Wilda  Amananti  /  Analisis  Sifat  Optis  Lapisan  Tipis  ZnO,  TiO 2 ,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan  Tanpa  Lapisan  Penyangga  yang Dideposisikan Menggunakan Metode Sol-Gel Spray Coating
Analisis  Sifat  Optis  Lapisan  Tipis  ZnO,  TiO 2 ,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan Tanpa  Lapisan  Penyangga  yang  Dideposisikan  Menggunakan  Metode

## Sol-Gel Spray Coating

## Wilda Amananti, Heri Sutanto
Jurusan Fisika Universitas Diponegoro Jl. Prof Soedarto. S.H. Tembalang - Semarang Amananti_wilda@yahoo.com
Abstrak – Pada penelitian ini lapisan tipis TiO 2 , ZnO, TiO 2 :ZnO, dengan dan tanpa lapisan penyangga    telah berhasil di deposisi di atas subtrat kaca menggunakan metode sol-gel dengan teknik spray coating. Sifat optik lapisan tipis TiO 2 , ZnO, TiO 2 :ZnO, dengan dan tanpa lapisan penyangga    dikarakterisasi dengan menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Hasil  pengujian  menunjukan  bahwa  kualitas  lapisan  tipis  TiO 2 :ZnO  yang  ditumbukan  di  atas  subtrat  kaca  lebih  baik dari  pada  lapisan  tipis  TiO 2 dan  lapisan  tipis  yang  ditumbuhkan  pada  lapisan  penyangga  ZnO  lebih  baik  daripada lapisan  tipis  yang  ditumbuhkan  langsung  pada  substrat  kaca.  Selain  itu  dengan  adanya  lapisan  penyangga  dapat memperkecil celah pita energi lapisan tipis. Besarnya celah pita energi lapisan tipis    TiO 2 , ZnO, TiO 2 :ZnO, ZnO/TiO 2 , ZnO/TiO 2 :ZnO masing masing secara berturut-turut adalah 3,2 eV; 3,12 eV; 3,08 eV; 3,04 eV dan 3,0 eV. .
Kata kunci: sol-gel , spray coating , ZnO, TiO 2 , Celah pita energi
Abstract  –  In  this  study,  a  thin  layer  of  TiO2,  ZnO,  TiO2:  ZnO,  with  and  without  a  buffer  layer  deposition  has  been successfully deposited on glass substrate using sol-gel method with a spray coating technique. The optical properties of thin  layers  of  TiO2,  ZnO,  TiO  2:  ZnO,  with  and  without  a  buffer  layer  was  characterized  using  UV-Vis spectrophotometer. The results showed that thin layer quality of TiO 2: ZnO grown on the glass substrate is better than a thin  layer  of  TiO2  and  a  thin  layer  grown  on  ZnO  buffer  layer  is  better  than  a  thin  layer  grown  directly  on  glass substrates.  In  addition to  the  buffer  layer can  reduce the energy  band  gap  of thin  layer.  The  magnitude  of the  energy band gap of thin layers of TiO2, ZnO, TiO2: ZnO, ZnO / TiO2, ZnO / TiO2: ZnO each respectively is 3.2 eV; 3.12 eV; 3.08 eV; 3.04 eV and 3.0 eV.
Key words: sol-gel , spray coating , ZnO, TiO 2, Energy band gap

## I. PENDAHULUAN
Lapisan  tipis  merupakan  material  dengan  ketebalan tidak  lebih  dari  10  µm  yang  melapisi  suatu  substrat. Pembuatan  lapisan  tipis  semikonduktor  pada  suatu substrat merupakan inovasi untuk mendapatkan semikonduktor  fotokatalis  yang  mudah  ditangani  dalam aplikasi  fotokatalis.  Keuntungan  dari  lapisan  tipis  ini adalah  tidak  mengalami  kesulitan  ketika  dilakukan pemisahan  lapisan  tipis  semikonduktor  dari  larutan  zat yang didegradasi, sehingga lapisan tipis dapat digunakan lebih dari satu kali pakai [7].
TiO 2 dapat  dibuat  sebagai  bahan  untuk  pembuatan lapisan  tipis.  TiO 2 dikenal  menjadi  kandidat  material yang  baik  untuk  degradasi  polutan  lingkungan  karena aktivitas fotokatalis tinggi, tidak beracun dan stabil dalam larutan air serta biaya yang relatif rendah [9]. TiO 2 dalam bentuk lapisan tipis lebih menguntungkan dari pada TiO 2 dalam  bentuk  serbuk  karena  lebih  mudah  dalam penyimpanan  dan  aplikasinya  dalam  berbagai  tempat, karena  lapisan  tahan  gores  dan  tidak  mudah  larut  dalam air maupun gas.
