## SINTESIS DAN KARAKTERISTIK SIFAT OPTIK SEMIKONDUKTOR ZnO DAN ZnO DOPPING Cu
Sinta marito Siagian 1) , Suci Khairani 2) , Samaria Chrisna HS 3) , Ferdinan Rinaldo Tampubolon 3)
1) Program Studi Teknik Listrik, Jurusaan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Medan Medan, Sumatera Utara, Indonesia
2) Program Studi Teknik Komputer, Jurusaan Teknik Komputer, Politeknik Negeri Medan Medan, Sumatera Utara, Indonesia)
3) Program Studi Teknik Elektronika, Jurusaan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Medan Medan, Sumatera Utara, Indonesia
Corresponding author : Sinta Marito Siagian E-mail : sintasiagian@polmed.ac.id
Diterima 14 April 2022, Disetujui 04 Mei 2022

## ABSTRAK
Telah dilaksanakan penelitian ZnO dan ZnO doping tembaga yang bertujuan untuk mengetahui sifat optik material tersebut meliputi nilai absorbansi dan celah pita energi. Penelitian ini diselesaikan dengan menggunakan  metode liquid  phase  deposition atau  kimia  basah  yang  dilakukan  dengan  konsentrasi tembaga 0 dan 11%, selanjutnya dilakukan pemanasan pada microwave kemudian dikarakterisasi nilai absorbansi dan energi gap dengan spektrofotometri UV-VIS. Hasil yang diperoleh pada penelitian ini adalah ZnO:Cu 0% dan 11% memiliki serapan paling tinggi berada disekitar panjang gelombang 344 nm dan 358 nm, Setelah menentukan nilai absorbansinya kemudian menganalisis nilai celah pita energi dengan konsentrasi 0% dan 11% diperoleh nilai celah pita energi secara berurutan yaitu 3.37 eV dan 3.31 eV. Penambahan doping Tembaga mengakibatkan puncak absorbansi bergeser kearah panjang gelombang yang lebih besar. Sehingga dapat dikatakan bahwa bahwa ZnO:Cu baik 0% maupun 11% merupakan karakterisaasi bahan yang dapat mengabsorbsi cahaya UV.
Kata kunci: semikonduktor; sifat optik; absorbansi; celah pita energi.

## ABSTRACT
Research  has  been  carried  out  on  copper  doped  ZnO  and  ZnO  which  aims  to  determine  the  optical properties of these materials including absorbance values and energy band gaps. This research was completed using the liquid phase deposition method or wet chemistry which was carried out with copper concentrations of 0 and 11%, then heating in the microwave and then characterizing the absorbance value and energy gap by spectrophotometry UV-VIS. The results obtained in this study are ZnO:Cu 0% and 11% have the highest absorption around the wavelengths of 344 and 358 nm. After determining the absorbance value, then analyzing the energy band gap value with a concentration of 0% and 11%, the energy band gap values obtained respectively are 3.37 eV and 3.31 Ev. The addition of copper doping causes the absorbance peak to shift towards a larger wavelength, So it can be said that ZnO:Cu both 0% and 11% is a characterization of materials that can absorb UV light.
Keywords: semiconductors; optical properties; absorbance; energy gap.

## PENDAHULUAN
Beberapa  material  semikonduktor  yang sering digunakan Titanium dioksida (TiO 2 ) dan Zinc  Oxide (ZnO)  biasanya  dimanfaatkan sebagai  material  Fotovoltaic,  solar  sell  dan untuk  mendegradasi  polutan  organik  yang terlarut  dalam  zat  cair.  Material  ZnO  dapat menyerap  fraksi  spektrum  cahaya  matahari lebih  besar  dari  pada  TiO 2 .  ZnO  merupakan semikonduktor fotokatalis golongan II-VI dengan direct  band  gap lebar  (3,3  eV)  dan memiliki energi ikat eksiton bebas tertinggi (60 meV) (Ali, Ismail, Najmy, & Al-Hajry, 2014). ZnO banyak  tersedia,  murah  dan  tidak  berbahaya
bagi  lingkungan  (Lam,  Sin,  Abdullah,  & Mohamed, 2012). Beberapa studi menunjukkan efektifitas  ZnO  dibanding  TiO 2 dalam  aplikasi fotodegradasi  pewarna  azo.  sehingga  peneliti memilih memanfaatkan material semikonduktor ZnO.  ZnO  juga  merupakan  suatu  bahan oksidasi yang baik digunakan sebagai fotokatalis.  ZnO  pada  dasarnya  telah  banyak digunakan  untuk  menangani  berbagai  limbah seperti  limbah  farmasi,  limbah  percetakan,  air limbah  pembuatan  kertas,  dan  sebagainya. Aktivitas  katalitik  dari  ZnO  jauh  lebih  baik  dari pada  bahan  lain  karena  ZnO  dapat  menyerap cahaya  dalam  spektrum  yang  lebih  luas
dibanding bahan lain. Aktivitas katalitik sebagian  besar  dipengaruhi  oleh  dosis  dari katalis, konsentrasi reaktan, waktu pencahayaan, intensitas pencahayaan, nilai pH dan keadaan  atmosfer.
