## Analisa Pengaruh Tegangan Terhadap Hasil Elektrodeposisi Pada Lapisan Tipis Magnetite Menggunakan Arus Continue Direct Current

## Sylvina Tebriani
Jurusan Tadris Fisika, Fakultas Tarbiyah dan KeguruanUIN Imam Bonjol Padang Abstrak -  Telah  berhasil  dilakukan  sintesis  lapisan  tipis  magnetite (Fe 3 O 4 )  pada  substrat  Indium  Tin  Oxide  (ITO)  dengan  metode Elektrodeposisi  (ED),  menggunakan  arus  Continue  Direct  Current (CDC), dengan variasi tegangan eksternal. Variasi tegangan eksternal ini  dilakukan  untuk  mengetahui  kondisi  optimum  penumbuhan lapisan  tipis  yang  akan  dilakukan.  Tegangan  eksternal  yang diterapkan mula-mula dengan range yang lebih besar yaitu 10 volt, 5 volt, dan 3 volt. Berdasarkan  pencitraan dengan  mikroskop tegangan 3  Volt  dipilih  sebagai  kondisi  mula-mula  untuk  variasi  berikutnya yaitu variasi dengan range tegangan yang lebih kecil (3,5 volt, 3 volt, dan 2,5 volt) dan dari ketiga variasi tersebut tegangan 3,5 volt dipilih sebagai  tegangan  optimum  untuk  proses  sintesis  lapisan  tipis magnetite  (Fe 3 O 4 ).  Hasil  pencitraan  dengan  mikroskop  optik menunjukkan  bahwa  tegangan  ikut  mempengaruhi  ketebalan  hasil deposisi. Dengan kata lain dapat disimpulkan  nilai tegangan ekternal yang  diaplikasikan  sangat  mempengaruhi  hasil  deposisi  dengan korelasi bahwa semakin besar tegangannya, makin tebal hasil deposisi dan sebaliknya semakin kecil tegangan semakin tipis hasil deposisi di atas substrat.
Kata Kunci: Magnetite, Elektrodeposisi, Continue Direct Current (CDC), tegangan ekternal

## PENDAHULUAN
Lapisan  tipis  merupakan  suatu lapisan  material  yang  memiliki  ketebalan dalam  orde  beberapa  nanometer  yang dibentuk  oleh  susunan  dan  penggabungan sifat-sifat  atom.Jika  dilihat,  rasio  antara ketebalan lapisan tipis terhadap substratnya dibandingkan  dengan  substratnya  sangat kecil.  Sifat  umum  lapisan  tipis  dari  suatu bahan  berbeda  dengan  bahan  padatan,  hal ini  disebabkan  oleh  perbedaan  proses preparasinya,  komposisi,  morfologi  dan strukturnya.Berbagai  bahan  yang  memiliki potensi sebagai semikonduktor telah banyak  diteliti,  mulai  dari  bahan  yang memiliki sifat  fotokatalis, magneticstorage dan  dielektrik.Lapisan  tipis  ferromagnetik oksida  dapat  digunakan  sebagai  bahan memori penyimpanan data yang terdiri atas bagian multilayer magnetik untuk menyimpan  informasi  [7].Lapisan  tipis merupakan  bahan  tipis  dalam  jangkauan beberapa  nanometer  atau  nanolayer  yang dibentuk  oleh  susunan  dan  penggabungan sifat-sifat atom.Lapisan tipis dibuat dengan
teknik  penumbuhan  atom  atau  partikel pada permukaan substrat dengan ketebalan sampai  orde  mikrometer.Media  tumbuh (substrat)  yang  banyak  digunakan  adalah SnO2, TiO2, ZnO, ITO, In2O3, WO3, dan lain-lain.
Sifat-sifat lapisan tipis yang ditumbuhkan  dapat  dimodifikasi  sesuai dengan  tujuan  penerapannya.Kemampuan suatu  bahan  untuk  diaplikasikan  tidak terlepas  dari  inovasi  terhadap  unsur penyusun  utama  lapisan  tipis,  salah  satu contohnya  adalah  mineral  magnetik.Istilah mineral  magnetik  biasanya  digunakan untuk  mineral-mineral  yang  tergolong ferromagnetik.Mineral  magnetik  biasanya berasal  dari  keluarga  besi  titanium  oksida, sulfida besi dan hidroksi besi.Secara umum mineral  magnetik  dapat  dikelompokkan menjadi magnetite (Fe 3 O 4 ), hematite (α Fe 2 O 3 ),  dan maghemite (γ  Fe 2 O 3 ).Ketiga bentuk  oksida  besi  ini  sangat  berguna dalam teknologi.
