Penumbuhan Film CdO dengan Metode Chemical Bath Deposition (CBD) (Akhiruddin Maddu)
Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007

## PENUMBUHAN FILM CdO DENGAN METODE CHEMICAL BATH DEPOSITION ( CBD )
Akhiruddin Maddu, Johan D. Sirait, Setyanto Tri Wahyudi dan Mahfuddin Zuhri Departemen Fisika FMIPA - IPB Kampus IPB Darmaga, Bogor 16680 e-mail: akhirmaddu@ipb.ac.id

## ABSTRAK
PENUMBUHAN FILM CdO DENGAN METODE CHEMICAL BATH DEPOSITION ( CBD ) . Film CdO ditumbuhkan pada substrat kaca dalam dua tahap, yaitu deposisi dengan metode Chemical Bath Deposition ( CBD ) dan dilanjutkan dengan pemanasan pada 250 o C dan 400 o C. Morfologi film CdO memperlihatkan bentuk bongkahan berukuran sekitar 1  m, sedangkan ketebalan film sekitar 1  m berdasarkan hasil SEM . Hasil analisis XRD memperlihatkan bahwa fasa kristal mengalami transformasi akibat pemanasan. Film yang dipanaskan pada 250 o C didominasi oleh fasa CdCO 3 dan pemanasan lanjutan pada 400 o C berubah fasa CdCO 3 menjadi fasa CdO. Fasa kristal CdO memiliki struktur FCC dengan nilai parameter kisi yang diperoleh sebesar 4,70 Å. Nilai celah pita energi (E g ) ditentukan berdasarkan spektrum transmisi film CdO, diperoleh nilai E g sebesar 2,1 eV untuk kedua film.
Kata kunci : Film CdO, Metode CBD , Fasa Cd(OH) 2 , Fasa CdCO 3

## ABSTRACT
GROWTH OF CdO FILMS BY CHEMICAL BATH DEPOSITION (CBD). CdO films were grown onto glass substrates in two steps, deposition by chemical bath deposition and then heated at 250 o C and 400 o C. Morphology of CdO films show granular form in a size of 1  m, whereas the film thickness of 1  m as obtained from SEM result. Results of XRD analysis show that the films undergo transformation of its crystal phase due to heat treatment. The film heated at 250 o C was dominated by CdCO 3 phase and further heating at 400 o C changed CdCO 3 phase into CdO phase. Crystal phase of CdO films have FCC structure with lattice parameter obtained is 4,70 Å. Energy bandgap (E g ) was determined from its the transmission spectrum of the CdO film, their E g values obtained is 2,1 eV for both films.
Key words : CdO film, CBD method, Cd(OH) 2 phase, CdCO 3 phase

## PENDAHULUAN
Cadmium oksida (CdO), seperti halnya ZnO, SnO 2 dan In 2 O 3 , dalam bentuk film tipis banyak dimanfaatkan sebagai bahan elektronik, khususnya sebagai lapisan elektroda transparan karena memiliki konduktivitas dan transparansi yang tinggi dalam daerah cahaya tampak dan spektrum inframerah dekat [1]. Film tipis konduktif transparan berbasis oksida logam ( TCO ) sangat penting dalam bidang mikroelektronik dan nanoelektronik, terutama untuk piranti-piranti optoelektronika seperti sel surya dan LED [2]. CdO merupakan salah satu dari oksida-oksida konduktif transparan ( TCO ) karena memiliki celah pita menengah dan konduktivitas listrik tinggi [2].
Bahan CdO juga banyak digunakan pada sistem sel surya, diantaranya persambungan CdO/Si [3,4], CdO/Cu 2 O [5], n-CdO/CdTe [6] dan sistem sel surya tersensitisasi dye [7]. CdO memilki struktur kristal kubik,
yang terdiri dari dua kisi Face Centered Cubic ( FCC ), dimana satu kisi ditempati oleh ion Cd + dan kisi yang lainnya ditempati oleh ion O - . Bahan CdO merupakan semikonduktor tipe- n dan memiliki celah pita energi langsung 1,98 eV serta pita tak langsung 2,32 eV [8], yang dapat dimanfaatkan sebagai window layer pada piranti sel surya persambungan p-n [9].
