## Pengaruh  Konsentrasi  Hidroflour  Terhadap  Gugus  Fungsi Permukaan Silikon Berpori
Wa Ode Sitti Ilmawati*, Wa Ode Sitti Musnina, Muhamad Handoyo Sahumena
* Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Halu Oleo, Kampus Hijau Bumi Tridharma Anduonohu Kendari 93232

## Abstrak
Penelitian tentang silikon berpori ( porous silicon -PS) yang dibuat dengan cara anodisasi wafer silikon [111] tipe-p dalam larutan asam  hidroflour  (HF)  telah  dilakukan.  Penelitian  ini  bertujuan  mengetahui  pengaruh  konsentrasi  larutan  HF  terhadap  gugus fungsi  permukaan  PS.  Konsentrasi  larutan  HF  bervariasi  yaitu  20%,  40%,  dan  48%.  Waktu  anodisasi  berlangsung  selama  40 menit.  Selama  proses  anodisasi  digunakan  magnetik  stirer  untuk  menjaga  homogenitas  larutan  HF.  Hasil  karakterisasi  FTIR menunjukkan  bahwa  konsentrasi  larutan  HF  memengaruhi  gugus  fungsi  permukaan  PS  yang  ditunjukkan  dengan  munculnya gugus SiH n . PS yang dianodisasi dalam larutan HF 20% dan  40%  menunjukkan letak gugus SiH n yang relatif sama.
Kata kunci: Wafer silikon, silikon berpori, porous silicon (PS), asam hidroflour (HF), gugus fungsional, FTIR

## 1. Pendahuluan
Gejala  fotoluminesens  ditemukan  pada  silikon berpori  ( porous  silicon -PS)  [1].  Kemudian  ditemukan gejala elektroluminesens pada rangkaian berbasis PS [2, 3]. Sejak saat itu banyak ahli berminat meneliti material ini.
Ciri  utama  PS  adalah  struktur  pori  berukuran nanometer  dan  adanya hidrogen  pada  lapisan permukaan  PS  [4].  Atom  Si  dan  H  berikatan  dalam bentuk  SiH n (n=1,  2,  dan  3)  merupakan  pusat rekombinasi raditif  yang berperan pada fotoluminesens dan  elektroluminesens.  Keberadaan  gugus  Si-H n pada material berbasis Si diteliti  menggunakan spektrometer fourier transform infrared (FTIR) [5]. SiH muncul pada bilangan  gelombang  sekitar  2197  cm -1 -2087  cm -1 ,  979 cm -1 ,  dan  661  cm -1 ;  SiH 2 muncul  pada  bilangan gelombang  sekitar  906  cm -1 [6].  SiH 3 hadir  pada bilangan gelombang sekitar 2140 cm -1 [7]
Keunggulan  PS  adalah  mudah  direproduksi, murah,  dan  mengemisi  cahaya  pada  daerah  biru  dan hijau [2]. Gejala fotoluminesens dan elektroluminesens PS  memungkinkan  material  ini  dimanfaatkan  sebagai bahan  dasar  piranti  optoelektronik.  Sifat  reflektifnya menunjukkan PS bergunakan bagi rangkaian fotovoltaik dan fotodetektor [8].
Gole  berhasil  membuat  sensor  gas  berbasis  PS bersensitivitas  tinggi,  sumber  tegangan  kecil,  murah dan dapat diaplikasikan pada lingkungan, makanan dan biomedis  [9].  Saat  ini  PS  telah  dikembangkan  sebagai
biosensor  pada  alat  pengukur  gula  darah  yang  dapat beroperasi pada suhu kamar [10].
PS  menunjukkan  karakteristik  arus-tegangan  ( I-V ) yang  tidak  linear  [11].  Resistivitas  PS psi 10 4 Ωm, memberikan  daya  hantar  cukup  tinggi  sehingga  dapat diaplikasikan sebagai bahan dasar LED [6].
Grigoras  dan  Pacebutas  menggunakan  metode galvanostatik  untuk  pembentukan  permukaan  PS. Wafer  Si  dihubungkan  dengan  kutub  positif  sumber arus  dan  logam  emas  (Au)  dihubungkan  dengan  kutub negatif.  Larutan elektrolit  yang digunakan adalah asam hidroflourida [12].