Penggunaan material TiO 2 dalam bentuk film tipis juga masih  ditemukan  kendala-kendala  dalam  aplikasinya yaitu  terjadinya  reaksi  rekombinasi  yang  sangat  cepat, sehingga proses fotodegradasi yang terjadi di permukaan
fotokatalis TiO 2 tidak dapat berkerja secara maksimal [2]. Kelemahan  TiO 2 tersebut    dapat  diperbaiki  dengan menggunakan  perpaduan  antara  TiO 2 dengan  suatu oksida  lain.  Salah  satu  oksida  yang  banyak  digunakan adalah  ZnO  karena  sama-sama  semikonduktor  yang memiliki  penyerapan  optik  di  daerah  ultraviolet  dengan celah  pita  energi    hampir  sama  dengan  TiO 2 [10]. Penggunaan  ZnO  ini  diharapkan  mampu  menghambat proses rekombinasi pada fotokatalis TiO 2 , sehingga dapat meningkatkan  aktivitas  fotokatalis  dari  TiO 2 .  Senada dengan  pernyataan  yang  diungkapkan  oleh  Ortega  yang melaporkan  bahwa  penggabungan  semikonduktor  yang berbeda  telah  direkomendasikan  untuk  mendisain  sistem fotokatalitik  untuk  mengurangi  laju  rekombinasi  dari masing-masing semikonduktor tunggal [5].
Berbagai macam sistem, termasuk sistem penggabungan  ZnO/semikonduktor,  penggabungan  dua atau  lebih  material  semikonduktor  dengan tingkat  energi yang  tepat  termasuk  lapisan  ZnO  berbasis  multi-layer dapat  menjadi  solusi  [8].  Lapisan  tipis  multi-layer menunjukkan  sifat  fisik  yang  berbeda  dengan  lapisan tipis monolayer konvensional. Kualitas lapisan tipis yang ditumbuhkan  pada  lapisan  penyangga  tampak  lebih  baik daripada    lapisan tipis yang ditumbuhkan langsung pada substrat  [8].  TiO 2 yang  digabung  dengan  ZnO  dapat
Wilda  Amananti  /  Analisis  Sifat  Optis  Lapisan  Tipis  ZnO,  TiO 2 ,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan  Tanpa  Lapisan  Penyangga  yang Dideposisikan Menggunakan Metode Sol-Gel Spray Coating
meningkatkan  efektifitas  fotokatalis  karena  efek  dari penggabungan  sifat  fotokatalisnya.  Oleh  karena  itu, menggabungkan  dua  bahan-bahan  tersebut  ke  dalam struktur  terintegrasi  bisa  meningkatkan  fungsi  kerja  dari sebuah material fotokatalis [1].
Pada  penelitian  ini  dilakukan  studi  pembuatan  lapisan tipis  TiO 2 ,  ZnO,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan  tanpa  lapisan penyangga ZnO menggunakan teknik spray coating pada temperatur  450  ºC.  Pengaruh  penambahan  ZnO terhadap karakteristik  sifat  optis  lapisan  TiO 2 :ZnO  dan  pengaruh lapisan  penyangga  terhadap  karakteristik  sifat  optis lapisan  tipis  ZnO/TiO 2 dan  ZnO/TiO 2 :ZnO  akan  dikaji dalam paper ini.

## II. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN
Penelitian  dilakukan  melalui  3  tahap,  yaitu:  proses pembuatan larutan TiO 2 dan ZnO dengan metode sol-gel , proses pelapisan (deposisi) lapisan TiO 2 , ZnO, TiO 2 :ZnO dengan dan tanpa lapisan penyangga ZnO di atas substrat kaca  dengan  metode spray  coating ,  karakterisasi  lapisan tipis  TiO 2 ,  ZnO,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan  tanpa  lapisan penyangga ZnO menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Proses  pembuatan  larutan  TiO 2 dan  ZnO  dilakukan dengan  menggunakan  metode sol-gel dengan  molaritas larutan sebesar 0,5 M. Pembuatan larutan ZnO dilakukan dengan  melarutkan zinc  acetate  dehydrate (Strem Chemical,  99,998%)  ke  dalam  larutan isopropanol (Merck,  99,8%)  lalu  ditambahkan monoethanolamine (Merck, 99,8%) dan diaduk selama 30 menit dengan suhu 70 o C  sampai  larutan  (prekursor)  homogen.  Pembuatan larutan  TiO 2 , pertama titanium tetraisopropoxide (Aldrich,  97%)  dilarutkan  ke  dalam  campuran  berisi isopropanol dan etanol pada temperatur ruang. Setelah 30 menit,  larutan  dititrasi  dengan  campuran  asam  asetat, etanol,  dan  air  murni  dan  diaduk  selama  60  menit  pada temperatur ruang.