Adapun  metode  untuk  membuat  ZnO antara lain pulsed laser deposition (PLD) (Luo et al., 2019), spray pyrolysis (Saravanakkumar et al., 2018), aerosol-assisted chemical vapour deposition (AACVD)  (Ma,  2021)  dan sol-gel (Ningsih,  Khair,  &  Veronita,  2021)  dan  Liquid Phase  Deposition  (Chen,  Wang,  &  Huang, 2019). Metode LPD menjadi salah satu pilihan terbaik karena dengan peralatan yang sederhana  sudah  dapat  menhasilkan  kualitas kristal  ZnO  yang  bagus.  Meskipun  demikian material  ZnO  juga  memiliki  kekurangan  pada sifat  optik  yang  diaplikasikan  pada  cahaya tampak  dan  struktur  unitnya  yang  akan berpengaruh terhadap aktifitas semikonduktor. Sifat fotokatalisis suatu material semikonduktor sangat  dipengaruhi  oleh  sifat  optiknya.  Hal  ini dikarenakan kita dapat mengetahui energi gap atau  celah  energi  antara  pita  valensi  dan  pita konduksi. Celah pita inilah yang mempengaruhi efisiensi  saat  proses  fotokatalitik  berlangsung. Semakin kecil celah pita energi maka semakin kecil  pula  energi  yang  diperlukan  untuk memindahkan elektron dari pita valensi ke pita konduksi.  Oleh  karena  itu,  dalam  pembuatan material  fotokatalis  sangat  diperhatikan  sifat optik material tersebut.
Pada penelitian (Sulhadi, Fatiatun, Marwoto,  Sugianto,  &  Wibowo,  2015)  dalam karakterisasi  ZnO  dan  ZnO  doping  Galium diperoleh nilai energi gap ZnO sebesar 3.33 eV dan  ZnO  doping  Galium  sebesar  3.28  Ev. Doping  pada  penelitian  ini  dapat  menurunkan nilai  energy  gap  nya.  Sedangkan  pada penelitian    (Astuti  et  al.,  2021)  menggunakan doping logam Mg diperoleh nilai energi gap nya 3.11 eV. Oleh sebab itu peneliti memilih doping logam dalam memperkecil nilai energi gapnya. ZnO harus memiliki luar permukaan yang lebar agar zat warna dapat terabsorbsi optimum oleh sebab  itu  diperlukan  pendopingan  Tembaga yang merupakan salah satu logam transisi dan memiliki  nomor  atom  29,  pada  dasarnya pendopingan  dengan  logam  transisi  belum banyak  dilakukan.  Pendopingan  Tembaga memiliki potensi untuk meningkatkan sifat fisis serta  konduktivitas  termal  yang  baik  serta mudah dibuat sebagai paduan logam.

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilaksanakan  dengan  metode eksperimen pada laboratorium dengan menggunakan metode Liquid Phase Deposition (LPD) dengan cara mencampurkan
material/bahan  0,5  M Zinc  Asetat  Dehydrate (Zn  (CH 3 COO) 2 .2H 2 O  dengan  surfaktan  PEG yang  telah  lebih  dahulu  ditimbang  kemudian dicampurkan  dengan  PVA  dan  asam  nitrat kemudian  diaduk  menggunakan magnetic stirrer selama  1  jam,  lalu  ditambahkan  doping CuSO 4 .5H 2 O dengan fraksi 9% yang digunakan dihitung dengan menggunakan persamaan 1
𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖𝑡𝑎𝑠 = 𝑔𝑟𝑎𝑚 𝑀𝑟 × 1000 𝑉𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 (𝑚𝑙) (1)
sedangkan  untuk  massa  yang  didoping digunakan persamaan 2
𝐹𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑀𝑜𝑙 𝐶𝑢 = 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑀𝑜𝑙 𝐶𝑢 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑀𝑜𝑙 𝑍𝑛 +𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑀𝑜𝑙 𝐶𝑢 (2)
Volume asam nitrat dihitung dengan menggunakan persamaan 3
𝑉 = 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑚𝑜𝑙 𝑍𝑛 𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖𝑡𝑎𝑠 𝐴𝑠𝑎𝑚 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑒 . (3)

## HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Nilai Absorbansi
Sampel  dengan  konsentrasi  0%  dan  11% dianalisi dengan menggunakan spektrofotometri UV-VIS pada Panjang gelombang 300nm – 750nm. Hal itu dilakukan untuk  mengetahui  nilai  Absorbansi  dan  Celah pita  energi.  Data  yang  diperoleh  kemudian diolah  dengan  menggunakan tauc  plot untuk mendapatkan nilai celah pita energi. Spektrum absorbandi  sampel  ZnO  dan  ZnO  :  Cu  dapat dilihat  pada  gambar  1  ZnO:Cu  0%  dan  11% memiliki serapan paling tinggi berada disekitar panjang gelombang 344 dan 358 nm.
