2 maka dapat diperoleh nilai koefisien serap ( α ) pada masing-masing panjang gelombang dengan menggunakan persamaan 6.
InT d
1 = (6)
Setelah  nilai  koefisien  serap  diketahui, kemudian  menentukan  h υ dengan  menggunakan persamaan 7.
c h h = (7)
Notasi h = 6,63x10 -34 J.s, c = 3 x 10 8 m/s, dan λ =  200  x  10 -9 m  –  700x10 -9 .  Sehingga diperoleh nilai seperti yang terlihat pada Tabel 2.
Tabel 2.  Nilai  energi  serap  lapisan  TiO 2
tanpa doping λ (nm) α (m -1 ) H υ x 10 -9 (J.s) h υ (eV) 200 -4,9E+07 9,95E-19 6,215625 300 678058,1 6,63E-19 4,14375 400 -1,6E+07 4,97E-19 3,107813 500 -1,5E+07 3,98E-19 2,48625 600 -1,4E+07 3,32E-19 2,071875 700 3706176 2,84E-19 1,775893 Penentuan band gap energi dengan metode
Touch Plot . Metode Touch Plot merupakan penarikan garis lurus antara perkalian energi serap (h υ ) dengan koefisien  yang  diserap  terhadap  foton  ( α h υ 2 ) sehingga diperoleh nilai band gap energi TiO 2 tanpa
doping .  Nilai α h υ 2 terhadap  panjang  gelombang dapat dilihat pada Tabel 3 dan penentuan band gap energi dengan metode Touch Plot dapat dilihat pada Gambar 2.
Tabel 3. Nilai α h υ 2 pada TiO 2 tanpa doping
λ (nm) Α h υ 2 (m -1 eV)2 200 9,35E+16 300 7,89E+12 400 2,55E+15 500 1,37E+15 600 8,69E+14 700 4,33E+13
Gambar 2. Penentuan band gap energi TiO 2 /N 2 (a) tanpa doping (b) 15% (c) 25% dan (d) 35%
Band gap energi pada lapisan TiO 2 /N 2 dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel  4. Band  gap  energy dengan  variasi doping N 2 Konsentrasi doping (%)
Band gap Energy (eV) Tanpa doping 3,9250 15 3,8750 25 3,8375 35 3,9125 Berdasarkan Tabel 4 diketahui nilai band gap energy TiO 2 tanpa doping sebesar  3,9250  eV. Penambahan doping nitrogen  dengan  variasi konsentrasi  15%,  25%  dan  35%  masing-masing sebesar  3,9250  eV,  3,8750  eV,  3,8375  eV  dan 3,9125  eV.  Maka  dapat  dikatakan  bahwa  variasi konsentrasi  berpengaruh  terhadap band  gap  energy yang dihasilkan. Ketakmurnian (pengotor) mengubah  karakteristik  semikonduktor  material- material  dengan  cara  memasukkan  elektron  yang berlebih atau lubang elektron yang berlebih (Vlack, 1989).  Nitrogen  adalah  unsur  golongan  V  yang
berfungsi  sebagai  donor  atau  pengotor.    Dengan demikian, hampir semua elektron donor akan masuk ke  pita  konduksi    pada  suhu  kamar.  Sehingga  jika presentase doping nitrogen meningkat, maka jumlah atom  donor  meningkat  pula.  Peningkatan doping pada  penelitian  ini  tidak  seiring  dengan  penurunan band gap energy yang dihasilkan.
Tidak  adanya  hubungan  linieritas  variasi doping nitrogen  terhadap band  gap  energy mungkin dikarenakan oleh tidak adanya korelasi linier antara banyaknya nitrogen dan kemampuan nitrogen untuk mensubstitusi  oksigen  pada  TiO 2 .  Menurut  Riyani dkk  (2015)  penurunan band  gap  energy yang  sedikit yaitu  sebesar  0,08  eV  pada  TiO 2 .  Kemungkinan besar  yang  terjadi  pada  lapisan  TiO 2 /N 2 adalah substitusi sebagian atom O pada TiO 2 oleh nitrogen dari urea. Terjadinya kenaikan nilai band gap energy pada konsentrasi 35% kemungkinan disebabkan oleh penambahan doping telah melebihi batas kemampuan maksimal penambahan doping nitrogen.