Magnetite merupakan mineral magnetik  yang  terkuat  dengan  komposisi kimia  Fe 3 O 4 ,  dan  magnetisasi  90  Am 2 /kg
sampai  dengan  93  Am 2 /kg  [2]. Magnetite dapat  dimanfaatkan  dalam  berbagai  aspek seperti  perekat  tinta  magnetik,  media perekam magnetik dan katalis.Pemanfaatan magnetite semakin meluas dengan dikembangkannya magnetite dalam dimensi  nanometer  [3]  [4]  [6].Daya  tarik material magnetite terletak  pada  sifat-sifat uniknya  yaitu  sifat  kemagnetannya  yang berbeda dengan material ukuran bulk , serta luas  reaktivitas  permukaannnya  yang besar. Magnetite dalam  dimensi nano bersifat  superparamagnetik  dan  dapat dimanipulasi  oleh  suatu  medan  eksternal tertentu  [5].  Respon  yang  kuat  terhadap medan  magnet  luar  menjadikan magnetite sangat berguna untuk kepentingan riset dan dalam  dunia  industri  yang  berbasis kemagnetan,  misalnya  dalam  hal  rekayasa elektronika,  pembuatan  magnet  permanen, industri baja, sampai untuk pembuatan thin film [8]. Magnetite bagai bahan ferromagnetik  oksida  dapat  digunakan sebagai  bahan  memori  penyimpanan  data sebagai  bagian  multilayer  magnetik  untuk menyimpan  informasi  [7],  untuk  itu  maka perlu  dilakukan  kajian  lebih  lanjut  tentang sifat  fisis  bahan magnetite yang  dibuat dalam  bentuk  lapisan  tipis.  Terdapat sejumlah teknik deposisi untuk penumbuhan film tipis magnetite , beberapa diantaranya  antara  lain Chemical  Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor
Deposition (PVD),
elektrodeposisi, spraying ,  dan spin  coating .  Setiap  metoda ini  memilki  hasil  pelapisan  yang  berbeda tergantung pada proses penumbuhannya.
Metode  yang  digunakan  untuk membuat  lapisan  tipis magnetite pada penelitian ini adalah metode elektrodeposisi.Metode  ini  dipilih  karena lebih  mudah  dilakukan,  langkah  kerjanya lebih  sederhana  paling  sederhana  dan dengan biaya  yang lebih ekonomis.  Proses elektrodeposisi  dapat  dilakukan  dengan menerapkan  arus  searah  (CDC)  dan  arus pulsa (PDC).
Pada penenelitian
ini elektrodeposisi  ini  dilakukan  dalam  sel yang terdiri dari larutan yang mengandung
Fe 2 (SO 4 ) 3 yang  diencerkan  dengan  alkohol 97%.Proses dilakukan dengan menggunakan  arus  searah  (CDC)  dengan variasi  penambahan  surfaktan.  Surfaktan yang  digunakan  adalah ethylen  glycol , karena  bersifat  adhesif  dengan  daya  rekat tinggi  terhadap  substrat.serta  pada  katoda digunakan  kaca  yang  dilapisi Indium  Tin Oxide (ITO) yang bersifat konduktor.

## METODE
Langkah  awal  yaitu  persiapan  substrat (tempat  tumbuh)  hasil  elektrodeposisi. Kaca Indium  Tin  Oxide (ITO)  dipotong dengan  ukuran  2,5  cm  x  0,5  cm.  Setelah pemotongan dilakukan, sisi bekas pemotongan diperhalus dengan menggunakan  amplas  halus.  Substrat  kaca ITO  dibersihkan  dengan  menggunakan aquades dan  kemudian  dibilas  dengan alkohol untuk menghilangkan kotoran yang masih menempel pada ITO.