Gambar 1 Grafik spektrum absorbansi sampel
Nilai  absorbansi  cenderung  lebih  besar dibandingkan  dengan  ZnO,  serta  perubahan nilai  terlihat  pada  masing-masing  konsentrasi. nilai  absorbansi  berubah  besar  nya,  hal  itu terjadi  karena  banyaknya  atom  atom  yang terlibat  dalam  proses  penyerapan  berkas cahaya.  Puncak  absorbansi  untuk  lapisan
ZnO:Cu  bergeser  menuju  daerah  panjang gelombang  yang  lebih  kecil  atau  blue-shift dibandingkan  dengan  lapisan  ZnO,  hal  ini menunjukan  bahwa  lapisan  tipis  ZnO:Cu merupakan  karakterisaasi  bahan  yang  dapat mengabsorbsi  cahaya  UV  pada  panjang gelombang  tersebut,  sehingga  akan  lebih efisien  sebagai  katalis  pada  cahaya  UV dibandingkan dengan sinar tampak.
Berdasarkan  gambaran  absorbansi  suatu material,  maka  dapat  pula  dianalisis  nilai transmitannya  yang  nilainya  berkebalikan  dari transmitansi.  Transmitansi  ZnO  dan  ZnO:Cu menggunakan spektrofotometer UV-Vis diperoleh hasil pada tabel 1 berikut.
Tabel 1 Nilai transmitansi Material % transmitan Panjang gelombang (nm) ZnO 73 460 ZnO : Cu 60 366
Berdasarkan  tabel  1  Secara  umum,  hasil pengujian  sifat  optik  menunjukkan  bahwa terjadi  kenaikan  transmitansi  pada  rentang panjang gelombang 366-460 nm. Rata-rata nilai transmitansi ZnO:Cu lebih rendah jika dibandingkan  dengan  ZnO.  Hal  ini  diduga karena  adanya  tambahan  doping  tembaga, sehingga menghasilkan permukaan yang lebih tebal  jika  dibandingkan  ZnO.    Pada  dasarnya Suatu  sampel  tidak  akan  memiliki  nilai transmitansi 100%. Peningkatan persen transmitansi yang tajam pada rentang panjang gelombang yang sempit sebagaimana ditunjukkan pada gambar menunjukkan bahwa lapisan  tipis  disusun  oleh  material  dengan stoikiometri kimia yang relatif homogen Pada  panjang  gelombang  460  nm  perubahan nilai  transmitansi  dapat  dikatakan  semakin stabil.  Sinar  ultraviolet  memiliki  nilai  panjang gelombang antara 300-400 nm sehingga pada panjang  gelombang  tersebut,  sinar  ultraviolet dipancarkan  akan  sedikit  dilewatkan  oleh bahan  tersebut.  Cahaya  dengan  berbagai panjang gelombang (polikromatis) yang mengenai  suatu  bahan  hanya  akan  diserap oleh bahan sesuai dengan energi dari masing- masing  spektrum  cahaya  yang  memiliki karakteristik panjang gelombang yang berbeda- beda.  Elektron  valensi  pada  tiap  atom memegang  peranan  penting  dalam  suatu struktur  molekul  bahan  fotokatalis.  Elektron- elektron yang dimiliki oleh suatu molekul dapat berpindah  (eksitasi),  berputar  (rotasi)  dan bergetar (vibrasi) jika dikenai suatu energi. Jika bahan  menyerap  cahaya  tampak  dan  sinar ultraviolet  maka  akan  terjadi  perpindahan elektron  dari  keadaan  dasar  menuju  ke
keadaan  tereksitasi.  Perpindahan  elektron  ini disebut transisi elektronik.

