e-ISSN: 2549-3116 , p-ISSN: 2085-3653
http://jurnal.unimed.ac.id/2012/index.php/jpk
Vol. 9, No. 1, April 2017, p.254-258
DOI: https://doi.org/10.24114/jpkim.v9i1.6189

## Film Tipis Timah (II) Oksida Sebagai Sensor Karbon Monoksida Tin Dioxide Thin Films As Carbon Monoxide Sensor

## Yati B.Yuliyati*; Rubianto A. Lubis; Atiek R. Noviyanti; Nia Kurniatin
Departemen Kimia, FMIPA, Unpad Jatinangor, Sumedang-Jawa Barat 45363 * Korespondensi: yatiyuliyati@yahoo.com
Abstrak: Penelitian  ini  bertujuan  untuk  membuat  film  tipis  SnO 2 yang  memiliki  ukuran  mikrometer  hingga nanometer  untuk  mendeteksi  gas  CO.  Metode  penelitian  yang  digunakan  adalah  metode  sol-gel  dengan mencampurkan  timah  diklorida,  akuades,  etanol  dan  amonium  fluorida  5%-10%  (b/b)  hingga  terbentuk  sistem koloid. Sistem koloid dengan penambahan paladium diendapkan pada substrat kaca. Substrat dipanaskan pada suhu 70 o C  dan  100 o C.  Kemudian  ditentukan  nilai  resistansi  dengan  menggunakan  avometer.Film  tipis  SnO 2 dikarakterisasi  dengan  SEM  dan  XRD.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  film  tipis  SnO 2 menunjukkan sensitivitas  terbaik  pada  sistem  koloid  dengan  penambahan  amonium  fluorida  10%  (b/b).  Dari  hasil  karakterisasi SEM dan XRD dapat disimpulkan bahwa film tipis SnO 2 dapat diperoleh dengan metode sol-gel dengan ukuran skala nanometer dan dapat merespon adanya gas CO.
Kata kunci: film tipis, karbon monoksida, metode sol-gel, oksida logam
Abstract : This  research  aims  to  create  SnO2  thin  films  that  have  the  size  of  micrometers  to  nanometers  for detecting CO gas. The method used in this research is a sol-gel method where all precursors such as tin dichloride, distilled water, ethanol, and ammonium fluoride 5%-10% (w/w) are mixed together to form a colloidal system . The colloidal systems with the addition of palladium are precipitated on a glass substrate. The substrate is heated at the temperature of 70 o C and 100 o C. Then the resistance value is determined using the avometer. The SnO 2 thin films are characterized by SEM and XRD. The result of this research is that SnO 2 thin films show the best sensitivity in colloidal systems with the addition of ammonium fluoride 10% (w/w). The result of the characterization of SEM and XRD  concludes  that  SnO 2 thin  films  can  be  obtained  by  a  sol-gel  method  with  a  nanometer-scale  size  and  it  can respond to the CO gas.
Keywords: carbon monoxide, metal oxides, sol-gel method, thin films

