Karakterisasi  Sifat  Optik  Lapisan  Tipis  ZnO  doping  Al  yang  di Deposisi diatas Kaca dengan Metode Sol-Gel Teknik Spray-Coating

## Sufwan Durri, Heri Sutanto
Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika, Universitas Diponegoro Jl. Prof. H. Soedharto, SH., Tembalang, Kota Semarang sdurri@yahoo.co.id dan herisutanto@gmail.com
Abstrak  –  Telah  dilakukan  sintesis  dan  deposisi  ZnO  doping  Al  mengunakan  metode  sol-gel  teknik  spray  coating. Lapisan tipis ZnO dengan variasi doping Al diuji menggunakan UV-Vis Spestroscopy. Pengaruh penambahan doping Al pada  lapisan  tipis  ZnO  mempengaruhi  pergeseran  (Shift  Blue)  pada  panjang  gelombang  360  nm–380  nm,  nilai transmitansi  lapisan  tipis  pada  sinar  tampak  dengan  rentang  64%-96%  dan  lapisan  tipis  ZnO  tanpa  doping  nilai transmitansi  pada  sinar  tampak  rata-rata  lebih  dari  90%.  Energi  celah  pita  optik  Eg  meningkat  seiring  dengan meningkatnya konsentrasi doping dari 0%, 2% dan 4% dengan nilai Eg 3,102 3,115 eV dan 3,118 eV.
Kata kunci: ZnO:Al, Lapisan Tipis, Sol-gel, Spray Coating
Abstract – Has performed the synthesis and deposition of Al doped ZnO using sol-gel method, spray coating technique. ZnO thin film with doping variation Al tested using UV - Vis Spestroscopy. Effect of the addition of Al doping in ZnO thin film  affects  the  shift  blue  at  a  wavelength  of  360  nm  -  380  nm  ,  the  transmittance  values  of  thin  film  in  the  visible wavelength with a range of 64 % -96 % and ZnO pure thin film on visible light transmittance value of the mean average more than 90  %. The optical band gap energy increased as the doping concentration was increased from 0%, 2% and 4% with Eg value 3,102 eV, 3,115 eV and 3,118 eV.

## Key words: ZnO:Al, Thin Film, Sol-Gel, Spray Coating

## I. PENDAHULUAN
Zinc  Oxide  (ZnO) merupakan material  semikonduktor yang  penting  karena  memiliki  celah  pita  lebar,  sehingga banyak  digunakan  untuk  beberapa  aplikasi  seperti transpsrent  conductors,  solar  cell  windows, sensor  gas, perangkat photovoltaic [1]  dan  fotokatalis  [2].  Material semikonduktor  sebagai  fotokatalis  yang  baik  untuk degradasi  polutan  maupun  senyawa  beracun  yakni  Zinc Oxide  (ZnO),  Titania  (TiO 2 ),  Tungtsen  Oxide  (WO 3 ), Zinc  Stannate  (Zn 2 SnO 4 )  dll  [3].  ZnO  memiliki  efisiensi fotokatalis  yang  tinggi  karena  dapat  menghasilkan  H 2 O 2 yang  lebih  banyak  dibandingkan material  semikonduktor TiO 2 [2].
Doping  merupakan  metode  yang  efektif  untuk mengubah  sifat  fisik  (misalnya  sifat  optik,  magnet  dan listrik)  pada  material  dan  akan  memperluas  aplikasi/ penerapannya  pada  material  tersebut  dari  sifat  dasarnya [4].  Untuk  meningkatkan  kemampuan  fotokatalis  pada material  ZnO  perlu  merubah  sifat  fisik  dengan  memberi doping  logam,  non-logam  atau  logam  mulia.  Material yang digunakan sebagai doping dengan material (Gol. III) seperti Gallium (Ga), Flourine (F), Indium (In), Manganese (Mn)  dan Aluminum (Al). Aluminum (Al) sebagai  doping  menyebabkan seed memiliki  morfologi yang  meningkatkan luas  permukaan  lapisan  dan  berguna untuk efisiensi aktivitas fotokatalis [5].