## Celah Pita Energi
Penentuan  celah  pita  energi  suatu  bahan semikonduktor perlu diketahui untuk memberikan  analisis  mengenai  sifat  optik  yag berkaitan  dengan  nilai  koefisien  absorbsi terhadap  frekuensi  foton.  Berdasarkan  teori absorbsi  optik,  hubungan  antara  koefisien absorps i (α) dan energi foton (հυ) untuk transisi langsung,  Perhitungan  celah  pita  energi  pada transisi lansung dilakukan dengan mengekstrapolasi  bagian  linier  dari  kurva  ke sumbu  x  (the  energi  axis)  pada  nilai  absorbsi nol (α=0). Plot (αhυ) 2 vs hυ. Celah pita energi merupakan  sifat  intrinsik  semikonduktor  yang dapat diperkirakan melalui pengukuran absorpsi  optik.  Spektra  absorpsi  lapisan  tipis dikur  pada  panjang  gelombang  antara  350 – 800  nm pada temperatur ruang  menggunakan spektrofotometri UV-VIS.
Pada dasarnya ZnO menunjukkan tepi absorpsi yang pada panjang gelombang sekitar 344 nm dan  setelah  penambahan  tembaga  pada adsorspsi  bergeser  ke  panjang  gelombang lebih tinggi (energi lebih rendah). penambahan Cu ternyata mampu merubah absorpsi cahaya pada  material  ZnO.  Pada  dasarnya  adsorpsi panjang gelombang yang tepat oleh ZnO dapat meningkatkan  perpindahan  elektron  dari  pita valensi ke pita konduksi. Hole yang dihasilkan sangat  penting  untuk  pembentukan  radikal hidroksil  yang  digunakan  untuk  degradasi polutan. Setelah menentukan nilai absorbansinya  kemudian  menganalisis  nilai celah  pita  energi  dengan  konsentrasi  0%  dan 11% yang ditampilkan pada gambar 1 diperoleh nilai  celah  pita  energi  secara  berurutan  yaitu 3.37 eV dan 3.31 eV. Nilai Energi gap ZnO pada penelitian  ini  sejalan  dengan  penelitian  yang dilaksanakan  (Mandar  &  Zainul,  2019), (Saragih,  Abdullah,  &  Kuo,  2019)  dan  (Pung, Ong, Isha, & Othman, 2014) memiliki nilai celah pita 3.27-3.37 eV. Pada ketiga peneliti tersebut juga  menambanhkan  doping  pada  ZnO  dan mengalami  pengecilan  ukuran  celah  pita energi.  Pada  ketiga  peneliti  tersebut  juga menambanhkan doping pada ZnO dan mengalami pengecilan ukuran celah pita energi
(a)
(b)
Gambar 2 Plot celah pita lapisan tipis ZnO:Cu (a) 0%,  (b) 11%
Penambahan doping Tembaga mengakibatkan puncak  absorbansi  bergeser  kearah  panjang gelombang yang lebih besar, dapat diperhatikan  berdasarkan  gambar  2  Sehingga dapat dikatakan bahwa bahwa ZnO:Cu baik 0% maupun 11% merupakan karakterisaasi bahan yang  dapat  mengabsorbsi  cahaya  UV.  Pada penelitian ini terjadi penurunan celah pita pada penambahan doping Tembaga 11%.
Penurunan nilai celah pita energi terjadi karena adanya  pergantian  Zn 2+ oleh  Cu 2+ sehingga mengakibatkan  terjadinya  gaya    tarik  yang menghasilkan  jarak  antar  atom  semakin  kecil atau  rapat.  Pada  saat  kondisi  inilah  maka elektron akan semakin cepat melompat ke pita konduksi,  sehingga  energi  yang  dibutuhkan untuk melompat menjadi  lebih  kecil. Hal  itulah yang  mengakibatkan nilai celah  pita mengecil. Hal  ini  juga  secara  teoritis,  Ketika  ketika semikonduktor  di-doping  dengan  unsur  yang
memiliki kelebihan electron maka akan muncul energi donor, sehingga energi yang dibutuhkan elektron untuk pindah dari pita valensi menuju pita  konduksi  (band  gap)  menurun.  Sehingga, mengecilnya  nilai  energi  gap  berindikasi  pada peningkatan nilai efisiensi Dye Sensitized Solar Cell.