Film tipis CdO dapat ditumbuhkan dengan berbagai teknik deposisi fisika maupun kimia, seperti teknik sputtering RF [2], spray pyrolysis [1,10], sol gel [11,12], evaporasi termal DC [9,13], Chemical Bath Deposition [8,14,15], teknik Langmuir-Blodgett [16] dan teknik Self-Assembly [17]. Metode-metode ini memiliki kelebihan dan kekurangan. Metode Chemical Bath Deposition ( CBD ) sangat sederhana dan relatif murah dibandingkan metode deposisi fisika.
Metode CBD didasarkan pada proses reduksi kimia dimana elektron yang diperlukan dalam reaksi akan disediakan oleh senyawa yang berfungsi sebagai pereduksi dalam larutan. Film hasil deposisi menempel pada permukaan substrat yang dicelupkan dalam larutan. Hasil deposisi itu sendiri akan terus mengkatalisasi reaksi reduksi, sehingga proses deposisi menjadi autokatalisis. Keunikan serta keistimewaan metode CBD menjadikan metode ini mampu menghasilkan lapisan hasil deposisi yang relatif tebal. Deposisi akan berhenti ketika terjadi kesetimbangan antara lapisan pada substrat dan larutan.
Penumbuhan film CdO dengan metode CBD hanya menggunakan larutan garam cadmium seperti CdCl 2 dan larutan reduktor seperti larutan amonia (NH 4 OH). Reaksi kimia dari pencampuran kedua larutan tersebut membentuk Cd(OH) 2 , yaitu [14]
Cd 2+ + 2OH - Cd(OH) 2 ................. (1)
Cd 2+ berasal dari CdCl 2 yang ada dalam larutan dan ion OH - berasal dari disasosiasi NH 4 OH. Lapisan Cd(OH) 2 terbentuk pada permukaan substrat yang diletakkan (biasanya diletakkan vertikal pada dinding wadah reaksi) di dalam larutan deposisi. Lapisan Cd(OH) 2 selanjutnya dipanaskan pada suhu tertentu (sekitar  300 o C) untuk membentuk film CdO melalui reaksi oksidasi termal [14].
pemanasan Cd(OH) 2
CdO + H 2 O ................... (2)
Tujuan penelitian ini adalah menumbuhkan film CdO melalui dua tahap, mula-mula dilakukan deposisi dengan metode CBD pada substrat kaca yang diikuti dengan proses pemanasan. Variasi suhu pemanasan pada film CdO berpengaruh terhadap fasa kristal, struktur mikro dan sifat optik film CdO. Dalam penelitian ini digunakan larutan CdCl 2 sebagai sumber ion cadmium, berbeda dengan yang dilakukan oleh peneliti sebelumnya yang menggunakan larutan cadmium acetate [14] serta peneliti lainnya yang menggunakan larutan cadmium nitrate [4, 15].

## METODE PERCOBAAN
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah CdCl 2 , NH 4 OH 25 %, dan etanol. Peralatan yang digunakan antara lain substrat kaca preparat, gelas piala, gelas ukur, furnace , magnetic stirrer hot plate, termometer, Ultrasonic Cleaner dan Spektrofotometer UV-ViS .
Film CdO ditumbuhkan pada substrat kaca preparat dengan metode Chemical Bath Deposition ( CBD ). Larutan 1M CdCl 2 sebanyak 3 mL dimasukkan kedalam gelas piala 100 mL dan dicampur dengan 4 mL larutan NH 4 OH, kemudian ditambahkan air destilasi sampai volumenya tepat 50 mL. Substrat kaca terlebih dahulu dibersihkan dengan ultrasonic cleaner yang berisi etanol selama 1 jam, kemudian dibilas dengan air
destilasi lalu dikeringkan di udara. Substrat diletakkan secara vertikal pada dinding sebelah dalam wadah larutan deposisi (Gambar 1). Larutan dipanaskan pada 50 o C sambil diaduk dengan pengaduk magnetik selama 18 jam. Setelah deposisi, substrat segera dibilas dengan air destilasi dan dikeringkan, kemudian di panaskan dalam furnace .
