Pengaruh Doping Al Terhadap Band Gap Energy Lapisan Tipis ZnO
Listiorini 1 , Helga Dwi Fahyuan 1* dan Ngatijo 2
1 Program Studi Fisika , FST, Universitas Jambi, Jl. Jambi-Ma. Bulian KM 15 Mendalo Darat, Jambi 36361, Indonesia 2 Program Studi Kimia, FST, Universitas Jambi, Jl. Jambi-Ma. Bulian KM 15 Mendalo Darat, Jambi 36361, Indonesia *e-mail: helgadwifahyuan@unja.ac.id

## Abstrak
Telah dilakukan penelitian tentang pengaruh doping Al terhadap band gap energy lapisan tipis ZnO dengan variasi konsentrasi  Al  0%,  4%,  6%,  8%  dan  10%.  Lapisan  tipis  ZnO/Al  ditumbuhkan  di  atas  kaca  substrat  dengan menggunakan teknik spin coating . Lapisan tipis yang dihasilkan dikarakterisasi menggunakan alat UV-Vis untuk mengukur  nilai  transmitansi  lapisan  ZnO/Al  pada  rentang  panjang  gelombang  200-700  nm.  Selanjutnya dilakukan  perhitungan  nilai band  gap  energy menggunakan  persamaan Swanepoel dan  metode Touc  Plot dan diperoleh nilai band energy pada konsetrasi Al 0%, 4%, 6%, 8% dan 10% berturut adalah 3,94 eV, 3,25 eV, 3,24 eV,  3,22  eV  dan  3,84  eV.  Dari  hasil  yang  diperoleh,  nilai band  energy terkecil  pada  konsentrasi  ZnO/Al  8% yaitu sebesar 3,22 eV.
Kata kunci: Lapisan Tipis;  Doping; Band Gap Energy

## Abstract
[Title: The Effect of dopping Al on the Value of Band Gap Energy Thin Film of ZnO] A research has been conducted  on  the  effect  of  doping  Al  on  the  value  of  band  gap  energy  thin  film  ZnO  with  variation  of concentration Al 0%, 4%, 6%, 8% and 10%. A thin film ZnO/Al is grown on a glass substrate using a spin coating technique. The resulting thin film was characterized using a UV-Vis measure the ZnO/Al transmittance value in the wavelength range 200-700 nm. Then calculate the value of band gap energy using the Swanepoel and touc Plot and obtained value band gap energy at concentration 0%, 4%, 6%, 8% and 10%  successive is 3,94 eV, 3,25 eV, 3,24 eV, 3,22 eV dan 3,84 eV. Of the results obtained, the smallest band gap energy value at ZnO/Al 8% concentration of 3,22 eV.
Keyword: Thin Film; Dopping;  Band Gap Energy

## PENDAHULUAN
Seng  oksida  (ZnO)  adalah  semikonduktor dengan band  gap  energy yang  lebar  yakni  3,37  eV pada  suhu  kamar  (Ebru  dan  Tayyar,  2016). Kelebihan ZnO yaitu tidak mudah rusak dan mudah jenuh sehingga ZnO merupakan material yang cocok digunakan  untuk  penelitian  pada  suhu  tinggi, maupun  tegangan  listrik  yang  tinggi  (Williander, 2014). ZnO secara fisik berbentuk serbuk berwarna putih, tidak larut dalam air dan alkohol namun larut dalam  asam  seperti  asam  klorida.  Besar band  gap energy ZnO  tergantung  pada  ukuran  partikelnya dalam  orde  nanometer.  Pada  ukuran  besar,  ZnO memiliki band  gap  energy 3,37  eV  (Sutanto  dan Wibowo,  2015).  Nilai band  gap  energy ini  kurang sesuai  apabila  diaplikasikan  pada  cahaya  tampak. Oleh  karena  itu,  untuk  memaksimalkan  sifat  dari
ZnO  maka  perlu  dilakukan doping untuk menurunkan nilai band gap energy ZnO. Doping adalah  salah  satu  teknik  yang digunakan untuk menambahkan sejumlah kecil atom pengotor  ke  dalam  struktur  kristal  semikonduktor. Pada  penelitian  ini  digunakan  Aluminium  (Al) sebagai doping ZnO  dengan  variasi  konsentrasi  Al 0%,  4%,  6%,  8%  dan  10%.  Material  Al memiliki karakteristik sifat fisis yang menarik, sehingga banyak dilakukan  penelitian  pada  material  tersebut.  Sifat menarik  Al  yaitu  ion  Al 3+ mempunyai  jari-jari  yang lebih  kecil  dari  pada  ion  Zn 2+ sehingga  dapat menyisip  ke  dalam  kristal  ZnO  (Wahyuningsih, 2013).  Doping  Al  dapat  menurunkan  nilai bandgap energy ZnO, tujuan penurunan nilai bandgap energy ini adalah untuk menambah kinerja solar cell dilihat dari nilai efesiensinya. Semakin kecil band gap energy maka
akan  semakin  kecil  celah  pita  semikonduktor  ZnO sehingga  memudahkan  elektron  untuk  berpindah. Teknik  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  yaitu teknik spin coating . Kelebihan dari teknik spin coating yaitu  biayanya  murah,  komposisi  yang  homogen, tidak memerlukan ruang dengan tingkat kevakuman yang  tinggi,  ketebalan  lapisan  dapat  dikontrol  dan mikro strukturnya baik.