Proses  pelapisan  TiO 2 ,  ZnO,  TiO 2 :ZnO  dengan  dan tanpa  lapisan  penyangga  di  atas  substrat  kaca menggunakan  teknik spray  coating .  Sebelum  proses deposisi, substrat kaca dibersihkan terlebih dahulu sesuai standar  RCA  ( Radio  Corporation  of  America )  untuk menghilangkan  kotoran  organik.    Substrat  kaca  yang telah  dibersihkan  diletakkan  di  atas hot  plate pada temperatur  450 o C  selama  10  menit  kemudian  larutan TiO 2 , ZnO, TiO 2 :ZnO disemprot di atas substrat kaca dan untuk  lapisan  tipis  TiO 2 dan  TiO 2 :ZnO  dengan  lapisan penyangga,
ZnO terlebih dahulu disemprot diatas subtrat kaca pada suhu  250 o C  kemudian  suhu  dinaikan  sampai  450 o C didiamkan  selama  30  menit,  kemudian  masing-masing larutan  TiO 2 dan  TiO 2 :ZnO  disemprotkan  diatas  lapisan ZnO tersebut. Lapisan tipis TiO 2 , ZnO, TiO 2 :ZnO dengan dan  tanpa  lapisan  penyangga  tersebut,  dikarakterisasi menggunakan  Spektrofotometer  UV-Vis  Mini  1240SA (Shimadzu)  dengan  rentang  panjang  gelombang  sinar ultraviolet  sampai  cahaya  tampak  (200-800  nm)  untuk mengetahui  nilai  transmitansi  dan  absobansi  setelah  itu dianalisis untuk mendapatkan nilai celah pita energinya.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Deposisi  lapisan  tipis  TiO 2 ,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan tanpa lapisan penyangga ZnO yang dideposisikan di atas substrat kaca dengan teknik spray coating telah dilakukan dan hasil deposisi dapat ditunjukkan pada gambar 1 .
Gambar  1  menunjukan  bahwa  hasil  subtrat  kaca  yang terlapisi  lapisan  tipis  TiO 2 ,  ZnO,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan tanpa  lapisan  penyangga  ZnO terlapisi dengan  baik, rata dan  tebal.  Ketebalan    lapisan  memberikan  pengaruh terhadap beberapa sifat optik material, seperti absorbansi dan transmitansi. Semakin tebal (tidak transparan) lapisan yang  terbentuk,  akan  menyebabkan  nilai  absorbansi  dan nilai  konstanta  peredaman  semakin  besar  dan  nilai transmitansi semakin kecil [4].
Gambar 2 menunjukan bahwa lapisan tipis TiO 2 , ZnO, dan  TiO 2 :ZnO  tanpa  lapisan  penyangga  ZnO  memiliki nilai transmitansi yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang menggunakan  lapisan  penyangga.  Hal  ini menunjukan lapisan tipis TiO 2 , ZnO, dan TiO 2 :ZnO tanpa lapisan penyangga lebih transparan dan dapat melewatkan  cahaya  tampak  dengan intensitas  yang lebih tinggi.
Gambar 1. Lapisan tipis (A) TiO 2 , (B) ZnO, (C) ZnO/TiO 2 , (D) TiO 2 :ZnO dan (E) ZnO/TiO 2 :ZnO yang dideposisikan diatas subtrat kaca
Gambar 2. Spektrum Transmitansi UV-Vis lapisan tipis TiO 2 , ZnO, TiO 2 :ZnO, ZnO/TiO 2 dan ZnO/TiO 2 :ZnO
Wilda  Amananti  /  Analisis  Sifat  Optis  Lapisan  Tipis  ZnO,  TiO 2 ,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan  Tanpa  Lapisan  Penyangga  yang Dideposisikan Menggunakan Metode Sol-Gel Spray Coating
Gambar 3. Spektrum absorbansi UV-Vis lapisan tipis TiO 2 , ZnO, TiO 2 :ZnO, ZnO/TiO 2 dan ZnO/TiO 2 :ZnO
Hal  ini  sesuai  dengan  teori  yang  menyatakan  bahwa semakin tidak transparan lapisan akan menyebabkan nilai absorbansi  semakin  besar  dan niali  transmitansi  semakin kecil [11].