Film yang dihasilkan dikarakterisasi dengan XRD untuk mengetahui struktur kristal dan foto SEM untuk mengetahui morfologinya. Sifat optik film diuji dengan spektroskopi UV-Vis untuk mengetahui spektrum transmisi, selanjutnya ditentukan nilai celah pita energinya berdasarkan karakteristik spektrum transmisi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik kristal film CdO dianalisis dengan difraksi sinar-X ( XRD ). Dua buah sampel dikarakterisasi XRD , masing-masing dipanaskan pada 250 0 C (film CdO-250) dan 400 0 C (film CdO-400) selama dua jam. Sampel film CdO dipindai pada rentang sudut 2θ=20 0 hingga 80 0 dengan sumber tegangan 30 kV dan arus 20 mA. XRD menggunakan sumber CuKα dengan panjang gelombang sinar-X adalah 0,154 nm. Hasil XRD film CdO-250 diperlihatkan pada Gambar 2(a), sedangkan film CdO-400 ditunjukkan pada Gambar 2(b). Pola XRD berbeda untuk kedua sampel akibat perubahan fasa dengan pemanasan berbeda.
Film hasil CBD diyakini sebagai film Cd(OH) 2 , seperti yang dilaporkan oleh peneliti sebelumnya [8, 14]. Pemanasan pada 250 0 C selama 2 jam tidak langsung mentransformasikan film Cd(OH) 2 sepenuhnya menjadi fasa CdO, namun melewati fasa transisi CdCO 3 seperti ditunjukkan dengan pola difraksi (Gambar 2(a)). Puncak-puncak difraksi CdCO 3 muncul pada sudut 2θ= 23,27 0 , 30,15 0 , 36,49 0 , 44,43 0 dan 48,98 0 mendominasi puncak-puncak difraksi pada film CdO-250. Puncak-puncak CdCO 3 ini mirip dengan yang dilaporkan oleh peneliti sebelumnya [18]. Munculnya puncak-puncak CdCO 3 diyakini akibat reaksi ion Cd 2+ dengan CO 2 di udara menggantikan ion OH 2- yang terlepas ketika pemanasan. Sedangkan fasa CdO mulai muncul pada 32.21 0 ; 38.54 0 dan 55,294 0 , namun belum cukup dominan dengan intensitas lebih rendah daripada puncak-puncak CdCO 3 . Artinya sampel CdO-250 belum
Hotp late Stirrer Termometer Substrat Stirrer Gambar 1 . Metode CBD
Penumbuhan Film CdO dengan Metode Chemical Bath Deposition (CBD) (Akhiruddin Maddu)
teroksidasi penuh ketika dipanaskan pada suhu 250 0 C namun menghasilkan fasa transisi sehingga memiliki fasa campuran, yaitu CdCO 3 dan CdO. Pemanasan hingga 400 0 C menghasilkan pola difraksi berbeda, dimana puncak-puncak CdCO 3 jauh menurun dan hampir menghilang dari difraktogram, sebaliknya puncak-puncak CdO menguat dan mendominasi seperti pada Gambar 2(b). Pola difraksi sampel CdO-400 ini memperlihatkan puncak-puncak CdO yang sangat dominan berturut-turut muncul pada 2θ= 32,21 (111), 38,54 0 , 55,29 0 , 65,91 0 dan 68,76 0 masing-masing bersesuaian dengan bidang-bidang refleksi (111), (200), (220), (311) dan (222) dari CdO. Setelah pemanasan pada 400 0 C, film Cd(OH) 2 hasil CBD hampir sepenuhnya berubah menjadi fasa CdO. Intensitas  puncak  yang  sangat  kuat  pada  2θ  =  32,21 0 (111) mengindikasikan orientasi preferensial dari film CdO-400. Pola difraksi CdO ini mirip dengan yang dihasilkan oleh peneliti sebelumnya [14].