## PENDAHULUAN
Karbon  monoksida  (CO)  adalah  gas beracun  yang  tidak  berwarna,  tidak  berbau dan tidak berasa, banyak dihasilkan dari emisi gas  kendaraan  bermotor.Dampak  dari  CO bervariasi  tergantung  dari  kadar  CO  yang terhirup, CO dapat menghalangi darah dalam mengangkut  oksigen  (O 2 )  sehingga  darah kekurangan  O 2 dan  jantung  bekerja  lebih berat.  Bila  seseorang  menghirup  CO  dalam kadar  yang  banyak  dapat  menyebabkan pingsan bahkan kematian.Oleh karena itu CO merupakan  salah  satu  gas  yang  harus diperhatikan keberadaannya karena efek yang demikian  berbahaya  bagi  kesehatan  dan keselamatan manusia.Untuk mendeteksi keberadaan CO maka diperlukan sensor gas.
Semikonduktor  oksida  logam  merupakan material  yang  kini  banyak  diteliti  untuk digunakan  sebagai  sensor  gas.  Hal  ini disebabkan  ketersediaan  yang  melimpah, harga  yang  relatif  murah  dan  respon  yang cukup baik terhadap gas pereduksi (Morrison, 1994).  Semikonduktor  oksida  logam  yang digunakan pada penelitian ini adalahtimah
(II)  oksida  (SnO 2 )  yang  merupakan  film  tipis yang  dapat  digunakan  sebagai  perangkat sistem detektor gas karena memiliki beberapa keuntungan,  di  antaranya  memiliki  respon sensitivitas yang tinggi, tingkat pemulihan gas yang  cepat  dan  aplikasi  sensor  gas  yang  luas (Haridas et al ., 2009).
Berbagai macam metode telah digunakan untuk  membuat  film  tipis  SnO 2 .  Beberapa diantaranya  yaitu  metode spray  pyrolysis , chemical  vapour  deposition , sputtering , hidrotermal,  dan  metode  sol-gel  (Patil et  al ., 2009).  Metode  sol-gel  memiliki  beberapa keuntungan,  di  antaranya  memiliki  tingkat homogenitas  yang  baik,  suhu  sistem  yang rendah,  kemurnian  kristal  yang  tinggi,  dan penggunaan energi yang rendah. Ditinjau dari segi  proses  pembuatannya,  metode  sol-gel memiliki  beberapa  keunggulan,  di  antaranya fase  pemisahannya  cepat,  pembentukan kristal yang cepat, dan produk yang dihasilkan mudah  ditentukan  sifat-sifatnya  (Widodo, 2010).
Dalam  penelitian  ini,  telah  dibuat  film tipis  SnO 2 dengan  metode  sol-gel.  Sedangkan untuk  meningkatkan  sensitivitasnya  di- gunakan  dopan  ammonium  flourida  dengan aktivator logam berupa paladium.

## METODE

## Bahan dan alat
Bahan-bahan  yang  digunakan  pada penelitian  ini  adalah  ammonia  p.a,  amonium fluorida  p.a,  asam  klorida  37%,  asam  nitrat 65%, etanol p.a, paladium asbestos, timah (II) klorida  p.a.  Sedangkan  alat  yang  digunakan pada  penelitian  ini  adalah  alat  gelas  yang biasa  digunakan  di  laboratorium,  avometer, difraktometer  sinar-X  (XRD),  mikroskop pemindai  elektron  (SEM),  pemanas  listrik, pengaduk magnet, sonikator, dan tanur.
Pembuatan film tipis timah (II) oksida Sebanyak  0,5641  g  timah  (II)  klorida dihidrat  dilarutkan  dalam  10mL  akuades  dan dihomogenkan  selama  4  jam,  kemudian ditambahkan  3mL  etanol  dan  dihomogenkan kembali  selama  15  jam  hingga  terbentuk  sol SnO 2 .  Sol  SnO 2 dipanaskan  pada  suhu  40 0 C selama  30  menit  sambil  tetap  dihomogenkan di  atas  pengaduk  magnet.  Setelah  itu ditambahkan  prekursor  dopan  amonium fluorida  (sebagai  %  berat  untuk  timah  (II) klorida)  dengan  variasi  5%,  6%,  7%,  8%,  9% dan  10%  (b/b)  dan  dihomogenkan  selama  30 menit  hingga  didapat  gel  SnO 2 .  Setelah  itu, dihomogenkan kembali dengan alat sonikator dengan  frekuensi  30  Hz  selama  30  menit. Kemudian  ditambahkan  0,001  g  paladium oksida  (PdO).  Gel  SnO 2 yang  dihasilkan diendapkan pada substrat kaca dan dipanaskan  pada  suhu  70 o C  dan  100 o C masing-masing  selama  1  jam.  Film  tipis  yang dihasilkan diukur nilai resistansinya.