Berdasarkan data yang diperoleh, didapatkan band  gap  energy terkecil  pada  konsentrasi  TiO 2 /N 2 25%.  Hal  ini  dapat  dinyatakan  bahwa  konsentrasi doping nitrogen  yang  optimum  berada  pada  % tersebut yaitu sebesar 3,8375 eV. Penyempitan band gap energy pada doping ini mungkin disebabkan oleh pencampuran  orbital  N  2p  dengan  orbital  O  2p (Selvaraj dkk., 2013)
Band  gap  energy pada  TiO 2 dengan  struktur anatase yaitu sekitar 3,2 eV. Berdasarkan hasil yang diperoleh  sesuai  perhitungan  didapatkan band  gap energy pada  TiO 2 /N 2 0%  sebesar  3,9250  eV. Perbedaan  hasil band  gap  energy pada  literatur  dan percobaan  mungkin  disebabkan  oleh  keadaan  suhu furnace  yang  tidak  stabil  pada  saat  kalsinasi  dan hotplate yang  digunakan  tidak  sama  sehingga  laju putar  saat  pengadukan  juga  mempengaruhinya. Perbedaan nilai band gap energy dengan literatur juga didapatkan  oleh  Daniyati  dkk  (2015)  tentang penentuan  energi  band  gap  optik  film  TiO 2 menngunakan  metode Touch  Plot , yang  diperoleh sebesar  band  gap  energi  rata-rata  sebesar  3,77  eV. Meskipun nilai band gap energy yang diperoleh besar yaitu  sebesar  3,9250  tetapi  masih  dalam  rentang band gap energy pada semikonduktor TiO 2 .

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  dan  pembahasan  yang  telah dilakukan  maka  dapat  disimpulkan  bahwa  lapisan
TiO 2 /N 2 telah  berhasil  dibuat  dengan  teknik doctor blade pada suhu 500°C. Band gap energi pada TiO 2 sebesar    3,9250  eV  dapat  turun  hingga  3,8375  eV dengan menggunakan metode Touch Plot .

## DAFTAR PUSTAKA
Bedikyan, L., Zakhariev, S & Zakharieva, M. 2013. Titanium  Dioxide  Thin  Film:  Preparation and  Optical  Properties. Jurnal  of  chemical tecnology and metallurgy. 48, 6: 555-558.
Daniyati,  R.,  Zharvan,  V.,  Ichsan,  N.,  Pramono. Y.H  dan  Yudoyono.  G.  2015.  penentuan energi  celah  pita  optik  Film  TiO2 menggunakan  metode Tpuch  Plot . Prosiding seminar sains dan teknologi. 1-5
Perez,  E.,  Torres,  M.  F.,  Morales,  G.,  Murgia,  V and  Sham,  E.  2013.  Synthesis  of  N-TiO 2 Effect of the Concentration of Nitrogen in the Band Gap. Bolivia. 649-655.
Riyani,  K.,  Setyaningtyas  dan  D,  Dwiasih.  2015. Pengolahan  Limbah  Batik  Menggunakan Fotokatalis TiO 2 -Dopan-N dengan Bantuan Sinar Matahari. Fakultas Sains dan Teknik. Universitas  Jenderal  Soedirman.  Vol  2: 581-587
Selvaraj,  A.,  Parimiladevi,  R.  and  Rajesh,  K.B. 2013.  Synthesis  of  Nitrogen  Doped Titanium  Dioxide  (TiO2)  and  its Photocatalytic  Performance  for  the Degradation  of  Indigo  Carmine  Dye. J. Environ Nanotecnol. Vol:3, 35-41.
Sutanto,  H.  dan  S.  Wibowo.  2015. Semikonduktor Dan  Fotokatalis  Seng  Oksida  (Zno) dan Titania . Semarang.
Vlack,  L.H.V.  2004.  elemen-elemen  ilmu  dan rekayasa material, Edisi ke-6.
Erlangga:Jakarta
Widaryanti,  N.  Henyk.  2013.  Fabrication  and Characterization Nanoparticles and Film of TiO2. Surabaya: ITS.
Zen,  JF.,  Handayani,  IP  dan  Rosi,  M.  2016. Optimasi  pembuatan  sel  surya  TiO2 Teknik  Fisika,  Universitas    Telkom.  e- Proceeding  of  Engineering  Vol.  3:  2091- 209.