## Analisis Mobilitas Pembawa Muatan Lapisan Tipis Klorofil Spirulina sp Hasil Deposisi Spin Coating

## Muhamad Mustain, Defi Sulistyana, Utari dan Budi Purnama
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret, Surakarta muh_mustain@yahoo.com
Received 23-02-2013, Revised 17-05-2013, Accepted 08-06-2013, Published 30-04-2014

## ABSTRACT
Analysis of  carrier  charge  mobility  of Spirulina sp thin  films produced by  spin  coating have been  conducted.  Measurement  of  carrier  charge  mobility  has  been  done  by I - V method. Mobility of carrier charge decreased with an increased of the layer number. It indicates that a threshold value of carrier charge of population number over flow on conduction band.
Keywords : Spirulina sp, spin coating, mobility

## ABSTRAK
Analisis mobilitas pembawa muatan lapisan tipis Spirulina sp hasil deposisi spin coating telah berhasil  dilakukan.  Pengukuran  mobilitas  pembawa  muatan  dilakukan  dengan  metode I - V . Mobilitas pembawa muatan menurun dengan kenaikan jumlah perulangan lapisan tipis. Hal ini menegaskan  keberadaan  ambang  batas  jumlah  populasi  pembawa  muatan  mengalir  pada kanal/pita konduksi.
Kata kunci : Spirulina sp, spin coating , mobilitas

## PENDAHULUAN
Sejak  diketahui  potensi  aplikasi  bahan  semikonduktor  organik  di  bidang  elektronika, mekanisme transport mobilitas pembawa muatan adalah salah satu bidang kajian  yang banyak menjadi perhatian para peneliti [1,2,3] . Saat ini, salah satu pemanfaatan fenomena transport di bidang elektronika adalah Organic Light Emitting Diode (OLED) [4] . Banyak ragam  metode  penentuan  mobilitas  pembawa  muatan  seperti  metode time-of-flight (TOF),  metode xerographic  discharge ,  metode equilibrium  charge  carrier  extraction , metode current  drift ,  metode space-charge-limited-current (SCLC),  metode conductivity/  concentration (s/n),  metode field  effect  transistor (FET),  dan  metode surface acousto-electric traveling wave (SAW) [5,6] .
Pada makalah ini akan ditentukan mobilitas pembawa muatan lapisan tipis Spirulina sp hasil  deposisi  spin  coating.  Metode current  drift (I-V) dipilih  untuk  penentuan  nilai mobilitas  ini  mengingat  kemudahan  dan  tingkat  realisasinya  lebih  tinggi.  Akhirnya ketergantungan nilai mobilitas dengan jumlah perulangan lapisan tipis akan diklarifikasi.
Gambar 1. ( color online ) (a) Skematik substrat print circuit board (PCB) dan (b) diagram skematik pengukuran mobilitas dengan metode I - V

## METODE
Transport elektronika dideskripsikan sebagai induksi medan listrik yang mengakibatkan pembawa  muatan  bergerak  dengan  kecepatan v dan  ber-superposisi  dengan  kecepatan akibat rerata hamburan dan panas yang dinyatakan sebagai rapat arus j
(1)
dengan  e  adalah  muatan  elektron,  n  adalah  rapat  pembawa  muatan  lokal.  Hubungan antara dan medan listrik E merefleksikan hukum Ohm yang dinyatakan (2)
dengan  adalah mobilitas pembawa muatan yang merupakan besaran transport intrinsik dari bahan semikonduktor tertentu. Substitusi persamaan (2) ke persamaan (1) diperoleh persamaan
(3)
Dari persamaan (3) maka mobilitas pembawa muatan dapat ditentukan.