## Pembuatan paladium oksida
Sebanyak  0,25  g  paladium  asbestos ditambahkan  ke  dalam  akua  regia  (asam klorida  :  asam  nitrat  3:1)  dengan  pipet  tetes sambil  dipanaskan  sampai  larutan  berwarna kuning dan paladium asbestos larut. Kemudian  ditambahkan  akuades  sebanyak 250  ml  dan  amonia  dipipet  sampai  larutan berwarna putih.Larutan didiamkan selama 24 jam,  lalu  didekantasi  dan  dicuci  dengan akuades sebanyak 3 kali. Kemudian disaring
dengan membrane  filter lalu  dipanaskan. Serbuk putih PdO yang didapatkan kemudian ditimbang.
Karakterisasi film tipis timah (II) oksida Karakterisasi  film  tipis  timah  (II)  oksida dilakukan  dengan  menggunakan  XRD  dan SEM.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam penelitian ini, digunakan prekursortimah  (II)  klorida  (SnCl 2 )  yang memiliki  sifat  tidak  mudah  larut  dalam  air, apabila  dilarutkan  dalam  air  menghasilkan sistem  suspensi,  dimana  butir-butir  SnCl 2 mengendap  sehingga  harus  dilakukan  proses pengadukan  yang  terus  menerus  dengan menggunakan
pengaduk magnet. Penambahan etanol (C 2 H 5 OH) bertujuan agar mempermudah proses pelarutan dan menghasilkan senyawa logam alkoksida.
Tahapan  metode  sol-gel  meliputi  reaksi hidrolisis, reaksi kondensasi, dan pengeringan atau kalsinasi.

## Hidrolisis
Hidrolisis  merupakan  reaksi  penguraian garam  oleh  air  atau  reaksi  ion-ion  garam dengan air. Pada penguraian garam ini, dapat terjadi  beberapa  kemungkinan,  yaitu:  ion garam  bereaksi  dengan  air  menghasilkan  ion H + sehingga  menyebabkan  [H + ]  dalam  air bertambah  dan  akibatnya  [H + ]  lebih  besar dari  [OH - ]  maka  larutan  bersifat  asam;  ion garam  tersebut  tidak  bereaksi  dengan  air, sehingga  [H + ]  dalam  air  akan  tetap  sama dengan [OH - ], maka air akan tetap netral (pH = 7). Reaksi hidrolisis: -M-OR + H 2 O  -M-OH + R-OH Pada  tahap  pertama  prekursor  SnCl 2 dilarutkan  dalam  alkohol  dan  terhidrolisis dengan  penambahan  air  pada  kondisi  netral selama 4 jam, kemudian homogenisasi selama 15  jam  menghasilkan  sol  koloid.  Pada  reaksi hidrolisis  terjadi  penempelan  ion  hidroksil pada  atom  logam  dengan  pemutusan  pada salah satu ikatan logam alkoksida atau garam anorganik.  Proses  ini  berlangsung  lama karena  SnCl 2 berbeda  kepolaran  dengan  air sehingga  membutuhkan  waktu  yang  lama untuk menghasilkan fase sol. Lama pengadukan  dan  suhu  sangat  mempengaruhi kestabilan koloid. Reaksi hidrolisis berlangsung melalui persamaan reaksi:
(OC 2 H 5 ) 3 SnOC 2 H 5 (aq) + H 2 O (l) (OC 2 H 5 ) 3 SnOH (aq) + C 2 H 5 OH (aq)
Peningkatan rasio air atau prekursor akan meningkatkan reaksi hidrolisis yang mengakibatkan  reaksi  berlangsung  cepat sehingga waktu gelasi lebih cepat.