Selanjutnya  ITO  ditempelkan  pada katoda dan pada anoda digunakan platinum (Pt).  Pada  tahap  awal,  akan  dilakukan proses  elektrodeposisi  dengan  konsentrasi 0,1  M  dengan  beberapa  variasi  tegangan. Hal  ini  dilakukan  agar  diketahui  kondisi optimum  tegangan  yang  akan  digunakan untuk  proses  penumbuhan  lapisan  tipis. Tegangan eksternal mula-mula yang diterapkan  adalah  10  volt,  5  volt,  dan  3 volt.Permukaan  masing-masing  sampel dilihat  dengan  menggunakan  mikroskop. Dari ketiga variasi tersebut salah satu hasil deposisi  dengan  kontur  yang  merata  dan halus  akan  dijadikan  opsi  awal  untuk variasi tegangan selanjutnya yaitu dengan range yang  lebih  kecil.  Sampel dengan  permukaan  yang  lebih  halus  dan merata  dapat  dijadikan  patokan  sebagai kondisi optimum untuk penumbuhan lapisan tipis berikutnya.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Tahap I :(Penerapan Tegangan dengan Range Besar)
Gambar 4.1 Hasil Foto Mikroskop Optik Sampel dengan tegangan (a) 10 Volt, (b) 5 Volt, dan (c) 3  Volt dengan perbesaran 40 kali
Hasil  foto  dengan  mikroskop  optik pada  Gambar  4.1  memperlihatkan  bentuk permukaan  sampel  hasil  deposisi  pada tegangan  10  volt,  5  volt  dan  3  volt. Pencitraan dengan mikroskop optik bertujuan  untuk  mencari  kondisi  awal tegangan  yang  akan  digunakan  untuk proses  elektrodeposisi.  Hasil  foto  dengan mikroskop  optik  menunjukkan  bahwa dengan  penerapan  tegangan  eksternal  10 volt  hasil  deposisi  menghasilkan  kontur yang  tebal  dan  tidak  merata,  berwarna hitam kemerahan dan menunjukkan adanya
proses  perkaratan.  Pada  tegangan  5  volt hasil deposisi  pada substrat  lebih tipis  dari pada  sampel  dengan  penerapan  tegangan eksternal  10  volt,  berwarna  hitam,  dengan sebaran hasil deposisi yang kurang merata. Selanjutnya  untuk  hasil  deposisi  dengan tegangan  3  Volt  terlihat  sangat  halus  dan sebaran  hasil  lapisannya  lebih  merata daripada tegangan 5 dan 10 Volt.Untuk itu, tegangan  3  Volt  dipilih  sebagai  tegangan patokan  awal  untuk  mencari  kondisi optimum elekrodeposisi.
(a) (b) (c)
(c)
Tahap 2: Penentuan Tegangan Optimum dengan Range yang Lebih Kecil
Gambar 4.2 Hasil Foto Mikroskop Optik Sampel dengan Tegangan (i) 3,5 Volt  dan H (ii) 3 volt dan (iii)  2,5 Volt dengan perbesaran 40 kali
Pada  gambar  4.2  (i)  dapat  dilihat bahwa  hasil  deposisi  pada  tegangan  3,5 Volt lebih halus dengan sebaran yang lebih merata,  sedangkan  untuk  tegangan  3  Volt dan  2,5  volt  lapisan  yang  terbentuk  lebih halus  namun  belum  terbentuk  secara merata. Untuk itu tegangan 3,5 Volt dipilih sebagai  tegangan  optimum  untuk  proses elektrodeposisi.  Berdasarkan  analisa  yang telah  dilakukan,  dapat  dikatakan  bahwa tegangan  ikut  mempengaruhi  ketebalan hasil  deposisi.Semakin  besar  tegangannya, makin  tebal  hasil  deposisi  dan  sebaliknya semakin kecil tegangan semakin tipis hasil deposisi  di  atas  substrat.Apabila  tegangan yang diberikan lebih besar, maka kuat arus dan  muatan  yang  dialirkan  juga  semakin besar.
Dasar utama kinetika
elektrodeposisi  adalah  hukum Faraday , yaitu jumlah total perubahan kimia (jumlah
logam  yang terdeposisi)  sebanding dengan jumlah  besar  arus  yang  diterapkan. Hubungan  antara  beda  potensial  dalam larutanelektrolit dengan besarnya kuat arus listrik yang mengalir menurut Hukum Ohm yaitu:
R V I  (2.1)
dengan
I= Kuat arus listrik (Ampere);
V = Beda potensial (Volt);
R = Tahanan listrik (ohm)
Besarnya  muatan  total  yang  digunakan dalam proses deposisi dapat diperoleh dari hubungan  antara  muatan  dan  kuat  arus, yang  besarnya  dapat  dirumuskan  sebagai berikut :
  Idt Q (2.2)
dengan:
(iii) (i) (ii) (iii)
Q = Muatan listrik (Coulomb);
I = Kuat arus listrik (Ampere);
t = Waktu (detik)
Hubungan besarnya muatan yang diperlukan  pada  proses  elektrodeposisi terhadap  jumlah  mol,  secara  matematis dapat dirumuskan :
e a Q nNN Q  (2.3)
Keterangan : Q = Muatan, satuan coulomb (C)
n = Mol N = Jumlah elektron N a = Bilangan Avogadro Q e =Muatan elektron, satuan coulomb (C)
Jika F adalah konstanta Faraday (96.500 C), maka  mol  logam  yang  dibutuhkan  dalam proses elektrodeposisi adalah :
) ( NF Q n  (2.4)
Jadi  jumlah  mol  yang  diendapkan  pada substrat dapat dihitung sebagai berikut:
  Idt NF n 1 (2.5)
MichaelFaraday menetapkan hubungan  antara  kelistrikan  dengan  ilmu kimia  pada  semua  reaksi  elektrokimia.