Prosedur  eksperimen,  diawali  dengan  isolasi dye klorofil Spirulina  sp dari  serbuk Spirulina sp . Mula-mula dilakukan ekstraksi, yaitu serbuk Spirulina sp dicampur aceton dengan  perbandingan  1  :  5.  Kemudian  dilakukan  proses  evaporasi  untuk  memisahkan campuran  larutan  ekstraksi  dengan  pelarutnya.  Prosedur  selanjutnya  adalah kromatografi  dengan  N-Heksan.  Silika  gel  digunakan  untuk  mempercepat  laju pemisahan dye klorofil Spirulina  sp .  Kemudian  sampel  diklarifikasi  tipikal serapan/absorbansi  dengan  menggunakan  Spektrometer  Uv-Vis.  Tahapan  berikutnya adalah  penumbuhan  lapisan  tipis.    Untuk  keperluan  pengujian  serapan,  lapisan  tipis dideposisi  pada  substrat  kaca.  Sedangkan    untuk  kepentingan  pengukuran  mobilitas, lapisan  tipis  ditumbuhkan  pada  substrat  PCB  berpola  elektrode.    Kecepatan  putar deposisi  keseluruhan  sampel  adalah ω =  2500  rpm.  Proses heating setelah  deposisi dilakukan  pada  suhu  60  C  selama  60  detik.  Modifikasi  sampel  dilakukan  dengan memvariasi  jumlah  lapisan  yaitu  3,  5,  7,  dan  9  lapis.  Tahapan  terakhir  adalah karakterisasi  sampel.  Karakteristik  absorbansi  lapisan  tipis  diukur  dengan  uv-vis. Sedangkan, ketebalan dihitung dengan metode graviti. Akhirnya, pengukuran mobilitas menggunakan metode I - V berbasis persamaan (3) pada suhu ruang.
Gambar 1. (a) menunjukkan ukuran skematik substrat printed circuit board (PCB) ber- elektroda Cu sebagai tempat menumbuhkan lapisan tipis klorofil. Dimensi panjang dan
(b) (a)
lebar PCB keseluruhan 15000 dan 10000 , jarak antar celahnya 250 dengan tebal  80 dan  tebal  elektrodanya  35 .    Sedangkan  Gambar  1b  adalah  diagram skematik pengukuran mobilitas pembawa muatan dengan metode I - V .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 2. (a) memperlihatkan tipikal kurva absorbansi lapisan tipis Spirulina sp untuk N = 5 lapis dan N = 7 lapis. Teramati dengan jelas bahwa jumlah lapisan meningkatkan absorbansi sampel. Nilai absorbansi pada  = 675 nm untuk N = 5 adalah 0,014 dan N = 7  adalah  0,032.  Tinggi  puncak  kurva  serapan  uv-vis  mengindikasikan  konsentrasi klorofil sebagai pembawa muatan pada lapisan tipis yang terbentuk [7] dan dapat dihitung dengan persamaan (4).
mg/L (4)
Dengan mengetahui massa relatif molekul chlorophyll a , maka nilai kerapatan pembawa muatan  dapat  dihitung  seperti  ditunjukkan  Gambar  2b.  Teramati  dengan  jelas  bahwa kenaikan  jumlah  perulangan  lapisan  tipis  akan  meningkatkan  konsentrasi  pembawa muatan (dalam hal ini klorofil) terdeposisi.
Berdasar  persamaan  (3),  rapat  arus J = I / A dengan I adalah  arus  yang  mengalir  pada sampel dan A adalah luas tampang lintang. Sedangkan medan listrik E = V / d dengan V adalah tegangan antara dua elektrode dan d adalah jarak antara dua elektrode. Dengan asumsi fenomena transport dibawah pengaruh medan listrik E mengikuti hukum Ohm, maka  hasil  pengukuran  dapat  diplotkan I sebagai  fungsi V dan  konstanta  mobilitas  dapat  ditentukan  dari  nilai  gradient/kemiringan  kurva.  Tipikal  kurva I - V lapisan  tipis Spirulina Sp ditunjukkan pada Gambar 3. Dari Gambar dapat diamati bahwa perbedaan jumlah lapisan menentukan kemiringan kurva yang dibentuk.