Gambar 3 menunjukan lapisan tipis TiO 2 dan TiO 2 :ZnO tanpa  lapisan  penyangga  mengalami  penyerapan  pada wilayah  UV  (300nm-380nm).  Nilai  rata-rata  absorbansi lapisan  tipis  TiO 2 terlihat  lebih  rendah  dibandingkan dengan  lapisan  tipis  TiO 2 :ZnO  yang  disebabkan  adanya penambahan ZnO pada TiO 2 . Apabila dilihat dari bentuk fisik  lapisan  tipis  TiO 2 :ZnO  terlihat  lebih  tebal dibangdingkan dengan TiO 2 . Semakin tebal lapisan maka nilai absorbansi akan semakin tinggi. Hal ini dikarenakan banyaknya  atom-atom  bahan  yang  terlibat  dalam  proses penyerapan berkas cahaya.
Puncak  absorbansi  lapisan  tipis  TiO 2 dan  TiO 2 :ZnO dengan  lapisan  penyangga  bergeser  kearah  panjang gelombang  yang  lebih  besar  berada pada  sekitar  panjang gelombang  380nm-400nm  (kearah  cahaya  tampak) dibandingkan  dengan  lapisan  tipis  TiO 2 dan  TiO 2 :ZnO tanpa  lapisan  penyangga.  Hal  ini  sebabkan      pelapisan yang  dilakukan  dua  kali  untuk  membentuk  lapisan ZnO/TiO 2 dan ZnO/TiO 2 :ZnO, sehingga lapisan permukaan  TiO 2 dan  TiO 2 :ZnO  dengan  lapisan penyangga  lebih  tebal  jika  dibandingkan  lapisan  TiO2 maupun  TiO 2 :ZnO  tanpa  lapisan  penyangga  yang  hanya sekali pelapisan .
Celah  pita  energi  TiO 2 ,  ZnO,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan tanpa  lapisan  penyangga  diperoleh  melalui  pengeplotan data absorbsi menggunakan persamaan transisi langsung. Plot  (αhυ) 2 vs  hυ ditunjukkan  pada  gambar  4,  dengan mengekstrapolasi  bagian  linier  dari  kurva  ke  garis absorbsi  nol  memberikan  nilai  celah  pita  energi  untuk transisi langsung.
Tabel  1 .  Celah  pita  energi  lapisan  tipis  TiO 2 ,  ZnO,  TiO 2 :ZnO, dengan dan tanpa lapisan penyangga.
Gambar 4. Celah pita energi lapisan tipis (A) TiO 2 , (B) ZnO, (C) TiO 2 :ZnO, (D) ZnO/TiO 2 dan (E)ZnO/TiO 2 :ZnO
Gambar  4  memperlihatkan  adanya  penurunan  nilai celah  pita  energi  dengan  adanya  lapisan  penyanga  ZnO. Besarnya  nilai  celah  pita  energi  untuk  masing  masing sampel    diberikan oleh tabel    1.
Penurunan  celah  pita  energi  terjadi  seiring  dengan pergantian  molekul  ZnO  pada  TiO2,  karena  secara  teori celah  pita  energi  TiO2  murni  lebih  kecil  dibandingkan dengan celah pita energi ZnO murni [4].Oleh karena lebar celah pita mengecil, maka hanya dibutuhkan energi foton yang untuk mengeksitasi elektron dari pitavalensi ke pita konduksi  yang  akan  mengakibatkan  meningkatnya aktifitas fotokatalis.

## IV. KESIMPULAN
Lapisan  tipis  TiO 2 ,  ZnO,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan  tanpa lapisan  penyangga  telah  berhasil  ditumbuhkan  di  atas substrat  kaca  dengan  metode spray  coating .  Dengan adanya  penambahan  ZnO  pada  TiO 2 ,  nilai  absorbsinya meningkat,  %transmitansinya  menurun,  dan  dengan adanya  lapisan  penyangga  dapat  menurunkan  celah  pita energi. Hasil pengujian menunjukan kualitas lapisan tipis yang  ditumbuhkan  pada  lapisan  penyangga  lebih  baik daripada  lapisan  tipis  yang  ditumbuhkan  langsung  pada substrat.