Berdasarkan nilai FWHM dari puncak-puncak difraksi CdO, dapat ditentukan ukuran kristal (  ) CdO yang terbentuk pada substrat dengan menggunakan persamaan Scherre [19],
       sin 9 . 0 cos ) FWHM ( ............ (3)
dengan σ = Ukuran kristal, λ = Panjang gelombang sinar-X yang digunakan θ = Sudut difraksi
 = Sebuah kostanta.
Dari hasil perhitungan didapatkan ukuran kristal CdO adalah 168 nm untuk film yang dipanaskan pada 250 0 C, dan 172 nm untuk film yang dipanaskan pada suhu 400 0 C selama 2 jam. Pemanasan pada suhu lebih tinggi meningkatkan ukuran kristal CdO.
Berdasarkan pola XRD juga dapat ditentukan parameter kisi kristal CdO. Bahan CdO diketahui memiliki struktur kristal kubik, dimana ketiga sisinya memiliki panjang yang sama, yaitu a = b = c , dan ketiga sudut pembentuknya juga memiliki besar yang sama, yaitu α = β = γ = 90 0 . Untuk penentuan parameter kisi pada kristal kubik digunakan persamaan [19],
) ( 4 sin 2 2 2 2 2 2 l k h a      .................. (4)
Nilai parameter kisi yang diperoleh untuk sampel CdO-250 adalah 4,70 Å, dan untuk sampel CdO-400 adalah 4,71 Å. Berdasarkan nilai parameter kisi yang dihasilkan dapat dipastikan bahwa struktur CdO adalah Face Centered Cubic ( FCC ). Tidak terdapat perbedaan berarti pada nilai parameter kisi akibat pemanasan. Nilai parameter kisi yang diperoleh sangat mirip dengan hasil yang diperoleh beberapa peneliti terdahulu, yaitu 4,69 Å untuk metode evaporasi [9]; 4,695 Å untuk metode spray pyrolysis [1] dan 4,68 Å untuk tehnik CBD [14].

## Strukturmikro Film CdO
Morfologi film CdO pada substrat kaca hasil fotografi SEM diperlihatkan pada Gambar 3(a). Pada citra SEM tampak strukturmikro permukaan film CdO hasil pemanasan 400 o C berbentuk bongkahan tak simetris dan tak beraturan yang saling interkoneksi, namun
Gambar 2 . Hasil XRD film CdO setelah pemanasan (a). 250 0 C dan (b). 400 0 C. 0 100 200 300 400 500 20 30 40 50 60 70 80 2θ (derajat) In te n si ta s CdCO3 (111) (200) (220) CdCO3 CdCO3 CdCO3 CdCO3 (a) 0 100 200 300 400 500 600 700 20 30 40 50 60 70 80 2θ(derajat) In te n si ta s (111) (200) (220) (311) (222) C d C O 3 C d C O 3 C d C O 3 (b) C d C O 3
Film CdO (a) (b)
batas-batas bongkahan tidak terlalu jelas. Ukuran rata-rata bongkahan sekitar 1  m, yang diukur berdasarkan skala yang tertera pada foto SEM . Akibat pemanasan pada suhu lebih tinggi ini mengakibatkan strukturmikro film CdO tergranulasi dengan ukuran yang cenderung melebar, sayangnya film CdO-250 tidak diambil foto SEM nya sehingga tidak bisa dibandingkan. Ketebalan film ditentukan melalui foto melintang sampel film CdO dengan SEM , diperoleh sekitar 1 μm, seperti ditunjukkan pada Gambar 3(b). Waktu deposisi film CdO adalah 18 jam, sehingga laju deposisi film CdO ditentukan sebesar 8,3 nm per menit.

