Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.022.01

## INVESTIGASI PEMBENTUKKAN IKATAN Zn-O
RODS DI ATAS PERMUKAAN MIKROKANTILEVER

## DENGAN UJI KARAKTERISASI FTIR
Mia Yuliana Frestika 1,2,a) , Rina Dewi Mayasari 2,b) , Masmui 2,c) , Agustanhakri 2,d) ,
R. Ibrahim Purawiardi 3,e) , Yuliasari 3,f) , Ahmad Novi Muslimin 3,g) ,
Muhammad Dani 4,h) , Agus Setyo Budi 1,i) , Ratno Nuryadi 2,j)
1 Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Jakarta, Jl. Rawamangun Muka No 1 , Jakarta 13220
2 Pusat Teknologi Material, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi,  Gedung 224, Kawasan Puspiptek,Tangerang Selatan 15314
3 Pusat Penelitian Fisika,Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Gedung 441-442, Kawasan Puspiptek, Tangerang Selatan 15314
4 Pusat Sains dan Teknologi Bahan Maju, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Gedung 71, Kawasan Puspiptek, Tangerang selatan 15314
Email: a) miayuliana60@yahoo.com, b) rina.dewi@bppt.go.id, c) masmui@bppt.go.id, d) agustanhakri@bppt.go.id,
e) rade026@lipi.go.id , f) zulfa_yulia@yahoo.com, g) ahmadnovimuslimin@hotmail.com, h) mdani@batan.go.id ,
i) agus_sb@unj.ac.id, j) ratno.nuryadi@bppt.go.id

## Abstrak
Pada  riset  ini,  batang  ZnO  ( Zinc  Oxide  rods )  yang  merupakan  material  pendeteksi  objek  gas ditumbuhkan  di  atas  permukaan  mikrokantilever  dengan  teknik  hidrotermal.  Sintesis  ZnO rods ini meliputi  dua  proses , yaitu  proses  pelapisan  lapisan  benih (seed  layer) menggunakan Zinc  Asetate Dihydrate dengan  metode dip-coating dan  proses  penumbuhan  ZnO rods menggunakan Zinc  Nitrate Tetrahydrate pada suhu 95 °C dengan variasi waktu 2 jam, 4 jam dan 6 jam. Kondisi pengeringan baik untuk  lapisan benih dan penumbuhan  ZnO rods dilakukan  pada suhu 120 °C selama  2 jam.  ZnO rods dikarakterisasi  dengan  teknik Fourier  Transform  Infrared (FTIR)  untuk  mengetahui    pembentukan ikatan Zn-O. Hasil karakterisasi memperlihatkan bahwa korelasi logam oksida (metal oxide) ditunjukkan pada  spektrum  bilangan  gelombang  540  cm -1 untuk  waktu  penumbuhan  2  jam,  sementara  ditunjukkan pada spektrum gelombang masing-masing 548 cm -1 dan 547 cm -1 untuk waktu penumbuhan ZnO rods 4 jam  dan  6  jam.  Spektrum  bilangan  gelombang  sekitar  540-548  cm -1 tersebut  diprediksi  merupakan absorpsi dari pembentukan ikatan Zn-O.
Kata-kata kunci: Mikrokantilever, ZnO rods, dip-coating, hidrotermal, waktu penumbuhan

## Abstract
In  this  work,  ZnO  (Zinc  Oxide)  rods,  which  is  a  sensitive  material  for  gas  detection,  are  grown  on  a microcantilever surface by hydrothermal technique. Synthesis of ZnO rods consists of two processes, i.e., a formation of seed layer using Zinc Acetate Dihydrate by a dip-coating and a growth of the ZnO rods using  Zinc-Nitrate-Tetrahydrate  at  a  temperature  95°C  for  time  variations  of  2  hours,  4  hours  and  6 hours. Drying condition for both seed layer and growth of ZnO rods was done at a temperature of 120 o C for  2  hours.  The  ZnO  rods  were  then  characterized  by  Fourier  Transform  Infrared  (FTIR)  in  order  to investigate  the  formation  of  Zn-O  bond.  The  characterization  results  indicate  that  the  metal  oxide
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
correlation  is  shown  in  the  wavenumber  spectrum  of  540  cm -1 for  a  sample  with  2-hour  growth  time, while the wavenumber spectrum of 548 cm -1 and 547 cm -1 for the growth time of ZnO rods for 4 hours and 6 hours. Wavenumber spectrum approximately at 540-548 cm -1 is predicted to be the absorption of the formation of a Zn-O bond.
Keyword: Microcantilever, ZnO rods, dip-coating, hydrothermal, growth time dependent.