Lapisan  tipis  ZnO  dapat  disintesis    melalui both Solution dan  metode  berbasis  Vakum,  yaitu  metode berbasis  vakum Pulsed  Laser  Deposition  (PLD), Chemical  vapour  deposition  (CVD),  Sputtering,  Laser ablation, spray pyrolysis [6][7] . Meskipun metode diatas menghasilkan  kualitas  yang  tinggi  tetapi  teknik  ini
membutuhkan  peralatan  yang  rumit  dan  mahal. Alternatifnya,  metode  deposisi  yang  bisa  digunakan yakni berbasis larutan, seperti Chemical Bath Deposition, sol-gel, electrodeposition, dan hydrothermal [8]. Diantara metode  diatas,  metode  sol-gel  merupakan  metode  yang menarik,  karena  dapat  mengahasilkan  lapisan  kecil maupun luas yang bagus, sederhana, biaya rendah [4].
Teknik spray-coating merupakan  proses  dimana material  pelapis  ( feedstock )  sebagai  partikel  individu didorong  dengan  aliran  gas  bertekanan  ke  suatu permukaan  (substrat).  Partikel  tersebut  menabrak substrat,  menempel,  dan  membentuk  permukaan  tipis yang sesuai [9].
Dalam  penelitian  ini,  dilakukan  deposisi  lapisan  tipis ZnO  doping  Al  (ZnO:Al)  di  atas  substrat  kaca  dengan menggunakan  metode sol-gel teknik spray-coating .
Variasi konsentrasi doping Al meliputi 0%, 2%, 4%, 6%, 8% dan 10% dimaksudkan untuk mengetahui pengaruhnya  terhadap  sifat  optik  lapisan  tipis  ZnO melalui  uji  karakterisasi  Spektofotometer  UV-Vis  data transmitansinya  diolah  menggunakan  metode Tauc  Plot untuk mengetahui celah pita optik.

## II. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN
ZnO  doping  Alumunium  (ZnO:Al)  dengan  variasi konsentrasi  doping  0%,  2%,  4%,  6%,  8%,  dan  10% disintesis  dengan  metode sol-gel teknik spray-coating pada  substrat  kaca.  Secara  umum  terdapat  tiga  tahap, yakni tahap pertama proses pembuatan sol-gel ZnO tanpa doping  dan  ZnO:Al,  tahap  kedua  deposisi  lapisan  ZnO dan ZnO:Al diatas kaca dengan teknik spray-coating dan
tahap  ketiga  pengujian  sifat  optik  lapisan  tipis  ZnO  dan ZnO:Al.
Pembuatan sol-gel dengan  menyiapkan Zinc  acetat (Zn(CH 3 COO) 2 .2H 2 O)  0,5M  di  masukkan  kedalam larutan  isopropanol  diaduk  dengan magnetic  stirred pada  suhu  ruangan  selama  15  menit  sampai  larutan homogen,  kemudian teteskan Monoethanolamine (MEA) selama 15 menit atau sampai larutan tidak berwarna atau transparan. Setelah itu, masukkan doping Aluminum nitrat (Al(NO 3 ) 3. 9H 2 O kemudian diaduk selama 15 menit. Pelapisan  dengan  teknik spray-coating ,  sebelumnya substrat  kaca  telah  dibersihkan  dengan  aceton,  metanol masing-masing  selama  10  menit  kemudian  dibersihkan dengan DI water (deionized water) kemudian diletakkan pada hot plate dengan mengatur suhu 450 o C, spray-coating dilakukan sampai larutan habis terdeposisi. Setelah  lapisan  terdeposisi  pada  substrat  dianealing selama 1 jam pada tekanan atmosfer.
Pengujian sifat optik lapisan tipis ZnO dan ZnO doping Al  dilakukan  menggunakan  UV-Vis Spectroscopy (UV- VIS 1240 SA) untuk memperoleh nilai transmitansi pada panjang gelombang 300 nm -800 nm.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian  transmitansi  optik  T  (%)  sebagai  fungsi panjang  gelombang  λ  (nm)  pada  gambar (1),    seperti yang  terlihat  pada  gambar  (1)-(a)  adalah  spektrum transmitansi  optik  ZnO tanpa  doping  dan  gambar  (1)-(b- f)  merupakan  lapisan  tipis  ZnO  yang  didoping  variasi konsentrasi  doping  Al.  ZnO  tanpa  doping  memiliki transmitansi optik yang tinggi    pada daerah sinar tampak rata-rata  lebih  dari  90%.  Lapisan  ZnO:Al  nilai transmitansi pada daerah sinar tampak berada pada range transmitansi  64%–96%  yang  mengalami  penurunan dibanding dengan ZnO tanpa doping dengan penambahan konsentrasi doping Al yang semakin besar.