## Kondensasi
Pada  tahap  ini  terjadi  proses  transisi  sol menjadigel.  Reaksi  kondensasi  melibatkan ligan  hidroksil  untuk  menghasilkan  polimer dengan ikatan -M-O-M.
Dalam  penelitian  ini,  reaksi  kondensasi berlangsung dengan bantuan pemanasan pada suhu  40 o C  selama  30  menit  yang  kemudian dihomogenisasi dengan alat sonikator. Molekul  yang  telah  terhidrolisis  dapat bergabung membentuk
hasil reaksi kondensasi,  dimana  dua  logam  digabungkan melalui  rantai  oksigen.Polimer-polimer  besar terbentuk saat reaksi hidrolisis dan kondensasi berlanjut, yang akhirnya menghubungkan  polimer-polimer  tersebut  ke dalam bentuk gel.
Logam  oksida  yang  diharapkan  dalam penelitian  ini  adalah  SnO 2 dapat  terbentuk melalui drying atau firing yaitu  tahap lanjutan  dalam  metode  sol-gel.Pemberian dopan dapat menyebabkan munculnya tingkat energi  baru dalam  energi gap sehingga  dapat mempengaruhi  sifat-sifat  listrik  seperti  nilai konduktivitas  dan  resistansi  dari  bahan semikonduktor tersebut.
Paladium  merupakan  aktivator  yang digunakan  untuk  meningkatkan  sensitivitas dari  sensor.  Penambahan  paladium  dapat menghasilkan  berbagai  jenis  ionik  oksigen pada  permukaan  film  tipis  dalam  proses adsorpsi dan desorpsi saat film tipis diberikan respon  gas  sehingga  sifat  sensitivitas  sensor akan meningkat.
Paladium  yang  ditambahkan  ke  dalam SnO 2 harus diubah sifatnya menjadi nanopartikel  paladium  oksida  (PdO)  yang dibuat  dari  paladium  asbestos  dilarutkan dengan akua regia (asam klorida : asam nitrat dengan
perbandingan
3:1) untuk menghasilkan  paladium  klorida  (PdCl), kemudian  ion  klorida  harus  dihilangkan terlebih dahulu dengan menambahkan amonia  dilanjutkan  dengan  proses  dekantasi, pencucian  dan  penyaringan  lalu  didapat serbuk PdO.
Sifat Film Tipis Timah (II) Oksida
Morfologi  permukaan  dari  film  tipis timah  (II)  oksida  (SnO 2 )  dikarakterisasi dengan  menggunakan  instrumen Scanning Electron Microscope (SEM). Hasil karakterisasi  SEM  pada  Gambar  1(a) memperlihatkan  struktur  morfologi  SnO 2 dengan penambahan dopan amoniun flourida 9%,  pembesaran  2.000x  dan  hasil  SEM  pada perbesaran  30.000x  yang  ditunjukkan  pada Gambar 1(b) terlihat banyaknya pori.
(a) (b) Gambar 1. (a) Morfologi permukaan pembesaran 2.000x, (b) ukuran kristal pembesaran 30.000x.
Gambar  1  menunjukkan  bahwa  ukuran kristal film tipis SnO 2 bervariasi antara 84nm -149nm.  Berdasarkan  skala  bar  yang dihasilkan, dapat diprediksi ukuran pori rata- rata adalah 84 nm. Untuk sensor gas, semakin banyak  pori  akan  semakin  meningkatkan sensitivitas  sensor.  Pori-pori  tersebut  akan menangkap oksigen sehingga oksigen terjebak didalam  pori-pori  yang  dapat  menyebabkan konduktivitas  semakin  besar  dan  nilai resistensi semakin menurun.
Komposisi  dari  material  yang  terbentuk dilakukan pengujian dengan Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) (Gambar 2).
Gambar 2. Komposisi dari material SnO 2 dengan EDS.
Hasil  EDS  menunjukkan  bahwa  material yang digunakan mengandung SnO 2 dan PdO.
Ini  berarti  dengan  metode  sol-gel  didapatkan kristal SnO 2 dengan elemen-elemen penyusunnya  yaitu  oksigen  dengan  persen massa  20,10%,  flour  dengan  persen  massa 3,20%, paladium dengan persen masa 4,82%, stanum dengan persen massa  71,88%. Puncak stanum  dapat  diketahui  pada  energi  sebesar 3,442. Komposisi ini mendekati perbandingan massa reaktan yang pada proses sintesisnya.
Karakterisasi  struktur  film  tipis  SnO 2 dilakukan  dengan X-Ray  Diffraction (XRD) (Gambar 3).
Gambar 3. Pola difraksi sinar-x film tipis SnO 2 dengan penambahan dopan NH 4 F 9%.