## PENDAHULUAN
Mikrokantilever  merupakan  piranti  teknologi  MEMS  ( micro  electro  mechanical  system) yang umum  digunakan  untuk  deteksi  gaya  antar  atom (atomic  force )  pada  sistem  AFM (Atomic  Force Microscopy) ,  dan  akhir-akhir  ini  berpotensi  digunakan  untuk  aplikasi  sensor  biologi  dan  kimia  [1]. Mikrokantilever  umumnya  difabrikasi  dengan  menggunakan  bahan  dasar  silikon  yang  memiliki panjang  sekitar  ratusan  mikrometer,  lebar  puluhan  mikrometer,  tetapi  mempunyai  tebal  hanya  satu mikrometer.  Mikrokantilever  memiliki  karakteristik  sensing  dengan  sensitivitas  tinggi  hingga  skala attogram  (10 -18 )  [2-4]. Untuk  kegunaan  aplikasi  sensor,  mikrokantilever  didesain  sangat  lentur sehingga  akan  mudah  terdefleksi  (bending)  jika  terdapat  target  objek  (molekul,  partikel,  atau sejenisnya) yang menempel pada permukaan mikrokantilever [5].
Untuk  dapat  mendeteksi  suatu  objek  tertentu,  mikrokantilever  membutuhkan  lapisan  fungsional ( biorecepto r)  pada  permukaannya.  Karena  itu,  beberapa  peneliti  melakukan  riset  tentang  pelapisan fungsional  pada  permukaan  mikrokantilever  tersebut.  Pada  tahun  2013,  Thomas  Contineau  dkk. melakukan  penelitian  mengenai  pelapisan  mikrokantilever  menggunakan  bahan  dasar Titanium Dioxide (TiO 2 )  dengan  metode sputtering untuk  mendeteksi  gas  yang  mudah  meledak  contohnya karbit, fosfor dan bensin [6]. Tahun 2014, peneliti Turkey bernama Necmettin Killinc dkk. melakukan penelitian mikrokantilever yang dilapisi dengan Zinc Oxide (ZnO) dapat mendeteksi senyawa organik yang    mudah    menguap  ( Volatile  Organic  Compounds )  [7]. Dari  riset  yang  telah  dilakukan  oleh beberapa  penelitian  di  atas  dapat  disimpulkan  bahwa  mikrokantilever  yang  diberikan  lapisan fungsional memiliki peluang untuk dapat digunakan sebagai pendeteksi objek tertentu.
Gambar 1. Perbesaran mikrokantilever dengam microscope digital 200-400x
ZnO  merupakan  salah  satu  material  yang  menjanjikan  pada  beberapa  aplikasi  sensor  karena memiliki  respon  yang  sensitif.  Dari  sisi  metode  sintesis,  pada  tahun  2011,  Singh  dkk.  meneliti mengenai  efek  terhadap  pemanasan  dan  waktu  penumbuhan  ZnO rods dengan  metode  sol  gel  [8]. Tahun  2014,  Kumar  dkk.  melakukan  penelitian  sintesis  ZnO  dengan  bahan hexamethylenetetramin sebagai  pelapisan (precipitant) dan zinc  nitrate sebagai  sumber (source) untuk  membuat  sel photovoltaic agar lebih sensitif terhadap warna [9].
Meskipun  riset  tentang  sintesis  ZnO  telah  dilakukan  oleh  beberapa  grup  peneliti  [8,9],  tetapi penumbuhan  ZnO  di  atas  mikrokantilever  untuk  aplikasi  sensor  masih  jarang  dilakukan  [7], khususnya analisa kimiawi pembentukan ikatan Zn-O di atas permukaan mikrokantilever. Jadi, tujuan riset ini untuk melakukan penumbuhan ZnO rods di atas permukaan mikrokantilever dengan metode
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
hidrotermal  dan  analisa  pembentukan  ikatan  Zn-O  dengan  menggunakan  FTIR (Fourier  Transform Infrared).
FTIR  menggunakan  prinsip spektro  inframerah yang  jika  senyawa  organik  dikenai  sinar inframerah dengan frekuensi tertentu (400-4000 cm -1 ), maka beberapa frekuensi diserap oleh senyawa tersebut.  Banyaknya  frekuensi  yang  melewati  senyawa  tersebut  diukur  sebagai  persentasi  transmisi (percentage  transmittance) .  Setiap  fekuensi  sinar  (termasuk  inframerah)  memiliki  tertentu  yang dapat menunjukkan pembentukkan ikatan antar atom tertentu.[10]