## METODOLOGI PENELITIAN

## Alat dan Bahan Penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian ini yaitu neraca  digital  berfungsi  untuk  menimbang  bahan yang  digunakan, hotplate digunakan  untuk memanaskan  larutan, magnetic  stirrer bertujuan  agar larutan  homogen,  peralatan  gelas,  oven  digunakan untuk  mengeringkan  lapisan, furnace untuk  kalsinasi lapisan tipis, alat spin coating dan UV-Vis digunakan untuk  untuk  melihat  sifat  optik  bahan.  Sementara bahan yang digunakan yaitu Serbuk Zinc oxide (ZnO) pro analysis kemurnian 99%, polivinil alkohol (PVA) Merck, akuades dan Aluminum Oksida (Al 2 O 3 ).

## Prosedur Kerja
Pembuatan Pasta ZnO/Al PVA sebanyak 2,5 g dilarutkan dalam 20 mL akuades  menggunakan magnetic  stirrer pada  suhu 200 o C  sampai  membentuk  suspensi.  Dimasukkan serbuk    ZnO  kedalam  suspensi  dipanas  pada  suhu 80 o C  selama  60  menit  hingga  membentuk  koloid. Pasta/koloid  didinginkan  hingga  mencapai  suhu ruang, dilarutkan serbuk Al (0%, 4%, 6%, 8% dan 10%)  dengan  1  mL  akuades  ditambahkan  ke  dalam pasta  dan  diaduk  selama  60  menit.  Pasta  disimpan dalam  botol  tertutup  dan  sebelum  digunakan  botol yang berisi pasta dikocok terlebih dahulu.

## Deposisi Lapisan ZnO/Al pada Kaca Substrat
Kaca  substrat  sebelum  ditetesi  koloid ZnO/Al dibersihkan menggunakan ultrasonic cleaner . Kaca  substrat  yang  sudah  dibersihkan  diletakkan  di atas  alat spin  coating .  Kemudian  koloid  ZnO/Al dengan  konsentrasi  0%,  4%,  6%,  8%  dan  10% diteteskan  di  atas  kaca  substrat,  substrat  diputar dengan kecepatan putar 1500 rpm. Substrat diambil secara perlahan lalu dipanaskan di atas hot palte pada suhu  150 o C  selama  45  menit  kemudian  dikalsinasi dengan  suhu  400 o C  selama  60  menit.  Sampel dikarakterisasi menggunakan UV-Vis untuk mendapatkan  nilai  transmitansi  minimum  dan maksimum  yang  digunakan  dalam  perhitungan band gap energy.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Lapisan Tipis ZnO/Al
Penelitian  ini  telah  dihasilkan  sampel  lapisan tipis ZnO/Al  dengan variasi doping Al 0%, 4%, 6%, 8%  dan  10%,    yang  ditumbuhkan  di  atas  kaca substrat menggunakan teknik spin coating . Penelitian ini mempelajari tentang sifat optik ( band gap energy ) lapisan tipis ZnO doping Al.
Sifat  optik  lapisan  tipis  ZnO/Al  (0%,  4%, 6%, 8% dan 10%) dilakukan pengukuran dengan alat spektrometer UV-Vis. Data yang dihasilkan dari alat UV-Vis  berupa  nilai  transmitansi,  kemudian dilakukan  perhitungan  dengan  menggunakan persamaan Swanepoel dan  metode Touc  Plot untuk mendapatkan nilai band gap energy ( Eg ).