Gambar 2. (a) ( color online )  Grafik absorbansi lapisan tipis klorofil Spirulina sp dengan 2 variasi jumlah lapisan dan (b) perhitungan populasi pembawa muatan berdasar kurva serapan. 400 500 600 700 800 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Panjang Gelombang λ (nm) A bso rb an si (a bs )
5 lapis 7 lapis (a) 3 4 5 6 7 0.3 0.4 0.5 a*x+b a=6.60000005e-02 b=3.56666640e-02 3.58267436e-02 |r|=9.48944752e-01
0 2 4 6 8 10 1 2 3 4 n ( × 10 14 cm -3 ) Jumlah Lapisan, N
a*x+b a=4.32500759e-01 b=2.27495138e-01 2.02082904e-01 |r|=9.78858279e-01 (b) 0 2 4 6 8 2.5 3 3.5 4 a*x+b a=1.62500008e-01 b=2.37249995e+00 9.19238816e-02 |r|=9.44911187e-01 Jumlah Lapisan, N Sl op e
2 4 6 8 100 200 300 400 a*x+b a=-4.36388561e+01 b=4.78793675e+02 2.21230546e+01 |r|=9.75249555e-01 Jumlah Lapisan, N M ob ili ta s (c m 2 /V .s )
Dari  nilai  gradien  yang  diperoleh  pada  analisis  sebelumnya,  dengan  asumsi  tidak membedakan  mobilitas  pembawa  muatan  positif  dan  negatif,  maka  mobilitas  rerata dapat  dihitung  seperti  ditunjukkan  Gambar  4.    Dari  Gambar  menunjukkan  bahwa  menurun  dengan  kenaikan  jumlah  lapisan.    Peningkatan  jumlah  lapisan  dari  N  =  3 menjadi N = 9 menurunkan nilai  hingga ~ .  Seperti telah diketahui bahwa, nilai  dipengaruhi  oleh  masa  efektif  pembawa  muatan  dan    suhu.    Dengan  asumsi  massa efektif  pembawa  muatan  tidak  berubah  dengan  kenaikan  jumlah  lapisan  (N),  maka peningkatan  N  akan  menambah  populasi  pembawa  muatan  ( n ).    Jika  arus  hanyut diasumsikan  mengalir  pada  pita  konduksi,  maka  peningkatan  populasi  akan menyebabkan  mobilitas  pembawa  muatan  menurun.    Hal  ini  juga  menunjukkan keberadaan  ambang  batas  jumlah  populasi  pembawa  muatan  mengalir  pada  kanal/pita ini.  Nilai  yang  diperoleh  pada  penelitian  ini  se-orde  dengan  mobilitas  pembawa muatan yang telah dipublikasikan [8,9,10] .
Gambar 3 (a) Grafik I - V lapisan tipis klorofil Spirulina sp untuk N = 5 lapis dan (b) N = 9 lapis.  Garis tegas adalah tren grafik garis lurus.
0 1 2 3 4 5 Tegangan V (mV) A rus I (nA ) N=9 Lapis a*x+b a=3.90285714e-13 b=1.10000000e-10 1.14785811e-11 |r|=9.95315003e-01
(b) 0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 5 N= 5 LAPIS T= 60 o a*x+b a=3.25054546e-13 b=2.43632034e-11 1.24883133e-11 |r|=9.92044872e-01 A rus I (nA ) Tegangan V (mV) (a) 0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 5 Tegangan V (mV) Aru s I (nA) N=9 Lapis a*x+b a=3.90285714e-13 b=1.10000000e-10 1.14785811e-11 |r|=9.95315003e-01
T=60 o (b) 0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 5 N= 5 LAPIS T= 60 o a*x+b a=3.25054546e-13 b=2.43632034e-11 1.24883133e-11
|r|=9.92044872e-01
Aru s I (nA) Tegangan V (mV) (a) Gambar 4 Grafik mobilitas  pembawa muatan sebagai fungsi jumlah lapis N
3 4 5 6 7 0.3 0.4 0.5 a*x+b a=6.60000005e-02 b=3.56666640e-02
3.58267436e-02
|r|=9.48944752e-01