## METODE PENELITIAN
Proses  penumbuhan  ZnO rods pada  penelitian  ini  menggunakan  metode  hidrotermal  yang  terdiri dari  dua  proses  yaitu  pelapisan  seed  layer  dan  proses  penumbuhan  ZnO rods .  Secara  detail  proses penumbuhan dijelaskan sebagai di bawah ini.
Proses pelapisan benih (seed layer) di atas permukaan mikrokantilever
Bahan  yang  digunakan  pada  proses  pelapisan  benih  ( seed  layer )  di  atas  permukaan mikrokantilever  yaitu  Diethylamine  (C 4 H 11 N),  Etylene  Glycol  Monomethyl  (C 4 H 10 O 2 ),  dan  Zinc Acetate  Dihydrate  (Zn(O 2 CH 3 ) 2 (H 2 O) 2 )  dengan  konsentrasi  0,3  M  .  Mikrokantilever  yang  memiliki ukuran  kecil  (mikrometer)  menyebabkan  proses  sintesis  tidak  mudah  untuk  dilakukan  (gambar  1). Oleh  karena  itu,  dilakukan  pembuatan  holder  penjepit  untuk  mempermudah  melakukan  proses dip- coating .  Holder  penjepit  dibuat  dengan  beberapa  bahan  yaitu  akrilik,  magnet,  alumunium  dan  baut yang  berbahan  dasar  besi.  Pada  gambar  2  dapat  dilihat  desain  holder  penjepit  yang  telah  dibuat. Akrilik  dilubangi  kemudian  magnet  ditanam  di  dalamnya  untuk  menarik  alumunium  yang  akan digunakan  sebagai  penjepit  mikrokantilever.  Pada  gambar  2,  dilakukan  proses  pencelupan (dip- coating) holder  yang  telah  disiapkan  dan  mikrokantilever  yang  telah  dipasang.  Proses dip-coating dilakukan  dengan  cara  mencelupkan  holder  beserta  mikrokantilever  ke  dalam  larutan  kemudian dipindahkan  ke  gelas  beaker  kosong  dalam  waktu  masing-masing  5  menit  dengan  pengulangan selama  tiga  kali.  Setelah  proses dip-coating, dilakukan  pengeringan  ( drying )  dengan  suhu  120 o C selama 2 jam.
Gambar 2. Holder penjepit yang digunakan untuk proses dip-coating
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Gambar 3. Proses Dip coating mikrokantilever