## Sifat Optik Film CdO
Sifat optik film CdO yang diuji dengan spektroskopi UV-ViS bertujuan untuk mengetahui spektrum transmisi optik karateristik film CdO. Spektrum transmitansi ditunjukkan pada Gambar 4. Kurva transmitansi kedua sampel film CdO yang dihasilkan memperlihatkan bahwa film CdO mentransmisikan spektrum optik yang lebar dari spektrum tampak hingga inframerah, mirip yang diperoleh oleh beberapa peneliti terdahulu [1,2,8,14]. Namun, film CdO yang dibuat ini juga mentransmisikan sedikit spektrum UV dengan tepi absorpsi pada sekitar 330 nm. Tidak ada perbedaan berarti pada spektrum transmitansi kedua sampel film baik film CdO-250 maupun film CdO-400, kecuali pada intensitas transmisi yang menurun terhadap kenaikan suhu pemanasan. Pemanasan pada suhu lebih tinggi mengakibatkan film CdO berwarna lebih gelap sehingga intensitas spektrum transmisinya menurun.
Lebar celah pita energi dapat ditentukan berdasarkan spektrum trasmitansi dengan terlebih dahulu menentukan koefisien absorpsi (  ) film CdO untuk setiap panjang gelombang, berdasarkan hubungan [13,20]
         % 100 log 1   
T d .................................. (5)
Absorpsi yang terjadi pada bahan semikonduktor menyebabkan terjadinya eksitasi elektron dari pita valensi
ke pita konduksi. Transisi yang terjadi terdiri dari transisi langsung dan tak langsung. Perumusan transisi yang terjadi pada bahan semikonduktor dinyatakan dengan persamaan [1]
n g ) E hv ( C ) hv (    .............................. (6)
dengan   = Koefisien absorbsi
C = Kostanta
hv = Energi foton E g = Celah energi
n = Bernilai ½ untuk transisi langsung Bernilai 2 untuk transisi tak langsung
Dalam hal ini, absorbansi dan intensitas cahaya yang ditransmisikan merupakan fungsi panjang gelombang. Untuk transisi langsung dapat dituliskan dari hubungan [13]
2 1 ) E hv ( C ) hv ( g    .......................... (7)
atau
) E hv ( C )) hv ( ( g 2   
............................... (8)
Bila diplotkan pada sistem koordinat kartesian dimana hv sebagai sumbu x dan (α( hv )) 2 sebagai sumbu y, maka C adalah kemiringan kurva bagian liniernya. Perpotongan kurva bagian linier dengan sumbu hv merupakan nilai E g dari bahan CdO. Plot ini biasa disebut Tauc plot . E g adalah energi minimal yang dibutuhkan oleh elektron untuk eksitasi dari pita valensi ke pita konduksi.
Pada kurva didapatkan nilai E g transisi langsung untuk kedua film sebesar 2,1 eV. Nilai E g yang diperoleh lebih kecil dari yang dihasilkan oleh beberapa peneliti terdahulu [9,12-14]. Namun demikian nilai E g ini masih mendekati nilai E g untuk CdO yaitu dalam rentang 2,2 eV hingga 2,7 eV [13]. Tidak ada perbedaan berarti pada nilai E g untuk kedua film CdO walaupun dengan suhu pemanasan berbeda.