## Hasil Karakterisasi UV-Vis lapisan ZnO/Al
Pengukuran  transmitansi  menggunakan  alat UV-Vis  dilakukan  pada  rentang  penjang  gelombang 200-700 nm, dimulai dari cahaya ultraviolet hingga cahaya tampak. Hasil pengukuran transmitansi optik dengan UV-Vis diperlihatkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Grafik hubungan transmitansi dengan panjang gelombang pada lapisan tipis ZnO/Al 0%,
4%, 6%, 8% dan 10%
Gambar  1  menunjukkan  adanya  perubahan transmitansi pada setiap variasi konsentrasi ZnO/Al (0%,  4%,  6%,  8%  dan  10%).  Lapisan  ZnO  tanpa doping memiliki  nilai  transmitansi  pada  daerah  sinar ultraviolet  hingga  tampak  yaitu  30%-120%. Sementara untuk lapisan ZnO/Al (4%, 6% dan 8%) mengalami penurunan nilai transmitansi dibandingkan  dengan  ZnO  tanpa doping yaitu  pada rentang  10%-30%  pada  daerah  sinar  ultraviolet
hingga tampak. Namun berbeda dengan konsentrasi ZnO/Al 10% nilai transmisi meningkat pada rentang 31%-129% pada daerah sinar ultraviolet hingga sinar tampak.  Perubahan  nilai  transmitansi  tersebut menunjukkan    adanya  serapan  optik  yang  berbeda pada  setiap  sampel,  sehingga  menyebabkan perbedaan nilai band gap energy pada setiap sampel.
Penentuan  Nilai Band  Gap  Energy Lapisan ZnO/Al
Perhitungan nilai band gap energy pada lapisan tipis  ZnO/Al  dengan  metode Touc  Plot dilakukan dengan  beberapa  tahap  perhitungan  sampai didapatkannya band  gap  energy .  Prosesnya  dimulai dengan  menentukan  nilai  transmitansi  maksimum ( T M ) dan  minimum (T m ), kemudian  nilai  tersebut digunakan untuk mencari indeks bias (persamaan 2) dan  ketebalan  kristal  lapis  tipis  (persamaan  3). Berikut  adalah  rumus  indeks  bias  dengan menggunakan  persamaan Swanepoel (persamaan  1) untuk sampel ZnO/Al 0% :
2 1 2 2 + + = s m M M s n T T Tm T n N (1) 2 1 51 . 1 344 . 0 905 . 0 344 . 0 905 . 0 51 . 1 2 2 1 + + × × × = N 802 . 7 2 = N 2 2 s n N N n + = (2) 741 . 3 51 . 1 802 . 7 802 . 7 2 2 1 = + = n 2 1 2 2 1 2 1 2 2 + + × × = s M m M s n Tm T T T n N 2 1 51 . 1 299 . 0 353 . 0 299 . 0 353 . 0 51 . 1 2 2 2 + + × × = N 185 . 3 2 = N 2 2 2 2 2 s n N N n + = 447 . 2 51 . 1 185 . 3 185 . 3 2 2 2 = + = n Notasi n s adalah  nilai  indeks  bias  kaca  (1.51) dan n adalah indeks bias lapis tipis. Hasil perhitungan nilai  indeks  bias  lapis  tipis  digunakan  untuk menghitung  nilai  tebal  lapis  tipis  menggunakan persamaan 3.
) ( 2 1 2 2 1 2 1 n n d = (3) ) 741 . 3 600 447 . 2 300 ( 2 600 300 × × × = d m d 8 10 959 . 5 × = Notasi d adalah ketebalan lapis tipis, 𝛌 1 adalah panjang  gelombang  pada  serapan  maksimum  ke-1 dan 𝛌 2 adalah  panjang  gelombang  pada  serapan maksimum  ke-2.  Hasil  perhitungan  ketebalan  lapis tipis  digunakan  untuk  menghitung  koefisien  serap lapis  tipis  masing-masing  panjang  gelombang menggunakan persamaan serap lapis tipis (persamaan 4).
InT d 1 = (4)
Berikut  adalah  nilai  koefisien  serap  ZnO/Al  0% pada Tabel 1
Tabel 1. Nilai koefisien serap ZnO/Al 0% Panjang gelombang (nm) α (m -1 ) 200 52417614 300 1675119 400 20260307 500 17907596 600 17474194 700 3101500.9
Hasil  perhitungan  penentuan  koefisien  serap lapis  tipis ( α ) bersama  dengan  nilai  energi  serap (foton)  lapisan  tipis  untuk  masing-masing  panjang gelombang  digunakan  untuk  membuat  grafik  sesuai dengan  persamaan  pada  metode Tauc  Plot. Berikut adalah  persamaan  untuk  nilai  energi  serap cahaya/foton (persamaan 5).
c h hv E = = (5)
Notasi h adalah konstanta plank
) . 10 63 , 6 ( 34 s J × , c adalah  kecepatan  cahaya
s m / 10 3 8 × , adalah  200  nm  s.d  700  nm
(Achmad,  2015).  Berikut  adalah  nilai  energi  serap
masing panjang gelombang lapisan tipis ZnO/Al 0% pada Tabel 2.
Tabel  2. Nilai  energi  serap  lapisan  tipis ZnO/Al 0% Panjang gelombang (nm) h (eV) 200 6.215625 300 4.14375 400 3.1078125 500 2.48625 600 2.071875 700 1.775892857
Nilai band  gap  energy yang  diperoleh  dengan menggunakan metode Touc Plot pada Gambar 2.
Gambar  2. Penentuan nilai band gap energy dengan metode Touc Plot terdiri atas (a) ZnO/Al 0%, (b) ZnO/Al 4%, (c) ZnO/Al 6%, (d) ZnO/Al 8% dan (e) ZnO/Al 10%