Daerah tepi absorpsi untuk semua lapisan terletak pada range 360  nm  -  380  nm  disebabkan  oleh  transisi  antara pita  valensi  dan  pita  konduksi,  daerah  ini  mengalami penurunan karena serapan permulaan dasar [10].
Gambar  1 .  Spektrum  transmitansi  lapisan  tipis  ZnO sebagai fungsi panjang gelombang variasi doping Al.
Gambar  2 .  Penentuan  celah  pita  optik  ZnO:Al menggunakan metode Tauc Plot .
Pergeseran  biru  ( Blue  Shift )  seperti  yang  terlihat  pada gambar  (1),  karena  pengaruh  tambahan  doping  Al mengalami  pergeseran  ke  panjang  gelombang  yang pendek [11].
Energi  celah  pita  (Eg)  pada  lapisan  tipis  ZnO  murni dan  ZnO  yang didoping  Al  diukur  dengan menggunakan spektrum transmitansi dengan mengikuti persamaan:
α = ln (1/T) x (1/e) (1)
αhν = A (E g – hν) n (2)
dimana  T    transmitansi,  e  ketebalan  lapisan  tipis, α koefisien  absorpsi,  h  konstanta  Planck,  ν frekuensi gelombang,  A  konstanta,  Eg  energi  celah  pita.  Indeks  n adalah  karakterisasi  proses  absorpsi  dan  secara  teori masing-masing 2 dan 0,5 untuk tidak langsung dan secara langsung.  Nilai  n  dapat  dideduksi  oleh  persamaan  (1), bahwa semua lapisan tipis yang didoping memiliki celah pita  langsung  sehingga  menggunakan  nilai  n  0,5  [12]. Selanjutnya,  celah  pita  dihitung  dengan  menarik  garis linier  pada  ploting  ( α hν) 2 dengan  energi  foton  (hν) yang terlihat pada persamaan (2).
Energi  celah  pita  lapisan  tipis  ZnO  tanpa  doping  dan ZnO:Al  dapat  dihitung  menggunakan  metode Tauc  Plot diperoleh nilai  Eg  seperti terlihat  pada  gambar  (2).  Nilai energi  celah pita  optik  (Eg)  yang  ditampilkan  pada  tabel (1) pada lapisan tipis ZnO tanpa doping yakni 3,102 eV,
Tabel  1 .  Nilai  energi  celah  pita  lapisan  tipis  ZnO  dan ZnO:Al No. Sampel Energi Celah Pita (eV) 1 ZnO tanpa doping 3,102 2 ZnO: Al 2% 3,115 3 ZnO: Al 4% 3,118 4 ZnO: Al 6% 3,115 5 ZnO: Al 8% 3,109 6 ZnO: Al 10% 3,109
dengan  penambahan  doping  Al  pada  lapisan  ZnO mempengaruhi  meningkatnya  nilai  Eg  dari  3,102  eV; 3,115  eV;  3,118  eV  pada  konsentrasi  0%,  2%  dan  4%. Namun,  pada  konsentrasi  6%,  8%,  10%  mengalami penurunan  nilai  Eg  yakni  berturut-turut  3,115  eV;  3,109 eV;  dan  3,109.  Peristiwa Blue  Shift pada  doping  Al sebagian besar dianggap berasal dari efek Burstein-Moss, yaitu meningkatnya nilai energi celah pita optik Eg pada lapisan  tipis  ZnO  seiring  dengan  meningkatnya konsentrasi doping Al [7].