0 2 4 6 8 10 1 2 3 4 n ( × 10 14 cm -3 ) Jumlah Lapisan, N a*x+b a=4.32500759e-01 b=2.27495138e-01
2.02082904e-01 |r|=9.78858279e-01 (b) 0 2 4 6 8 2.5 3 3.5 4 a*x+b a=1.62500008e-01 b=2.37249995e+00 9.19238816e-02 |r|=9.44911187e-01 Jumlah Lapisan, N Sl op e 0 2 4 6 8 10 0 1 2
3
a*x+b a=-4.36388561e+01 b=4.78793675e+02 2.21230546e+01 |r|=9.75249555e-01 Jumlah Lapisan, N M ob ili ta s μ ( × 10 -4 cm 2 /V .s )

## KESIMPULAN
Analisis mobilitas pembawa muatan lapisan tipis Spirulina sp dengan metode I - V telah dilakukan.  Hasil  yang  diperoleh  mennunjukkan  bahwa  mobilitas  pembawa  muatan menurun  dengan  kenaikan  jumlah  perulangan  lapisan  tipis.  Hal  ini  menegaskan keberadaan  ambang  batas  jumlah  populasi  pembawa  muatan  mengalir  pada  kanal/pita konduksi.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Podzorov,  V.,  Menard,  E.,  Borissov,  A.,  Kiryukhin,  V.,  Rogers,  J.A.,  dan Gershenson,  M.E.  2004.  Intrinsic  Charge  Transport  on  the  Surface  of  Organic Semiconductor, Physics Review Lett er, Vol. 93, No. 8, 086602.
2. Bässler, H. dan Köhler, A. 2012. Charge Transport in Organic Semiconductors. Top Curr.Chem , Vol. 312. Hal. 1-66.
3. Coropceanu,V., Cornil, J., Demetrio A., Filho, S., Olivier, Y., Silbey, R. dan Brédas, J. 2000. Charge Transport in Organic Semiconductors. Chemical Review, Vol. 107. Hal. 926-952.
4. Chen,  P.,  Lei,  Y.  L.,  Liu.R.,  Zang,  Q.M.,  Zhang,  Y.  dan  Xiong,  Z.H.  2010. Influence  of  DCM  Dye  Doping  on  The  Magnetic  Field  Dependent Electroluminescence  in  Organic  Light  Emitting  Diodes. Science  China  Physics, Mechanics and Astronomy, Vol. 53, No. 1. Hal. 24-29.
5. Karl,  N.  2003.  Charge  Carrier  Transport  in  Organic  Semiconductors. Synthetic Metals , Vol. 133–134.  Hal. 649–657.
6. Tiwari, S. dan Greenham,  N.C. 2009. Charge  Mobility Measurement  Ttechniques in Organic Semiconductors. Opt. Quant. Electron , Vol. 41, No. 2, Hal. 69–89.
7. Porra,  R.J.,  Thompson,  W.A.  dan  Kriedemann,  P.E.  1989.  Determination  of Accurate  Extinction  Coefficients  and  Simultaneous  Equations  for  Assaying Chlorophylls a  and b  Extracted  with  Four  Different  Solvents:  Verification of The Concentration  of  Chlorophyll  Standards  by  Atomic  Absorption  Spectroscopy. Biochimica et Biophysica Acta , Vol. 975, Hal. 384-394
8. Kwok,  H.L.  2003.  Carrier  Mobility  in  Organic  Semiconductor  Thin  Films. Rev. Adv.Mater. Sci .,Vol 5, Hal. 62-66.
9. Kim, J.Y., Chung, I.J., Lee, C., Kim, Y.C., Kim, J.K. dan Yu, J.W. 2005. Mobility of Electrons and Holes in an n-Type Organic Semiconductor Perylene Diimide Thin Film, Current Applied Physics, Vol. 5, Hal. 615–618.
10. Wang,  Z.B.,  Helander,  M.G.,  Greiner,  M.T.,  Qiu,  J.  dan  Lub,  Z.H.  2010.  Carrier Mobility  of  Organic  Semiconductors  Based  on  Current-Voltage  Characteristics. Journal of Applied Physics , Vol. 107, 034506.