*untuk perhitungan nilai band gap energy lainnya menggunakan proses yang sama.
(a) (b) (c) (d)
Gambar  2  menunjukkan  grafik  hubungan antara  hasil  kali  koefiseien  serap  dengan  energi ( α h υ ) 2 terhadap  energi  yang  diserap/foton (h υ ) . Sumbu  X  menunjukkan  nilai  energi  yang diserap/foton (h υ ) sebagai variabel bebas. Sumbu Y menunjukkan  kali  koefiseien  serap  dengan  energi ( α h υ ) 2 sebagai  variabel  terikat.  Gambar  2  terilhat pada  panjang  gelombang  200  nm  terjadi  kenaikan nilai ( α h υ ) 2 yang signifikan, hal ini dipengaruhi oleh nilai  transmitansi.  Semakin  kecil  nilai  transmitansi maka  akan  semakin  besar  nilai ( α h υ ) 2 . Penarikan garis lurus antara hasil kali koefiseien serap dengan energi ( α h υ ) 2 terhadap  energi  yamg  diserap/foton (h υ ) dilakukan  dengan  menggunakan  metode Touc Plot. Metode Touc Plot merupakan metode penarikan garis lurus antara hasil kali koefiseien serap dengan energi ( α h υ ) 2 terhadap  energi  yang  diserap/foton (h υ ) .  Penarikan  garis  lurus  tersebut  dilakukan menggunakan software origin.  Berikut  adalah  nilai band gap energy sampel ZnO doping Al pada Tabel 3. Tabel  3. Band  gap  energy lapisan  tipis  ZnO doping Al
Lapisan tipis ZnO/Al band gap energy (eV) ZnO/Al 0% 3.94 ZnO/Al 4% 3.25 ZnO/Al 6% 3.24 ZnO/Al 8% 3.22 ZnO/Al 10% 3.84 Tabel  3  menunjukkan band  gap  energy ( Eg ) lapisan  tipis  ZnO  doping  Al  0%,  4%,  6%,  8%, 10%,  terlihat  pada  Tabel  bahwa  ZnO  tanpa doping memiliki  nilai Eg yang  cukup  besar  yaitu  3,94  eV. Berdasarkan  literatur band  gap  energy ZnO  murni sebesar 3,37 eV. Perbedaan Eg yang didapat dengan Eg menurut  literatur  diasumsikan  karena  suhu furnace saat  kalsinasi  tidak  konstan  sehingga berpengaruh  pada  hasil  yang  diperoleh.  Perbedaan nilai band gap energy dengan literatur juga didapatkan oleh  Akhtar  dkk.,  (2015)  yang  memperoleh band gap energy sebesar 3,51 eV. Terjadi penurunan nilai
Eg pada  konsentrasi  4%,  6%,  8%  yaitu  berturut- turut  sebesar  3,25  eV,  3,24  eV,  3.22  eV  dan ZnO/Al  10%  nilai band  gap  energy naik  menjadi 3,84 eV. Berdasarkan data yang diperoleh, doping Al mampu  menurunkan  nilai band  gap  energy ZnO, namun penurunan band gap energy tidak linear, hanya sampai batas ZnO/Al 8%. Terjadinya kenaikan nilai Eg pada  sampel  ZnO/Al  10%  disebabkan  kerena penambahan doping telah melewati batas maksimum suatu  bahan  .  Hal  ini  juga  terjadi  pada  penelitian Ghomrani  dkk.,  (2015)  melakukan  ZnO doping Al dengan  konsentrasi  Al  0.5%,  2%,  3%,  dan  6%.
Hasil yang didapatkan ZnO doping Al 0.5% dan 2% mengalami  penurunan band  gap  energy ,  sementara mengalami  kenaikan band  gap  energy pada konsentrasi  ZnO doping Al  3%,  terjadi  penurunan nilai band gap energy kembali ZnO doping Al 6%. Menurut    Durri  dan  Sutanto  (2015)  ZnO doping Al  pada  konsentrasi  yang  lebih  tinggi  (10%) terjadi  peningkatan  nilai band  gap  energy. Hal  ini terjadi  karena  penambahan doping Al  pada  lapisan tipis  ZnO  mempengaruhi  pergeseran  pada  panjang gelombang  pendek  (peristiwa blue  shift ).  Peristiwa ini  sebagian  besar  dianggap  berasal  dari  efek Burstein-Moss,  yaitu  meningkatnya  nilai band  gap energy pada  konsentrasi  yang  lebih  tinggi  .  Terlihat pada  Tabel  3  bahwa  nilai Eg terkecil  terdapat  pada sampel  ZnO/Al  8%  yaitu  3.22  eV.  Hal  ini  terjadi karena  adanya  kelebihan  elektron  sehingga memberikan level energi baru dimana elektron akan mudah  tereksitasi  dari  pita  valensi  ke  konduksi. Sementara  Al  dengan  konsentrasi  tinggi (>10%)  akan  menghasilkan  struktur kristal  dua  phase  yaitu  ZnO  hexagonal dan Al rhombohedral.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  penelitian  yang  telah  dilakukan dapat  diambil  kesimpulan  bahwa doping Al  mampu menurunkan nilai band gap energy . Lapisan tipis yang ditumbuhkan di atas kaca substrat dengan teknik spin coating mampu  menurunkan  nilai band  gap  energy hingga 3,22 eV pada konsentrasi ZnO/Al 8%.