Gambar 3 memperlihatkan bahwa sampel uji  mengandung  adanya  Kristal  SnO 2 berdasarkan  posisi  2  yang  puncak  sampel yang mirip dengan 2  standar SnO 2 . Puncak- puncak khas SnO 2 diantaranya pada 2  26,1, 34,9,  43,0,  52,2,  61,0,  dan  77,1.  Puncak- puncak yang agak melebar sesuai dengan hasil morfologinya  berdasarkan  pengukuran  SEM dihasilkan  partikel  dan  membentuk  pori dalam skala nanometer.
Pengukuran  nilai  resistansi  dilakukan terhadap  koloid  gel  yang  telah  ditambahkan NH 4 F 5%, 6%, 7%, 8%, 9% dan 10% kemudian diukur pada saat tidak direspon dan direspon dengan  gas  CO.  Perlakuan  dilakukan  pada suhu  pemanasan  70 o C  dan  100 o C  yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan Gambar 5.
Sifat  sensor  gas  suatu  oksida  semi- konduktor  dapat  terjadi  pada  interaksi permukaan  dan  interaksi  fasa  ruahnya. Besarnya  perbanding  permukaan  terhadap volume  struktur-nano  film  tipis  SnO 2 sangat dipengaruhi  oleh  interaksi  NH 4 F-SnO 2 di permukaan.  Semakin besar kandungan dopan NH 4 F  semakin  kecil  nilai  resistensinya. Penurunan resistensi juga terjadi pada proses
pengujian pada 100  C. Namun terlihat sedikit perbedaan pola penurunan resistensinya pada suhu  70 o C  penurunan  resistensi  melambat mulai penambahan NH 4 F 7%, sedangkan pada suhu  100  C  pada  penambahan  NH 4 F  6-8  % terlihat  lambat  dan  penurunan  resistansi tajam  kembali  terjadi  pada  8%  penambahan NH 4 F.  Sangat dimungkinkan perbedaan pola penurunan  resistensi  dikarenakan  perbedaan kuatnya  interaksi NH 4 F-SnO 2 berbeda seiring dengan perbedaan suhu.
Gambar 4. Nilai resistansi film tipis SnO 2 dengan penambahan NH 4 F dengan suhu pemanasan 70 o C.
Gambar 5. Nilai resistansi film tipis SnO 2 dengan penambahan NH 4 F dengan suhu pemanasan 100 o C.
KESIMPULAN Dari
hasil penelitian, diperoleh kesimpulan:  (1)  film  tipis  SnO 2 yang dihasilkan  memiliki  ukuran  sekitar  84  nm sampai  149nm  dengan  hasil  terbaik  pada penambahan  dopan  amonium  flourida  10% (b/b)  baik  pada  suhu  pemanasan  70 o C  dan 100 o C; dan (2) film tipis SnO 2 yang dihasilkan dapat  digunakan  sebagai  media  sensor  gas karbon monoksida (CO) yang dibuktikan dari penurunan  nilai  resistansi  bila  direspon dengan gas CO. Sensitivitas terbaik yaitu pada
0 1 2 3 4 5% 6% 7% 8% 9% 10% Resis ta ns i (M Ω ) Konsentrasi (b/b) tanpa respon gas CO dengan respon gas CO 0 1 2 3 4 5% 6% 7% 8% 9% 10% Resis ta ns i (M Ω ) Konsentrasi (b/b) tanpa respon gas CO dengan respon gas CO
film  tipis  SnO 2 penambahan  dopan  amonium flourida 10% (b/b) baik pada suhu pemanasan 70 o C dan 100 o C.
Ucapan Terima Kasih Ungkapan rasa terima kasih kepada Prof. Dr.  Wesly  Hutabarat,  M.Sc.  yang  telah menelaah draft makalah penelitian (manuscript) yang dibuat secara ringkas.

## DAFTAR PUSTAKA
Haridas, D., V.Gupta., & K.Sreenivas. (2009). Enhanced Catalytic Activity Of Nanoscale Platinum Islands Loaded Onto SnO 2 Thin Film For Sensitive LPG Gas Sensors. Bull. Mater.Sci. Indian  Academy  of  Sciences ,
Vol. 31.
Morrison,  S.R.  (1994). Chemical  Sensors:
Semiconductor Sensors . SM Sze (Editor).
John Wiley & Sons, Inc. New York. Patil,  G.E.,  D.D.  Kajale.,  D.N.  Chavan.,  N.K. Pawar.,  P.T.  Ahire.,  S.D.  Shinde.,  V.B. Gaikwad., & G.H. Jain. (2009). Synthesis, Characterization  and  Gas  Sensing Performance  of  SnO 2 Thin  Films Prepared  by  Spray  Pyrolysis .  Commerce and Science College. India . Widodo,  S.  (2010). Teknologi  Sol  Gel  Pada Pembuatan Nano Kristalin Metal Oksida Untuk  Aplikasi  Sensor  Gas . Prosiding seminar rekayasa kimia dan proses 2010. ISSN: 1411-4216.