Lavine  membandingkan  hasil  FTIR  permukaan wafer  silikon  dan  PS.  Puncak  serapan  sekitar  669  cm -1 diidentifikasi  sebagai  SiH,  puncak  serapan  sekitar  912 cm -1 diidentifikasi  sebagai    SiH 2 .  Puncak  serapan sekitar 2089-2112 cm -1 diidentifikasi sebagai stretching SiH n .  Puncak  serapan  yang  sudah  ada  sebelum anodisasi  menunjukkan gugus Si-Si pada 621 cm -1 dan Si-O-Si pada 1105 cm -1 [13].
PS  merupakan  salah  satu  subjek  penelitian  yang menarik  untuk  dikembangkan.  PS  dihasilkan  dari anodisasi  wafer  silikon  dalam  larutan  HF.  Hasilnya tergantung  pada  resistivitas  wafer  Si,  rapat  arus, konsentrasi  HF,  ukuran  pori,  porositas  dan  tekstur material.  Pada  kesempatan  ini  penulis  akan  membahas pengaruh konsentrasi larutan HF terhadap gugus fungsi PS.
Ilmawati, dkk: Pengaruh Konsentrasi HIdroflour Terhadap Gugus Fungsi Permukaan Silikon Berpori

## 2. Metode Penelitian
Wafer  silikon  tipe-p  berukuran  2  cm  x  2  cm sebagai  substrat.  Pelat  platina  berukuran  2  cm  x  2  cm sebagai  katoda.  Elektrolit  berupa  larutan  HF  dengan tiga  konsentrasi  berbeda,  yaitu  48%,  40%,  dan  20%. Teflon sebagai wadah elektrolit dan tempat pembentukan pori. Labu takar dengan ukuran maksimal 100  ml  untuk  mengukur  volume  larutan  HF.  Catudaya 0-60  mA  sebagai  sumber  arus.  Stirring  bar  berfungsi mengaduk  larutan  HF  selama  proses  anodisasi.  Kabel penghubung  untuk  menghubungkan  alat  elektronik yang digunakan. Proses anodisasi dilakukan menggunakan metoda galvanostatik [12].
Pembentukan  permukaan  PS  dilakukan  dengan cara membenamkan wafer silikon dan logam platina ke dalam  larutan  HF  48%.  Wafer  silikon  dihubungkan dengan  kutub  positif  dan  logam  platina  dihubungkan dengan  kutub  negatif  sumber  arus  konstan  60  mA. Sumber arus diaktifkan dan anodisasi dilakukan selama 40  menit  [14].  Sampel  dikeluarkan,  dicuci  dengan aquades,  dikeringkan  di  udara  terbuka,  dan  disimpan dalam  kotak  bertutup.  Berikutnya  sampel  PS  dibuat dengan konsentrasi larutan HF 40% dan 20%.
PS  dikarakterisasi  menggunakan  spektrometer Fourier  Transformation  Infrared (FTIR)  tipe  8201  PC Shimadzu.  Karakterisasi  dilakukan  untuk  mengetahui gugus fungsi permukaan PS.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Permukaan  wafer  Si  mudah  bereaksi  dengan hidrogen,  namun  sukar  bereaksi  dengan  ion  F - selama tidak  ada  hole  pada  permukaan  wafer  silikon  karena elektronegativitas H di sekitar Si dan induksi polarisasi rendah.  Jika  hole  mencapai  permukaan  wafer  silikon maka  ikatan  Si-H  dapat  bereaksi  dengan  ion  F - dan membentuk  ikatan  Si-F  (langkah  1  Gambar  1).  Karena pengaruh polarisasi ikatan F, ion F - lain dapat bereaksi, mengikat molekul H 2 dan menginjeksikan satu elektron ke  katoda  (langkah  2).  Akibat  induksi  polarisasi  gugus Si-F,  rapat  elektron  Si-Si  menjadi  rendah  dan  ikatan lemah ini akan bereaksi dengan HF atau H 2 O (langkah 4  dan  5),  sehingga  atom-atom  permukaan  silikon  tetap berikatan  dengan  hidrogen.  Jika  dalam  reaksi  ini  atom silikon terlepas  dari  permukaan  wafer  silikon  akan terbentuk lubang berukuran atomik. Perubahan geometri  permukaan  akan  mengubah  distribusi  medan listrik  pada  permukaan  tersebut.  Permukaan  menjadi tidak homogen [15].