3 0 4 0 50 6 0 70 8 0 9 0 3 0 0 4 0 0 50 0 6 0 0 70 0 8 0 0
9 0 0 Panjang g elo mb ang (nm)
Pemanas an 2 50 C Pemanas an 4 0 0 C
Gambar 4 . Transmitansi film CdO yang dipanaskan pada suhu 250 0 C dan 400 0 C. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 1 2 3 4 5 hv (eV) (a h v )2 (a) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 hv(eV) (a h v )2 (b)
Gambar 5 . Kurva penentuan nilai Eg film CdO pemanasan (a). 250 0 C dan (b). 400 0 C

## KESIMPULAN
Film CdO berhasil ditumbuhkan dari larutan CdCl 2 dan ammonia dengan metode Chemical Bath Deposition ( CBD ) . Variasi suhu pemanasan terhadap film CdO yaitu 250 0 C dan 400 0 C berpengaruh terhadap karakteristik film. Pemanasan pada suhu 250 0 C menghasikan fasa campuran CdCO 3 dan CdO yang didominasi oleh CdCO 3 . Pemanasan lanjutan pada 400 0 C mentransformasi film Cd(OH) 2 menjadi CdO. Ukuran kristal CdO diperoleh sebesar 168 nm untuk pemanasan pada 250 0 C dan 172 nm untuk pemanasan pada suhu 400 0 C selama dua jam. Struktur kristal CdO adalah kubik FCC dengan parameter kisi untuk CdO-250 adalah 4,70 Å, sedangkan untuk CdO-400 adalah 4,71 Å, mirip dengan nilai parameter kisi CdO standar, yaitu 4,69 Å. Nilai celah energi E g diperoleh sebesar 2,1 eV untuk kedua sampel film CdO.

## DAFTAR ACUAN
[1]. K. GURUMURUGAN, D. MANGALARAJ, S.K.NARAYANDASS, K. SEKAR and C.P.G. VALLABHAN , Semicond. Sci. Technol., 9 (1994)
1827
[2]. B. SAHA, R. THAPA and K.K. CHATTOPADHYAY, Solid State Commun., 145 (2008) 33
[3]. R.A. ISMAIL and O.A. ABDULRAZAQ, Sol. Energy. Mater. Sol. Cells’, 91 (2007) 903
[4]. S. DHAR and S. CHAKRABARTI, Semicond. Sci. Technol., 15 (2000) 139
[5]. Y. HAMES and S.E. SAN, Solar Energy , 77 (2004)
291
[6]. C. SRAVANI, K.T.R. REDDY, O. Mh. HUSSAIN and P. JAYARAMA REDDY, Thin Solid Films , 253 (1994) 339
[7]. R.S. MANE, H.M. PATHAN, C.D. LOKHANDE and S-H. HAN, Solar Energy, 80 (2006) 185
[8]. M.Z. NAJDOSKI, I.S. GROSDANOV and B. MINCEVA-SUKAROVA, J. Mater. Chem ., 6 (1996)
761
[9]. A.A. DAKHEL and F.Z.HENARI , J. Cryst. Res.
Tech ., 38 (2003) 979
[10]. G. SANTANA and A. MORALES-ACEVEDO, Superficies y Vacío, 9 (1999) 300
[11]. Y.-S. CHOI, C.-G. LEE and S.M. CHO, Thin Solid Films , 289 (1996) 153
[12]. P.K. GHOSH, S. DAS and K.K. CHATTOPADHYAY , J. Nanopart. Res ., 7 (2005) 219 [13]. R.S. RUSU and G.I. RUSU, J. Optoelectron. Adv. Mater. , 7 (2005) 1511
[14]. O. OCAMPO, A.M. FERNANDEZ and P.J. SEBASTIAN, Semicond. Sci. Technol ., 8 (1993)
750
[15]. A.J. VARKEY and A. F. FORT, Thin Solid Film, 239 (1994) 211
[16]. N. MATSUURA, D.J. JOHNSON and D.T. AMM, Thin Solid Films, 295 (1997) 260
[17]. Y. ZHANG and J. MU, J. Disper. Sci. Technol ., 26 (2005), 509–511
[18]. H. YANG, G. QIU, X. ZHANG, A. TANG and W. YANG, J. Nanopart. Res ., 6 (2004) 539
[19]. B.D. CULLITY, Element Of X-Ray Diffraction, 2 nd Edition,. Addison–Wesley Publishing Company, Philipina, (1987)
[20]. H. ZHANG, X. MA, Y. JI, J. XU and D. YANG, Mater. Lett ., 59 (2005) 56