## SARAN
Berdasarkan  penelitian  yang  telah  dilakukan, saran untuk penelitian selanjutnya yaitu; diperlukan variasi suhu kalsinasi sampel ZnO/Al dan variasi Al dengan konsentrasi rendah dibawah 10%.

## DAFTAR PUSTAKA
Achmad,  S.  A.,  2015.  Sintesis  dan  Karakterisasi Film  Tipis  TiO 2 sebagai  Pendegradasi Pewarna  Tekstil Procion  Red MX-8B. Jurnal Ilmu Dasar . 17(2):65-72
Akhtar,  M.  J.,  Alhadlaq,  H.  A.,  Alshamsan,  A., Khan,  M.  M.  A.,  dan  Ahamed,  M.,  2015. Aluminum  doping  tunes  band  gap  energy level  as  well  as  oxidative  stress-mediated cytotoxicity of ZnO nanoparticles in MCF-7 cells. Scientific Report. 1-16
Durri, S., dan Sutanto, H., 2015. Karakterisasi Sifat Optik  Lapisan  Tipis  ZnO  Doping  Al  yang Dideposisi di Atas Kaca dengan Metode Sol- Gel  Teknik  Spray-Coating. Jurnal  Fisika Indonesia . 119(55):38-40
Ebru,  G  dan  Tayyar,  G.  2016.  Influence  of Aluminum Concentration on the Electrical and Optical Properties of ZnO Thin Films. Jurnal of the  Turkish  chemical  society. No.  3(3)  :  453- 462
Ghomrani,  F.  Z.,  Aissat,  A.,  dan  Benkouder,  A., 2015. Al Concentration Effect on ZnO Based Thin  Films  for  Photovoltaic  Applications. Energy Procedia . No. 74: 491-498 Sutanto,  H.,  dan  Wibowo,  S.,  2015. Semikonduktor  Fotokatalis  Seng  Oksida  dan Titatia , UPT UNDIP Press : Semarang
Wahyuningsih,  K.,  Marwoto,  P.,  dan  Sulhadi. 2013.  Konduktivitas  dan  Transmitansi  Film Tipis Zinc  Oxide yang  Dideposisikan  pada Temperatur  Ruang. Unnes  physics  journal. 2(1):37-43
Williander,  A.,  2014.  Karakterisasi  Nanokristalin ZnO  Hasil  Presipitasi  dengan  Perlakuan Pengeringan,  Anil  dan  Pasca-Hidrithermal. Tesis .    Jurusan  Teknik  Metalurgi  dan Material, Universitas Indonesia, Depok