Ketika  wafer  silikon  dianodisasi,  gas  hidrogen terus  menerus  muncul  dari  permukaannya.  Hasil  FTIR telah  membuktikan  keberadaan  ikatan  hidrid  pada permukaan  PS,  dalam  bentuk  Si-H,  Si-H 2 ,  dan kemungkinan  ada  Si-H 3 .  Konsentrasi  permukaan  Si-H bertambah  dengan  meningkatnya  tegangan  anodik. Ikatan  Si-H  tidak  berperan  langsung  terhadap penjenuhan  dinding  pori,  namun  berperan  langsung terhadap pembentukan pori yang menghalangi pembentukan oksida. Dengan demikian transfer muatan
dan  pembentukan  pori  terjadi  setelah  pembentukan permukaan oksida [11].
Spektrum  FTIR  permukaan  wafer  Si  dan  tiga sampel  PS  ditunjukkan  pada  Gambar  2.  Spektrum tersebut diinterpretasikan pada Tabel 1. Spektrum FTIR menunjukkan perbedaan gugus fungsi permukaan wafer silikon  dan  permukaan  PS.  Anodisasi  menggunakan larutan  HF  20%  dan  40%  menyebabkan  terbentuk puncak-puncak  serapan  baru  dan  terjadi  pergeseran puncak  serapan.  Interpretasi  spektrum  FTIR  dilakukan mengacu  pada  berbagai  hasil  penelitian  [5,  6,  7,  13, 16,17, 18, 19].
Spektrum FTIR permukaan PS tersebut menunjukkan pengaruh konsentrasi larutan HF terhadap gugus  fungsi,  terutama  pada  sampel  yang  dianodisasi dalam  larutan  HF  20%  dan  40%.  Pada  bilangan gelombang  sekitar  2360,7  cm -1 serapan  permukaan  PS
40%  lebih  tajam  daripada  permukaan  PS  20%, sementara pada pundak sekitar 2337,6 cm -1 permukaan PS  20%  lebih  tajam  daripada  permukaan  PS  40%. Puncak  serapan  sekitar  2248,8  cm -1 dan  2252,7  cm -1 mempunyai pundak ( shoulder ) pada bilangan gelombang  sekitar  2202,6  cm -1 .  Gugus  SiH  pada permukaan  PS  40%  lebih  banyak  dan  puncak serapannya lebih tajam daripada permukaan PS 20%.
Gugus  SiH  pada  permukaan  PS  48%  hanya  sedikit karena persiapan  sampel diperkirakan tidak  maksimum sehingga banyak puncak serapan yang tidak nampak.
Gugus  O-Si-O  pada  bilangan  gelombang  sekitar 825,5  cm -1 berdekatan  dengan  gugus  SiF  (815  cm -1 ).

## Ilmawati, dkk: Pengaruh Konsentrasi HIdroflour Terhadap Gugus Fungsi Permukaan Silikon Berpori
Bentuk  flourin  pada  permukaan  PS  belum  diketahui secara  pasti.  Hasil  eksperimen  menunjukkan  bahwa gugus SiF 3 muncul di dinding pori [20], sedangkan SiF dan  SiF 2 berada  di  permukaan  PS  [21].  Flourin  sangat mudah digantikan oleh ikatan Si-OH ketika bersentuhan dengan  air  di  ruang  terbuka.  Proses  ini  yang  terjadi  di daerah  serapan  sekitar  825,5  cm -1 ,  yaitu  kedudukan flourin  dalam  ikatan  digantikan  dengan  oksigen  ketika PS  dicuci  dengan  aquades.  Pada  permukaan  PS ditemukan  HF  dan  SiF + 2 6 ,  yang  berarti  bahwa  flourin hanya berasal dari sisa elektrolit dalam pori [22].

## 4. Kesimpulan
Konsentrasi  larutan  HF  mempengaruhi  gugus fungsi  permukaan  PS,  pada  PS  20%  dan  PS  40% menunjukkan  letak  gugus  SiH n yang  relatif  sama. Sementara,  pada  permukaan  PS  yang  dianodisasi dengan  larutan  HF  konsentrasi  48%  menunjukkan serapan hanya terjadi di sekitar 678,9 cm -1 , 651,9 cm -1 , dan 613 cm -1 .

## Daftar Pustaka
1. Canham,  LT.  1990. Silicon  Quantum  Wire  Array
Fabrication by Electrochemical and Chemical Dissolution of Wafers. Appl. Phys. Lett. 57, 1046.