## IV. KESIMPULAN
Telah  dilakukan  pengukuran  dan  pengujian  terhadap sifat  optik  lapisan  ZnO  tanpa  doping  dan  lapisan  ZnO doping Al. Pengaruh penambahan doping Al pada lapisan tipis  ZnO  mempengaruhi  pergeseran  pada  panjang gelombang  pendek  ( Blue  Shift )  yakni  pada  panjang gelombang  360  nm–380  nm,  nilai  transmitansi  lapisan tipis  pada  sinar  tampak  dengan  rentang  64%-96%  dan lapisan  tipis  ZnO  tanpa  doping  nilai  transmitansi  pada sinar  tampak  dengan  rata-rata  lebih  dari  90%.  Hasil pengukuran  celah  pita  energi  Eg  dengan  penambahan doping Al pada lapisan tipis ZnO mengalami peningkatan nilai  Eg  dari  lapisan  tipis  ZnO  tanpa  doping  3,102  eV menjadi (3,115 -3,118) eV pada konsentrasi 2% dan 4%.

## PUSTAKA
[1] Bizarro,  M.,  Sanches-Arches  A.,  Garduno-Wilches  I., Alonso  J.C.,  Ortiz,  A.,  Synthesis  and  Characterization  of ZnO  and  ZnO:Al  by  Spray  Pyrolysis  with  high photocatalytic properties, Catalysis Today , 2011, pp. 129- 134.
[2] Bizarro,  M.,  High  photocatalytic  activity  of  ZnO  and ZnO:Al nanostructured film deposited by spray pyrolysis. Applied Catalysis B: Environmental, 2010, pp. 198-203.
[3] Baruah, S., Pal, S.K., Dutta, J., Nanostructure Zinc Oxide for  water  treatment, Nanoscience  &  Nanotechnology- Asia , 2012 Vol.2 No.2, pp. 90-102.
[4] Li,  Y.,  Meng,  J.,  Al-doping  effects  on  structure  and optical  properties  of  ZnO  nanostructures, Materials Letters , 2014, pp. 260-262.
[5] Mahadik, M.A., Shinde, S.S., Hunge, Y.M., Mohite, V.S., Khumbhar,  S.S.,  Moholkar,  A.V.,  Rajpure,  K.Y.,  UV Assisted  photoelectrocatalytic  oxidation  of  phthalic  acid using  spray  deposited  Al  doped  zinc  oxide  thin  films, 2014, pp. 446-451.
[6] Hafdallah,  A.,  Yanineb,  F.,  Aida,  M.S.,  Attaf,  N.,  In Doped  ZnO thin  films, Journal of Alloys and Compounds, 2011, pp. 7267-7270.
[7] Vishwas,  M.,  Rao,  K.  N.,  Phani,  A.R.,  Gowda,  K.V.A., Chakradhar,  R.P.S.,  Optical,  electrical  and  structural characterization  of  ZnO:Al  thin  film  prepared  by  a  low cost  sol-gel  method, Solid  State  Communications ,  2012, pp. 324-327.
[8] Bu,  I.Y.Y.,  Sol-gel  production  of  alumunium  doped  zinc oxide  using  alumunium  nitrate, Materials  Science  in Semiconductor Processing , 2014, pp. 19-25
[9] Surono,  A.T.,  Sutanto,  H.,  Sifat  optik Zinc Oxide (ZnO) yang  dideposisi  diatas  substrat  kaca  Menggunakan Metode Chemical  Solution  Deposition (CSD)  dan Aplikasinya  untuk  Degradasi  Zat  Warna Methylene Blue , Youngster Physics Journal , Vol. 2, No. 1 , 2014, pp. 7-14.
[10] Benhaoua, B., Rahal, A., Benamache, S., The Structural , Optical  and  Electrical  Properties  of  nanocrystalline ZnO:Al  thin  films ,  Superlattices  and  Microstructures , 2014, pp. 38-47.
[11] Fang, D., Lin, K., Xue, T., Cui, C., Chen, X., Yao, P., Li, H.,  Influence  of  Al  Doping  on  structural  and  Optical properties  of  Mg-Al-co  doped  ZnO  Thin  Films  prepared by  Sol-Gel  Method, Journal  of  alloy    and  Compounds , 2014,    pp. 346-352.
[12] Lee,  M.,  Huang,  M.,  Legard,  D.,  Lerondel,  G.,  Lin,  J., Structure  and  Characterization  of  Sn,  Al  co-doped  Zinc Oxide  Thin  Films  Prepared  by  Sol-Gel  Dip-Coating Process , Thin Solid Films , 2014, 516-526.