## SIMPULAN
Pada  penelitian  ini  dapat  disimpulkan  bahwa dengan  adanya  penambahan  doping  tembaga pada  semikonduktor  ZnO  dapat  menurunkan nilai celah pita energi secara berurutan 3.4 eV hingga  3.18  eV  dan  pergeseran  Panjang gelombang absorbansi dari 340 nm hingga 358 nm.  Rata-rata  nilai  transmitansi  ZnO:Cu sebesar  73  %  lebih  rendah  jika  dibandingkan dengan ZnO sebesar 60% Hal ini diduga karena adanya  tambahan  doping  tembaga.  Namun Penurunan nilai celah pita energi terjadi karena adanya  pergantian  Zn 2+ oleh  Cu 2+ sehingga mengakibatkan  terjadinya  gaya    tarik  yang menghasilkan  jarak  antar  atom  semakin  kecil atau rapat
DAFTAR RUJUKAN
Ali, A. M., Ismail, A. A., Najmy, R., & Al-Hajry,
A. (2014). Preparation and characterization of ZnO –SiO2 thin films as highly efficient photocatalyst. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 275 , 37-46.
Astuti, B., Marwoto, P., Zhafirah, A., Hamid, N., Aryanto, D., Sugianto, S., . . . Fianti, F. (2021).  Structure,  morphology,  and optical  properties  of  ZnO:  Mg  thin  film prepared  by  sol-gel  spin  coating method. Jurnal  Ilmiah  Pendidikan Fisika Al-Biruni, 10 (2), 75-84.
Chen,  C.-N.,  Wang,  J.-Y.,  &  Huang,  J.-J.
(2019). Titanium oxide hollow structure layer  for  dye  sensitized  solar  cell  by liquid  phase  deposition. SN  Applied Sciences, 1 (10), 1-8.
Lam,  S.-M.,  Sin,  J.-C.,  Abdullah,  A.  Z.,  & Mohamed, A. R. (2012). Degradation of wastewaters  containing  organic  dyes photocatalysed by zinc oxide: a review. Desalination  and  Water  Treatment, 41 (1-3), 131-169. Luo,  C.-Q.,  Ling,  F.  C.-C.,  Rahman,  M.  A., Phillips, M., Ton-That, C., Liao, C., . . . Djurišić,  A.  B.  (2019).  Surface  polarity control  in  ZnO  films  deposited  by pulsed laser deposition. Applied Surface Science, 483 , 1129-1135. Ma, T. (2021). Effect of precursor concentration and sintering on functional properties of ZnO  thin  films  deposited  by  aerosol- assisted  chemical  vapour  deposition
(AACVD). Materials Science in Semiconductor Processing, 121 , 105413.
Mandar, S., & Zainul, R. (2019). SINTESIS DAN
KARAKTERISASI NANO ZnO
DOPING CU. Periodic, 8 (1), 20-23. Ningsih,  S.  K.  W.,  Khair,  M.,  &  Veronita,  S. (2021). Synthesis and Characterization of  ZnO  Nanoparticles  Using  Sol-Gel Method. Indonesian Journal of Chemical Science, 10 (1), 59-67. Pung,  S.,  Ong,  C.,  Isha,  K.  M.,  &  Othman,  M. (2014). Synthesis and characterization of  Cu-doped  ZnO  nanorods. Sains
Malaysiana, 43 (2), 273-281. Saragih,  A.  D.,  Abdullah,  H.,  &  Kuo,  D.-H. (2019). Study On The Doping Effect Of Cu-Doped  ZnO  Thin  Films  Deposited By  Co-Sputering  Technique. Paper presented  at  the  Journal  of  Physics: Conference Series. Saravanakkumar, D.,
Sivaranjani, S.,
Kaviyarasu,  K.,  Ayeshamariam,  A.,
Ravikumar,  B.,  Pandiarajan,  S.,  .  .  . Maaza,  M.  (2018).  Synthesis  and characterization of ZnO –CuO nanocomposites  powder  by  modified perfume spray pyrolysis method and its antimicrobial  investigation. Journal  of semiconductors, 39 (3), 033001. Sulhadi, S., Fatiatun, F., Marwoto, P., Sugianto, S., & Wibowo, E. (2015). Variasi Suhu Deposisi Pada Struktur, Sifat Optik Dan Listrik Film Tipis Seng Oksida Dengan Doping  Galium  (ZnO:  Ga). Jurnal Pendidikan Fisika Indonesia, 11 (1), 93- 99.