2. Steiner,  P.  Kozlowski,  F.  Lang,  W.  1993. Light-Emitting
Porous Silicon Diode with an Increased
Electroluminescence  Quantum  Efficiency. Appl.  Phys. Lett. 62, 2700.
3. Koshida, N. Koyama, H. 1992. Nanotechnology 3 , 192. 4. Beale,  MIJ.  Benjamin,  JD.  Uren,  MJ.  Chew,  NG.  Cullis, AG. 1985. Journal     Crystallin Growth . 73,622.
5. Tsai,  C.  Li,  KH.  Kinosky,  DS.  Qian,  RZ.  Hsu,  TC.  Irby, JT.  Banerjee,  SK.  Tasch,  AF.  Campbell,  JC.  Hance,  BK. White,  JM.  1992. Correlation  Beetween  Silicon  Hydride Species  and  Photoluminescence  Intensity  of  Porous Silicon . Appl. Phys. Lett. 60 (14).
6. Vinegoni,  C.  Cazzanelli,  M.  Pavesi,  L.  2000. Porous Silicon Mocrocaviti. Pittsburgh.
7. Behren,  J.  Ucer,  KB.  Tsybeskov,  L.  Vandyshev,  JV. Fauchet,  PM.  1995. Properties  of  Ultrathin  Films  of Porous Silicon. J.Vac. Sci. Technol. B 13 (3).
8. Strehlke,  S.  1997. The  Porous  Silicon  Emitter  Concept Applied  to  Multicrystalline  Silicon  Solar  Cells ,  Thin Solids Films, V. 297, p. 291-295.
9. Gole.  2002.  www.  Physics.  Gatech.  Edu/people  (faculty) jgole.html-76k
10. Tika,  I.N.  2014. Modifikasi  Elektroda  Biosensor  –Enzim Lipase  Termostabil  dengan  Silikon  Berpori  untuk Penentuan  Digliserida  pada  Serum  Darah. Prosiding Seminar  Nasional  Kimia,  ISBN  :  978-602-0952-00-3. Jurusan  Kimia  FMIPA  Universitas  Negeri  Surabaya  20 September 2014.
11. Smith,  RL.  Collins,  SD.  1992. Porous  silicon  formation mechanisms . J. Appl. Phys. 71 (8).
12. Grigoras,  K.  Pacebutas,  V.  1996. Porous  Silicon Fabrication  Technique  for  Large  Area  Devices. Semiconductor Physics Institute. Lithuania.
13. Lavine,  JM.  Sawan,  SP.  Shieh,  YT.  Bellezza,  AJ  .  1993. Role  of  Si-H  and  Si-H 2 in  Photoluminescence  of  Porous Si . Appl. Phys. Lett. 62 (10).
14. Ilmawati,  W.S.,  2006, Analisis  Gugus  Fungsional  dan Resistivitas  Permukaan  Silikon  Berpori ,  Skripsi,  FMIPA Unhalu, Kendari.
15. Lehmann, V. Gosele, U. 1990. Porous silicon formation : A quantum wire effect. Appl. Phys. Lett. 58 (8)
16. Miyazaki,  S.  Shiba,  K.  Sakamoto,  K.  Hirose,  M.  1992. Structural Characterization And Luminescence of Porous Si . Optoelectronics-Devices and Technologies Vol. 7 No. 1. pp. 95-102.
17. Pivac, B. Rakvin, B. 1994. Paramagnetic Centers at and Near The Si/SiO x Interface in Porous Silicon . Appl. Phys. Lett. 65 (25).
18. Prokes,  SM.  Carlos,  WE.  Bermudez,  VM.  1992. Luminescence  and  Defect  Density  Measurements  in Porous Silicon : Evidence for Hydride Based Model. Appl. Phys. Lett. 61 (12).
19. Robinson,  MB.  Dillon,  AC.  George,  SM.  1993. Porous Silicon  Photoluminescence  versus  HF  Etching : No Correlation  with  Surface  Hydrogen  Species .  Appl.  Phys. Lett. 62 (13).
20. Zoubir, NH. Verguat, M. Delatour, T. Burneau, A. 1994. Appl. Phys. Lett. 65, 8.
21. Banerjiee,  S.  Narasimhan,  KL.  Sardesai,  A.  1994.  Phys. Rev. B 49, 2951.
22. Petit, D. Ozanam, F. Devreux, F. 1997. Appl. Phys. Lett. 70, 191.