Sampel Eg (eV) TiO 2 ZnO 3,20 3,12 TiO 2 :ZnO ZnO/TiO 2 3,08 3,04 ZnO/TiO2:TiO 2 3,00
Wilda  Amananti  /  Analisis  Sifat  Optis  Lapisan  Tipis  ZnO,  TiO 2 ,  TiO 2 :ZnO,  dengan  dan  Tanpa  Lapisan  Penyangga  yang Dideposisikan Menggunakan Metode Sol-Gel Spray Coating

## PUSTAKA
[1] Deng, J., Yu Bo, Lou, Z., Wang, L., Wang, R., Zhang, T., 2013, Facile  Synthesis  and  Enhanced  Ethanol  Sensing Properties  of  The  Brush-Like  ZnO–TiO 2 Heterojunctions Nanofibers , Sensors and Actuators B vol. 184 hal. 21– 26.
[2] Diebold,  U.,  2002, The  Surface  Science  of  Titanium Dioxide ,  New  Orleans:  Surface  Science  Report  vol.  48 hal. 53-229.
[3] Firdaus,  C.M.,  Rizam  M.S.B.S.,  Rusop  M.,  dan  Hidayah S.R..  2012. Characterization  of ZnO and  ZnO:TiO 2 Thin Films Prepared by Sol-Gel Spray-Spin Coating Technique . Procedia Engineering 41 1367 – 1373.
[4] Maddu,  A.,  dkk,  2010, Pengaruh  Ketebalan  terhadap Sifat Optik Lapisan Semikonduktor Cu 2 O yang Dideposisikan dengan Metode Chemical Bath Deposition ,
Pusat  Penelitian  Fisika  –  LIP,  Departemen  Fisika  – FMIPA,  Institut  Pertanian  Bogor,  Kampus  IPB  Darmaga, Indonesia.
[5] Ortega,  R,D.,  Meléndez,  M,  A.,  dan  Pena,  A,P.  2014. Semiconducting properties of ZnO/TiO2composites byelectrochemical  measurements  and  their  relationship withphotocatalytic activit. Electrochimica  Acta  140  541– 549.
[6] Pant,  H.R.,  Pant  B.,  Sharma  R.K.,  Amarjargal  A.,  Kim H.J.,  Park  C.H.,  Tijing  L.D.,  dan  Kim  C.S.  2013.
Antibacterial and Photocatalytic Properties of Ag/TiO 2 /ZnO  Nano-Flowers  Prepared  by  Facile  One-Pot
Hydrothermal  Process .  Ceramics  International  39  1503– 1510.
[7] Rahmawati,  Fitria,  Sayekti,  W.,  dan  Pamularsih,  A.W., 2006, Synthesis  of  Thin  Film  of  TiO 2 on  Graphite Substrate by Chemical Bath Deposition ,  Indo.  J.  Chem.  6 (2), 121-126.
[8] Talebian,  N.,  Nilforoushan,  Salehi  Z.,  2012, Effect  of Heterojunction on Photocatalytic Properties of Multilayered ZnO-Based Thin Films, Ceramics International vol. 38 hal. 4623–4630.
[9] Tian, J., Chen L., Yin Y., Wang X, Dai J., Zhu Z., Liu X., dan  Wu  P.  2009. Photocatalyst  of  TiO 2 /ZnO  Nano Composite  Film:  Preparation,  Characterization,  and Photodegradation  Activity  of  Methyl  Orange .  Surface  &
Coatings Technology 204 205–214.
[10] Tian, J.,  Wang  J.,  Dai  J.,  Wang  X., dan  Yin  Y.  2009. N- Doped TiO 2 /ZnO Composite Powder and Its Photocatalytic  Performance  for  Degradation  of  Methyl Orange . Surface & Coatings Technology 204 723–730.
[11] Trimuda,  G.E.  dan  Maddu  A.  2010. Pengaruh Ketebalan terhadap  Sifat  Optik  Lapisan  Semikonduktor  Cu 2 O  yang Dideposisikan  dengan Metode  Chemical  Bath  Deposition (CBD) .  Jurnal  Ilmu  Pengetahuan  dan  Teknologi TELAAH, Volume 28.