Menurut Michael Faraday (1834)
lewatnya arus 1  F mengakibatkan oksidasi 1  massa  ekivalen  suatu  zat  pada  suatu elektroda  (anoda)  dan  reduksi  1  massa ekivalen suatu zat pada elektroda yang lain (katoda).  Dua  Hukum  Faraday  ini  adalah (Sukarjo, 1985). Hubungan antara tegangan  luar  yang  diterapkan  dengan permukaan  hasil  deposisi    secara  teoritis dapat  dilihat  pada  persamaan  2.3.  Dapat dikatakan  bahwa  pada  persamaan  2.3 terdapat  korelasi  yang  sebanding  antara muatan  terhadap  jumlah  mol  materi  yang akan diendapkan, sehingga dengan muatan yang  besar  maka  jumlah  mol  zat  yang terdeposisi  juga  semakin  besar  dan permukaan lapisan juga akan semakin tebal. Apabila  jumlah  mol  zat  yang  terdeposisi besar,  maka  massa  zat  yang  terendapkan juga semakin besar.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan  penelitian  yang  dilakukan, dapat disimpulkan bahwa
a. Tegangan  eksternal  optimum  untuk proses  elektrodeposisi  pada  penelitian ini adalah 3.5 volt.
b. Semakin  besar  tegangan  luar  yang diterapkan saat  proses elektrodeposisi, semakin tebal permukaan hasil deposisi, dan sebaliknya semakin kecil tegangan luar yang diterapkan, semakin  tipis  hasil  permukaan  hasil deposisi.
c. Hasil deposisi yang dihasilkan, berkaitan  dengan  jumlah  mol  yang diendapkan saat proses sintesis berlangsung,  sesuai  dengan  hukum Faraday

## REFERENSI
Abdullah, M, 2009, Pengantar Nanosains , Bandung, ITB
Butler,  R.  F.  1992, Paleomagnetism: Magnetik Domains to Geologic Teranes. Boston:  Blackwell  Scientific Publications.
Chumming,  J.  and  Xiangqin,  L.,2009, Electrochemical  Synthesis  of  Fe 3 O 4 - PB  Nanoparticles  with  Core-Shell Structure  and  its  Electrocatalytic Reduction  Toward  H 2 O2 ,  J.  Solid State Electrochem. 13: 1273-1278.
Gaihre,  B.,  Khil,  M.S.,  Lee,  D.R.,  Kim, H.Y.,  2009, Gelatin-coated  Magnetic Iron  Oxide  Nanoparticles  as  Carrier System:  Drug  Loading  and  In  Vitro Drug  Release  Study ,  Inter.  J.  Pharm. 365: 180-189.
Jia,  X.,  Tan,  L.,  Zhou,  Y.,  Jiang,  X.,  Xie, Q., Tang, H., Yao, S., 2009, Magnetic Immobilization  and  Electrochemical
Detection of Leukemia K562
Cells ,Electrochem. Commun. 11: 141- 144.
Liu, T.Y., Hu, S.H., Liu, D.M., Chen, S.Y.,
Chen, I.W.,2009, Biomedical Nanoparticle  Carriers  with  Combined Thermal  and  Magnetic  Responses , NanoToday 4: 52-65.
Siyambalapitiya, Chamila
S., 2006, Growth  And  Physical  Properties  of
Magnetite Thin Films, Graduate School Theses and Dissertations. Paper 2705.
Yulianto,  A.  Bijaksana  S,  Loeksmanto  W.
(2002), Karakterisasi  Magnetik  dari Pasir  Besi  Cilacap. Jurnal  Himpunan
Fisika Indonesia vol. A5 no. 0527.