## Penumbuhan ZnO rods di atas permukaan mikrokantilever
Bahan  yang  digunakan  pada  proses  penumbuhan  batang  ZnO  (ZnO Rods )  di  atas  permukaan mikrokantilever  yaitu  Zinc  Nitrate  Tetrahydrate  (Zn(NO 3 ) 2 .  6H 2 O),  Hexamethylene-tetramine (C 6 H 12 N 4 ) dan Aqua Demineralitas (Aqua Dm) dengan konsentrasi 0,05 M. Penumbuhan ZnO di atas permukaan mikrokantilever menggunakan metode hidrotermal. Mikrokantilever yang telah dilakukan proses  pelapisan  dicelupkan  ke  dalam  larutan  dengan  bahan  dasar  di  atas  untuk  dilakukan  proses penumbuhan.  Proses  penumbuhan  ZnO  menggunakan  oven  dengan  suhu  95 o C  selama  waktu  yang divariasikan yaitu 2 jam, 4 jam dan 6 jam. Catatan bahwa setelah proses penumbuhan ZnO seharusnya dilakukan  proses annealing dengan  suhu  300 o C  sesuai  referensi  penumbuhan  ZnO  penelitian sebelumnya [7] ,  tetapi  pada  penelitian  ini  hanya  dilakukan  proses  pengeringan  dengan  suhu  120 o C selama 1 jam dikarenakan bahan holder yang digunakan yaitu akrilik memiliki titik lebur dengan suhu 160 o C. Oleh karena itu, pada proses ini tidak menggunakan furnace melainkan menggunakan oven. Pada  proses  penumbuhan  ZnO  dengan  suhu  95 o C,  larutan  mengendap  dan  endapan  tersebut dilakukan pengeringan dengan suhu 120 o C hingga endapannya membentuk serbuk yang digunakanan dalam proses karakterisasi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  4  menunjukkan  skema  gambar  mikrokantilever  dan  hasil  uji  karakterisasi  FE-SEM  dari sample  dengan  waktu  penumbuhan  2  jam  pada  perbesaran  50000x.  Bentuk  batangan-batangan merupakan  batang  material  ZnO  (ZnO rods). Di  sini,  arah  penumbuhan  batang  ZnO  terlihat  belum semua  mengarah  ke  atas.  Dengan  kata  lain,  ada  batang  ZnO  yang  mengarah  ke  atas,  arah  miring dengan  sudut  tertentu,  atau  bahkan  arah  menyamping  (horizontal).  Tabel  1  menunjukkan  sebaran ukuran diameter ZnO rods pada gambar FE-SEM. Dapat dilihat dari tabel 1 bahwa sebaran diameter penumbuhan  ZnO rods untuk  variasi  waktu  diameter    2  jam  mempunyai    interval    40-179  nm. Diameter yang menunjukkan frekuensi terbesar yaitu pada ukuran 120-139 nm.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Gambar 4. Skema Mikrokantilever dan hasil uji karakterisasi gambar FE-SEM (gambar atas) waktu penumbuhan 2 jam
Tabel 1. Interval ukuran diameter hasil FESEM ZnO rods waktu penumbuhan 2 jam.
Interval ukuran (nm) Frekuensi (buah) 40-59 5 60-79 4 80-99 17 100-119 8 120-139 34 140-159 4 160-179 2
Gambar 5 menunjukkan spektrum FTIR dari bahan dasar penumbuhan batang ZnO (ZnO Rods) yaitu Zinc  Nitrate  Tetrahydrate  (Zn(NO 3 ) 2 .  6H 2 O),  dan  juga  spektrum  FTIR  endapan  penumbuhan  batang  ZnO dengan waktu 2 jam, 4 jam dan 6 jam. Panjang gelombang 540 cm -1 menunjukkan pembentukkan ikatan Zn-O untuk  waktu  penumbuhan  2  jam,  sementara  panjang  gelombang  masing-masing  548  cm -1 dan  547  cm -1 untuk waktu  penumbuhan  batang  ZnO  (ZnO rods )  4  jam  dan  6  jam.  Diketahui  dari  publikasi  sebelumnya [11] bahwa spektrum bilangan gelombang penumbuhan ZnO nanopartikel adalah 532 cm -1 .
Gambar 5. Spektrum dari Zinc Nitrate Tetrahydrate (Zn(NO 3 ) 2 . 6H 2 O) dan endapan larutan ZnO yang digunakan untuk penumbuhan selama 2 jam, 4 jam dan 6 jam
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Tabel 2. Peak (puncak/lembah) yang timbul pada bahan dasar Zinc Nitrate Tetrahydrate Absorpsi IR (cm -1 ) Ikatan yang menyebabkan penyerapan (absorpsi) 3337,20 O-H 1637,35 C=C 1357,22 NO 2
Tabel 3. Peak (puncak/lembah) yang timbul untuk waktu endapan penumbuhan ZnO 2 jam
Absorpsi IR (cm -1 ) Ikatan yang menyebabkan penyerapan (absorpsi) 3347,18 O-H 1368,78 C-H 881,69 O-H 540,96 M-O (Zn-O)
Tabel 4. Peak (puncak/lembah) yang timbul untuk waktu endapan penumbuhan ZnO 4 jam
Absorpsi IR (cm -1 ) Ikatan yang menyebabkan penyerapan (absorpsi) 3455,96 O-H 1356,20 C-H 825,69 C-H 548,27 M-O (Zn-O)
Tabel 5. Peak (puncak/lembah) yang timbul untuk waktu endapan penumbuhan ZnO 6 jam
Absorpsi IR (cm -1 ) Ikatan yang menyebabkan penyerapan (absorpsi) 3369,97 O-H 1355,73 C-H 820,58 C-H 547,27 M-O (Zn-O)
Dari  Tabel  2-5  dapat  dilihat  beberapa  ikatan  yang  menyebabkan  adanya  penyerapan  ( absorpsi ) pada  bahan  dasar Zinc  Nitrate  Tetrahydrate yaitu  O-H,  C=C,  NO 2 .  Sedangkan  ikatan  yang menyebabkan penyerapan ( absorpsi ) pada endapan waktu penumbuhan 2 jam, 4 jam dan 6 jam adalah O-H,  C-H  dan Metal  Oxide (M-O)  yang  diprediksi  sebagai Zinc  Oxide (ZnO).  Ikatan  O-H  yang terserap  pada  daerah  spektrum  bilangan  gelombang  sekitar  3300  cm -1 semakin  mengecil  jika  waktu penumbuhan batang ZnO (ZnO rods ) semakin lama. Hal tersebut juga terjadi pada ikatan C-H dan O- H  di  daerah  spektrum  lainnya.  Sedangkan  ikatan  C=C,  NO 2 sudah  tidak  ada  penyerapan  lagi  pada endapan  dengan  waktu  penumbuhan  2  jam,  4  jam  dan  6  jam.  Ikatan Metal  Oxide (M-O)  yang diprediksi  sebagai  ikatan  Zn-O  terdapat  pada  spektrum  bilangan  gelombang  antara  540-548  cm -1 . Karena itu, analisa karakterisasi FTIR ini mengkonfirmasi ikatan Zn-O pada penumbuhan ZnO dalam penelitian ini.

## SIMPULAN
Telah  dilakukan  penumbuhan  material  ZnO  di  atas  permukaan  mikrokantilever  dan  investigasi dengan  menggunakan  FTIR.  Gugus  fungsi  dari  pengujian  FTIR  dilakukan  menggunakan  serbuk endapan  penumbuhan  batang  ZnO  (ZnO rods ).  Uji  karakterisasi  FTIR  mendapatkan  hasil  bahwa beberapa spektrum bilangan gelombang yang muncul sebagai respon dari ikatan antar atom tertentu. Ikatan logam oksida yang terbentuk dari bahan dasar penumbuhan batang ZnO (ZnO rods ) merupakan Zinc Nitrate Tetrahydrate (Zn(NO 3 ) 2 . 6H 2 O). Dengan waktu penumbuhan yang semakin lama yaitu 2 jam,  4  jam  dan  6  jam,  ikatan  O-H  dan  C-H  semakin  berkurang  tingkat  penyerapannya  ( absorpsi ). Pembentukan ikatan atom Zn-O untuk ketiga sample ZnO rods (waktu penumbuhan 2 jam, 4 jam dan 6 jam) ditunjukkan dengan spektrum bilangan gelombang sekitar 540-548   cm -1 .
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## UCAPAN TERIMAKASIH
Terimakasih  kepada  Kemenristekdikti  atas  hibah  riset  Intensif  Sinas  2017  yang  telah  membantu riset ini. Terimakasih kepada kak Fitri yang telah membantu uji karakterisasi FTIR.

## REFERENSI
[1] Nardo  Ramírez  Frómeta,  “Cantilever  Biosensors”,  Biotecnología  Aplicada  Vol.23,  No.  4, 2006.
[2] Raiteri,  R.Grattarola  M,  Butt,  H.Skladal,P.  (2001),  Micromechanical  cantilever-based biosensor, Sensor and Actuators B, Vol. 79, halaman 115-126.
[3] Vashist,  S.K  (2007),  A  review  of  Microcantilevers  for  sensing  Aplications,  Journal  of Nanotechnology, Vol. 3, halaman 1-15.
[4] Dohn,  S.Sandberg,  W,  Boisen,  A.  (2005),  Enhanced  functionality  of  cantilever  based    mass sensors using higher modes, Applied physics Letter, Vol. 86, halaman 233-501.
[5] Ratno  N,  Lia  A  (2013),  Desain  dan  Pengukuran  Gas  dengan  Mikrokantilever  Piezoresistif melalui mode dinamis dan statis. Prosiding InSinas 2012.
[6] T.  Contineau,  Sergey  N.  Pronkin  dkk.,  (2013),  Synthesis  of  vertically  aligned  titanium dioxide  nanotubes  on  microcantilevers  for  new  nanostructured  micromechanical  sensors  for explosive detection. Sensors & Actuators : B. Chemical. Vol. 182, Halaman 489-497.
[7] N.  Killinc,  O.  Cakmak  (2014),  Fabrication  of  1D  ZnO  nanostructures  on  MEMS  cantilever for VOC sensor application, Sensors and Actuators B: Chemical. Vol.202, Halaman 357-364.
[8] Neha Singh dkk., (2012) , effect of heat and time-period on the growth of ZnO nanorods by sol-gel  technique,  Optik-Internationl  Journal  for  Light  and  Electron  Optics,  Volume  123, Issue 15, Halaman 1340-1342.
[9] S.  Kumar  dkk.,  (2014),  Synthesis  of  ZnO  Nanorods  using  Hydrotermal  Methodfor  natural Dye Sensitized Photovoltaic Cell.
[10] Pavia, D.L Lampman, G.H dan Kriz, G.S. 2001. Introduction to Spectroscopy 3th ed. USA : Thomson Learning.
[11] Samira  Bagheri  dkk.,  (2013),  Facile  Synthesis  of  nano-sized  ZnO  by  direct  precipitation method. Scholars Research Library, Der Pharma Chemica 5(3):265-270.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA