Bundelan Material Objek 5

PRAKTIKUM KIMIA MATERIAL SEMESTER GENAP

TAHUN AJARAN 2011 / 2012

PEMBUATAN MATERIAL ANORGANIK

DENGAN PROSES SOL-GEL

I. TUJUAN

Mempelajari pembuatan material dengan proses sol-gel.

II. TEORI

Metode sol-gel dikenal sebagai salah satu metode sintesis nanopartikel yang

cukup sederhana dan mudah. Metode ini merupakan salah satu “wet method”

karena pada prosesnya melibatkan larutan sebagai medianya. Pada metode sol-

gel, sesuai dengan namanya, larutan mengalami perubahan fase menjadi sol

(koloid yang mempunyai padatan tersuspensi dalam larutannya) dan kemudian

menjadi gel (koloid tetapi mempunyai fraksi solid yang lebih besar daripada sol).

Proses sol gel dapat didefinisikan sebagai proses pembentukan senyawa

anorganik melalui reaksi kimia dalam larutan pada suhu rendah, dimana dalam

proses tersebut terjadi perubahan fasa dari suspensi koloid (sol) membentuk fasa

cair kontinue (gel).

Salah satu metoda dalam pembuatan nanopartikel silika, SiO2 adalah

metoda sol-gel. Metoda sol-gel merupakan metoda yang paling banyak

dilakukan. Hal ini disebabkan karena beberapa keunggulannya, antara lain:

proses berlangsung pada temperatur rendah, prosesnya relatif lebih mudah,

bisa diaplikasikan dalam segala kondisi (versatile), menghasilkan produk dengan

kemurnian dan kehomogenan yang tinggi jika parameternya divariasikan.

Dimana bisa dilakukan kontrol terhadap ukuran dan distribusi pori dengan

mengubah rasio molar air/prekursor, tipe katalis atau prekursor, suhu gelasi,

pengeringan, dan proses stabilisasi. Selain itu, yang paling mengesankan dari

proses sol-gel adalah biayanya relatif murah dan produk berupa xerogel silika

yang dihasilkan tidak beracun.

Prekursor atau bahan awal dalam pembuatannya adalah alkoksida logam

dan klorida logam, yang kemudian mengalami reaksi hidrolisis dan reaksi

OBJEK V – PEMBUATAN MATERIAL ANORGANIK DENGAN PROSES SOL-GEL



polikondensasi untuk membentuk koloid, yaitu suatu sistem yang terdiri dari

partikel-partikel padat (ukuran partikel antara 1 nm sampai 1 µm) yang

terdispersi dalam suatu pelarut. Bahan awal atau precursor juga dapat disimpan

pada suatu substrat untuk membentuk film (seperti melalui dip-coating atau

spin-coating), yang kemudian dimasukkan kedalam suatu container yang sesuai

dengan bentuk yang diinginkan contohnya untuk menghasilkan suatu keramik

monolitik, gelas, fiber atau serat, membran, aerogel, atau juga untuk mensintesis

bubuk baik butiran mikro maupun nano.

Dari beberapa tahapan proses sol-gel, terdapat dua tahapan umum dalam

pembuatan metal oksida melalui proses sol-gel, yaitu hidrolisis dan

polikondensasi seperti terlihat pada Gambar 1 berikut ini. Pada tahap hidrolisis

terjadi penyerangan molekul air.

Metoda sol-gel memiliki beberapa keuntungan, antara lain :

1. Tingkat stabilitas termal yang baik.

2. Stabilitas mekanik yang tinggi.

3. Daya tahan pelarut yang baik.

4. Modifikasi permukaan dapat dilakukan dengan berbagai kemungkinan.




Prekursor yang biasa digunakan umumnya logam-logam anorganik atau

senyawa logam organik yang dikelilingi oleh ligan yang reaktif seperti logam

alkoksida (M(OR)z), dimana R menunjukkan gugus alkil (CnH2n+1). Logam alkoksida

banyak digunakan karena sifatnya yang mudah bereaksi dengan air.

Tahapan Proses Sol-Gel terdiri dari :

1. Hidrolisis

Pada tahap pertama logam prekursor (alkoksida) dilarutkan dalam alkohol

dan terhidrolisis dengan penambahan air pada kondisi asam, netral atau basa

menghasilkan sol koloid. Hidrolisis menggantikan ligan (-OR) dengan gugus

hidroksil (-OH) dengan reaksi sebagai berikut :

M(OR)z + H2O M(OR) (z-1) (OH) + ROH

Faktor yang sangat berpengaruh terhadap proses hidrolisis adalah rasio

air/prekursor dan jenis katalis hidrolisis yang digunakan. Peningkatan rasio

pelarut/prekursor akan meningkatkan reaksi hidrolisis yang mengakibatkan

reaksi berlangsung cepat. Katalis yang digunakan pada proses hidrolisis adalah

jenis katalis asam atau katalis basa, namun proses hidrolisis juga dapat

berlangsung tanpa menggunakan katalis. Dengan adanya katalis maka proses

hidrolisis akan berlangsung lebih cepat dan konversi menjadi lebih tinggi.

Gambar tahapan preparasi dengan metoda sol gel




2. Kondensasi

Pada tahapan ini terjadi proses transisi dari sol menjadi gel. Reaksi

kondensasi melibatkan ligan hidroksil untuk menghasilkan polimer dengan ikatan

M-O-M. Pada berbagai kasus, reaksi ini juga menghasilkan produk samping

berupa air atau alkohol dengan persamaan reaksi secara umum adalah sebagai

berikut :

a. Kondensasi alkohol

M-OH + M-OR M-O-M + R-OH

b. Kondensasi air

M-OH + M-OH M-O-M + H2O

Polimerisasi sol-gel terjadi dalam tiga tahap :

- Polimerisasi monomer-monomer membentuk partikel

- Pertumbuhan partikel

- Pengikatan partikel membentuk rantai, kemudian jaringan yang terbentuk

diperpanjang dalam medium cairan, mengental menjadi suatu gel, seperti

ditunjukkan pada Gambar-2 berikut :

3. Pematangan (Ageing)

Setelah reaksi hidrolisis dan kondensasi, dilanjutkan dengan proses

pematangan gel yang terbentuk. Proses ini lebih dikenal dengan proses ageing.




Pada proses pematangan ini, terjadi reaksi pembentukan jaringan gel yang lebih

kaku, kuat, dan menyusut didalam larutan.

4. Pengeringan

Tahapan terakhir adalah proses penguapan larutan dan cairan yang tidak

diinginkan untuk mendapatkan struktur sol gel yang memiliki luas permukaan

yang tinggi.

Kelebihan metode sol-gel, antara lain :

a. Kehomogenan yang lebih baik

b. Kemurnian yang tinggi

c. Suhu relatif rendah

d. Tidak terjadi reaksi dengan senyawa sisa

e. Kehilangan bahan akibat penguapan dapat diperkecil

f. Mengurangi pencemaran udara

Kekurangan metoda sol-gel, antara lain :

a. Bahan mentah mahal

b. Penyusutan yang besar selama proses pengeringan

c. Sisa hidroksil dan karbon

d. Menggunakan pelarut organik yang berbahaya bagi kesehatan

e. Memerlukan waktu pemprosesan yang lama.

Parameter Proses Sol Gel




Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Sol Gel

Dalam proses sol-gel, ada beberapa faktor yang berpengaruh dalam

menghasilkan produk yang diinginkan, yaitu :

a. Senyawa logam

Senyawa logam yang digunakan sebagai bahan awal pada reaksi hidrolisis

dan kondensasi disebut prekursor. Persyaratan umum dari prekursor yang

digunakan adalah harus dapat larut dalam media reaksi dan harus cukup reaktif

dalam pembentukan gel. Perbedaan senyawa alkoksida yang digunakan sebagai

prekursor dalam proses sol-gel akan memberikan perbedaan yang jelas pada

densitas, ukuran pori dan luas permukaan gel.

b. Katalis

Penggunaan katalis menyebabkan reaksi hidrolisis menjadi lebih cepat dan

sempurna. Katalis yang umum digunakan dalam reaksi pembentukan gel adalah

asam-asam anorganik, seperti: HCl, HNO3 dan H2SO4. Disamping itu, asam-asam

organik juga dapat digunakan sebagai katalis, seperti: asam asetat atau

pembentukan gel dan sifat fisik gel. Namun demikian, katalis tidak diperlukan

dalam reaksi kondensasi.

c. Pelarut

Pada tahap awal pelarut digunakan untuk menghomogenkan campuran

bahan dasar dan air karea sifat kepolarannya berbeda. Pelarut berfungsi untuk

menghalangi pemisahan fasa cair-cair pada waktu reaksi hidrolisis dan

mengontrol konsentrasi logam. Pelarut yang umum digunakan dalam reaksi

pembentukan gel adalah alkohol. Hal ini disebabkan karena alkohol mempunyai

tekanan uap yang lebih tinggi pada temperatur kamar.

d. Temperatur

Temperatur dalam proses sol-gel akan mempengaruhi kecepatan

pembentukan gel. Proses sol-gel yang telah dilakukan pada temperatur yang

lebih tinggi dari temperatur kamar menyebabkan laju hidrolisis akan menjadi

cepat dan juga menyebabkan gel cepat terbentuk.




III. PROSEDUR PERCOBAAN

3.1 Alat dan Bahan

N

oAlat Kegunaan

1 Hot plate Untuk memanaskan

2 Stirrer Untuk mengaduk larutan

3 Gelas piala Sebagai wadah larutan

4 Termometer Untuk mengukur suhu

5 Neraca analitik Untuk menimbang zat

N

oBahan Kegunaan

1 TEOS Sebagai sumber Si

2 Etanol 95 % Sebagai pelarut

3 HCl 2 N Sebagai katalis

3.2 Cara Kerja

1. Campurkan 20 mL etanol 95 % dan 5 tetes HCl 2 N (larutan A).

2. Sebanyak 2 mL TEOS dimasukkan ke dalam 10 mL larutan A.

3. Panaskan pada temperatur 60oC selama 2 jam sambil dilakukan

pengadukan.

4. Campuran tersebut dipindahkan ke dalam gelas piala.

5. Tutup dengan aluminium foil yang telah dilubangi.

6. Biarkan pada temperatur kamar sampai terbentuk gel basah.

7. Lanjutkan pengeringan sampai terbentuk gel kering.


setelah beberapa hari

Gel kering

Gel basah



3.3 Skema Kerja


20 mL etanol + 5 tetes HCl

- dimasukkan ke dalam gelas piala- dimasukkan 2 mL TEOS ke dalam 10 mL

larutan A

Larutan

- dipanaskan pada suhu 60oC selama 2 jam

- diaduk

Campuran

- dipindahkan ke dalam gelas piala- ditutup dengan aluminium foil - dibiarkan pada suhu kamar



3.4 Skema Alat

Keterangan :

1. Gelas piala

2. Hot plate stirer




IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil




4.2 PEMBAHASAN

Pada praktikum kali ini bertujuan untuk mempelajari bagaimana cara pembuatan

material dengan proses sol-gel. Proses sol-gel merupakan suatu metoda

penyebaran bahan anorganik dalam larutan. Bahan dasar yang digunakan antara

lain: etanol 95% sebagai pelarut, HCl 2 N sebagai katalis, dan TEOS (tetra etoksi

orto silikat) sebagai bahan penghasil logam Si. Si merupakan logam alkoksida

yang digunakan sebagai prekursor sehingga metoda yang digunakan dalam

pembentukan sol-gel ini disebut juga metoda alkoksida.

Pada proses sol-gel ini memiliki kelebihan dibandingkan dengan metoda

lainnya, dimana proses sol-gel ini kemurniannya lebih tinggi dn penggunaan suhu

yang relatif lebih rendah yaitu 60°C. Suhu pada percobaan ini memiliki peranan

penting karena jika suhunya melebihi 60°C, maka tidak akan terbentuk sol-

gelnya.

Pemanasan yang dilakukan pada suhu 60°C selama dua jam, digunakan

untuk mempercepat reaksi dalam pembentukan sol-gel. Pemanasan tidak boleh

melebihi 60°C karena akan menguapkan pelarut.

Sol-gel yang kami dapatkan dalam percobaan ini dalam keadaan pecah,

tidak jelas gel-nya. Hal ini diakibatkan kerena pengeringan yang terlalu lama.

Seharusnya pengeringan ini hanya beberapa hari, sehingga sol-gel yang kami

dapatkan rusak dan pecah.

Gel kering ini merupakan suatu oksopolimer, yaitu polimer dengan rantai

panjang yang antara satu logam dengan logam yang lainnya saling berhubungan

dengan ikatan oksigen. Oksopolimer yang terbentuk pada proses sol-gel ini ialah

SiO2 yang saling berikatan satu dengan yang lainnya.

Percobaan yang kami lakukan kurang berhasil, hal ini disebabkan karena

pemanasan yang terlalu lama dan sol-gel yang terbentuk malah terpecah-pecah

dan susah untuk dioptis. Pada proses pembuatan sol-gel ini terdapat faktor-

faktor yang mempengaruhi pembentukan gel silika dalam proses sol-gel adalah

pengaruh katalis yang dapat mempercepat suatu reaksi pembentukan sol-gel

yang terbentuk cepat dan sempurna.




V. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan,

antara lain :

1. Pada percobaan ini menggunakan metoda alkoksida dimana metoda ini

menggunakan alkoksida sebagai prekursornya.

2. Sol-gel yang kami dapatkan rusak dan pecah sehingga tidak jelasnya gel-nya.

3. Pemanasan tidak boleh melebihi 60°C karena akan menguapkan pelarut.

5.2 Saran

Agar mendapatkan hasil yang lebih baik pada praktikum selanjutnya, maka

disarankan kepada praktikan selanjutnya untuk :

1. Berhati-hati dalam pembuatan dan pencampuran zat.

2. Pemanasan harus dilakukan pada suhu 60oC.

3. Memahami prosedur kerja dengan baik.




JAWABAN PERTANYAAN

1. Fungsi etanol dalam percobaan ini adalah sebagai pelarut (melarutkan

silikat).

2. Diagram kerja :

3. Sol adalah sistem koloid yang fasa terdispersinya padat dan fasa

pendispersinya cair dan gas.

4. Reaksi hidrolisis adalah reaksi penguraian garam oleh air atau reaksi ion-ion

garam dengan air.



- dimasukkan ke dalam gelas piala- dimasukkan 2 mL TEOS ke dalam 10

mL larutan A

Larutan


- diaduk

Campuran


Gel basah

- setelah beberapa hari

Gel kering



DAFTAR PUSTAKA

http://bennyriofernandez.blogdetik.com/files/2012/01/metoda-metoda-sintesis-nanopartikel.pdf

http://eprints.undip.ac.id/28272/1/E-20.pdf

http://sariyusriati.wordpress.com/2008/10/21/sol-gel-technology/

http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia_sma1/kelas_x/pengelompokan-koloid/


http://sariyusriati.wordpress.com/2008/10/21/sol-gel-technology/

http://eprints.undip.ac.id/28272/1/E-20.pdf





JAWABAN RESPONSI

1. Sebutkan judul, tujuan dan skema kerja !

Jawab :

Judul : Pembuatan Material Anorganik Dengan Proses Sol-Gel.

Tujuan : Mempelajari pembuatan material dengan proses sol-gel.

Skema Kerja :

2. Sebutkan fungsi bahan yang digunakan !

Jawab :

Bahan yang digunakan :

- TEOS sebagai sumber Si

- Etanol 95 % sebagai pelarut

- HCl 2 N sebagai katalis


- dimasukkan ke dalam gelas piala- dimasukkan 2 mL TEOS ke dalam 10 mL

larutan A

Larutan


- diaduk

Campuran


Gel basah

- setelah beberapa hari

Gel kering




3. Apa yang dimaksud dengan dengan sol dan gel?

Jawab :

Sol adalah suspensi koloid yang fasa terdispersinya berbentuk solid (padat)

dan fasa pendispersinya berbentuk liquid (cairan).

Gel adalah jaringan partikel atau molekul, baik padatan dan cairan, dimana

polimer yang terjadi di dalam larutan digunakan sebagai tempat pertumbuhan

zat anorganik.

4. Sebutkan kelebihan dan kekurangan metoda sol-gel !

Jawab :

Kelebihan metode sol-gel, antara lain :

a. Kehomogenan yang lebih baik

b. Kemurnian yang tinggi

c. Suhu relatif rendah

d. Tidak terjadi reaksi dengan senyawa sisa

e. Kehilangan bahan akibat penguapan dapat diperkecil

f. Mengurangi pencemaran udara

Kekurangan metoda sol-gel, antara lain :

a. Bahan mentah mahal

b. Penyusutan yang besar selama proses pengeringan

c. Sisa hidroksil dan karbon

d. Menggunakan pelarut organik yang berbahaya bagi kesehatan

e. Memerlukan waktu pemprosesan yang lama.

5. Jelaskan tahapan proses sol-gel !

Jawab :

Tahapan proses sol-gel, antara lain :

a. Hidrolisis

Pada tahap pertama logam prekursor (alkoksida) dilarutkan dalam alkohol

dan terhidrolisis dengan penambahan air pada kondisi asam, netral atau basa




menghasilkan sol koloid. Hidrolisis menggantikan ligan (-OR) dengan gugus

hidroksil (-OH) dengan reaksi sebagai berikut :

M(OR)z + H2O M(OR) (z-1) (OH) + ROH

Faktor yang sangat berpengaruh terhadap proses hidrolisis adalah rasio

air/prekursor dan jenis katalis hidrolisis yang digunakan. Peningkatan rasio

pelarut/prekursor akan meningkatkan reaksi hidrolisis yang mengakibatkan

reaksi berlangsung cepat. Katalis yang digunakan pada proses hidrolisis adalah

jenis katalis asam atau katalis basa, namun proses hidrolisis juga dapat

berlangsung tanpa menggunakan katalis. Dengan adanya katalis maka proses

hidrolisis akan berlangsung lebih cepat dan konversi menjadi lebih tinggi.

b. Kondensasi

Pada tahapan ini terjadi proses transisi dari sol menjadi gel. Reaksi

kondensasi melibatkan ligan hidroksil untuk menghasilkan polimer dengan ikatan

M-O-M. Pada berbagai kasus, reaksi ini juga menghasilkan produk samping

berupa air atau alkohol dengan persamaan reaksi secara umum adalah sebagai

berikut :

- Kondensasi alkohol

M-OH + M-OR M-O-M + R-OH

- Kondensasi air

M-OH + M-OH M-O-M + H2O

c. Pematangan (Ageing)

Setelah reaksi hidrolisis dan kondensasi, dilanjutkan dengan proses

pematangan gel yang terbentuk. Proses ini lebih dikenal dengan proses ageing.

Pada proses pematangan ini, terjadi reaksi pembentukan jaringan gel yang lebih

kaku, kuat, dan menyusut didalam larutan.

d. Pengeringan

Tahapan terakhir adalah proses penguapan larutan dan cairan yang tidak

diinginkan untuk mendapatkan struktur sol gel yang memiliki luas permukaan

yang tinggi.




6. Jelaskan faktor-faktor yang digunakan !

Jawab :

a. Senyawa logam

Senyawa logam yang digunakan sebagai bahan awal pada reaksi hidrolisis dan

kondensasi disebut prekursor. Persyaratan umum dari prekursor yang

digunakan adalah harus dapat larut dalam media reaksi dan harus cukup

reaktif dalam pembentukan gel. Perbedaan senyawa alkoksida yang

digunakan sebagai prekursor dalam proses sol-gel akan memberikan

perbedaan yang jelas pada densitas, ukuran pori dan luas permukaan gel.

b. Katalis

Penggunaan katalis menyebabkan reaksi hidrolisis menjadi lebih cepat dan

sempurna. Katalis yang umum digunakan dalam reaksi pembentukan gel

adalah asam-asam anorganik, seperti: HCl, HNO3 dan H2SO4. Disamping itu,

asam-asam organik juga dapat digunakan sebagai katalis, seperti: asam asetat

atau pembentukan gel dan sifat fisik gel. Namun demikian, katalis tidak

diperlukan dalam reaksi kondensasi.

c. Pelarut

Pada tahap awal pelarut digunakan untuk menghomogenkan campuran bahan

dasar dan air karea sifat kepolarannya berbeda. Pelarut berfungsi untuk

menghalangi pemisahan fasa cair-cair pada waktu reaksi hidrolisis dan

mengontrol konsentrasi logam. Pelarut yang umum digunakan dalam reaksi

pembentukan gel adalah alkohol. Hal ini disebabkan karena alkohol

mempunyai tekanan uap yang lebih tinggi pada temperatur kamar.

d. Temperatur

Temperatur dalam proses sol-gel akan mempengaruhi kecepatan

pembentukan gel. Proses sol-gel yang telah dilakukan pada temperatur yang

lebih tinggi dari temperatur kamar menyebabkan laju hidrolisis akan menjadi

cepat dan juga menyebabkan gel cepat terbentuk.




PEMBAHASAN JURNAL

Judul : Preparasi Lapisan Tipis ZnO Transparan menggunakan Metode Sol-Gel

beserta Karakterisasi Sifat Optiknya.

Analisis Jurnal :

Lapisan tipis transparan ZnO telah berhasil disintesis dengan metoda sol-

gel. Prekursor berasal dari zink asetat dihidrat yang dilarutkan dengan etilen

glikol dan iso-propanol, lalu distabilkan dengan senyawa basa trietilamin.

Pembentukan lapisan yang terdiri dari partikel ZnO diamati seiring dengan

proses pemanasan. Berdasarkan hasil karakterisasi optik, lapisan yang

mengalami pemanasan hingga 500oC memiliki tingkat ketransparanan yang

paling tinggi melebihi 98 % pada daerah cahaya tampak (400-800 nm), dengan

pita energi sebesar 3,21 eV. Absorbansi mengalami peningkatan pada sampel

yang mengalami pemanasan sedangkan emisi visible menurun saat pemanasan

pada suhu 500oC. Peningkatan sifat optik meliputi absorbansi, transmisi,

disebabkan oleh berkurangnya kerapatan perbatasan antar bulir akibat

pertumbuhan partikel baru dengan ukuran lebih kecil, serta keberadaan dari

native defect oksigen vacancy. Sedangkan menurunnya intensitas emisi visible

pada suhu tinggi berkaitan dengan mulai terbentuknya morfologi permukaan

lapisan yang lebih baik.

Skema Kerja :

a. Pembuatan larutan prekursor

Proses sintesis zink oksida dengan menggunakan metode sol gel

berdasarkan pada pekerjaan yang telah dilakukan oleh Kamalasanan dkk.[8]

dengan sedikit modifikasi. Prekursor ZnO berasal dari zink asetat dihidrat (1gr)

yang dilarutkan dalam etilen glikol (0,35 mL). Kelarutan zink asetat dihidrat

kurang baik dalam alkohol, sehingga proses pelarutan harus disertai dengan

pemanasan. Pemanasan dilakukan di atas hot plate pada rentang suhu 150oC –

170oC. Pemanasan membutuhkan waktu sekitar 20- 30 menit sampai di dapatkan

larutan bening dan transparan. Pada tahap ini, larutan yang terbentuk terdiri dari




nano partikel zink asetat yang telah larut di dalam etilen glikol, beserta senyawa

asam asetat dan air. Zink asetat yang larut tersebut memiliki bulir yang sangat

kecil sehingga larutan tersebut terlihat bening tak berwarna. Selama proses

pendinginan larutan akan berubah fasa menjadi padatan bening (brittle solid),

yang dapat larut pada 2 mL iso-propanol yang dicampur dengan 0,05 mL gliserol.

Setelah larut tambahkan trietilamine untuk membantu proses hidrolisis zink

asetat. Larutan prekursor yang terbentuk terlihat bening tak berwarna dan dapat

bertahan selama 48 jam dalam keadaan tertutup pada suhu ruang. Pada hari ke

tiga, larutan bening akan berubah menjadi koloid yang akhirnya terdapat

endapan didasar labu reaksi. Endapan tersebut diasumsikan sebagai zink

hidroksida (ZnOH) dengan bulir partikel yang besar dan kemungkinan pula

mengandung zink asetat dihidrat, yang terbentuk dari senyawa zink acetat

bereaksi dengan udara luar sehingga membentuk gugus dihidrat kembali,

beserta senyawa organik lainnya yang terbentuk ketika proses reaksi.

b. Teknik pelapisan

Selanjutnya adalah pembuatan lapisan tipis ZnO dengan teknik spin

coating. Kecepatan putaran bervariasi antara 1500 rpm, 2000 rpm, dan 3000

rpm, selama 15-30 detik untuk mendapatkan lapisan yang paling baik, rata, dan

homogen. Berdasarkan percobaan, teknik pelapisan yang paling baik adalah

dengan kecepatan putaran 2000 rpm selama 20 detik, pelapisan dilakukan di atas

substrat gelas.

c. Proses pre-heating dan post-heating

Proses pemanasan (heating) dilakukan dengan menggunakan tanur mulai

dari suhu ruang hingga 230oC. Temperatur dinaikkan secara perlahan-lahan

hingga 230oC selama 5 jam. Sampel didiamkan selama 15 menit pada suhu 230oC,

kemudian diturunkan secara perlahan hingga suhu ruang. Tahap ini dikatakan

juga sebagai tahap pre-heating yang berfungsi untuk menghilangkan pelarut

etilen glikol, air, iso-propanol, dan gugus asam, dan memfasilitasi perubahan

ZnOH menjadi ZnO seiring dengan pemanasan (hidrolisis). Tahap selanjutnya

adalah annealing atau post-heating pada suhu 500oC. Peningkatan suhu




dilakukan selama 10 jam. Sample dipanaskan pada suhu 500oC selama 15 menit

lalu temperatur diturunkan secara alami hingga kembali ke suhu ruang. Post–

heating ini berfungsi untuk pembentukan kristal dari partikel ZnO. Diharapkan

kristal yang terbentuk memiliki orientasi yang seragam, dan memiliki ukuran

butir kecil serta meminimalisir pori-pori yang terbentuk. Tahap pemanasan untuk

sampel yang mengalami pre-heating (230oC) dan post-heating (500oC) dapat

dilihat pada gambar 1 berikut :

Gambar 1. Proses pre-heating dan post-heating. Peningkatan pemanasan secara

teraturdimaksudkan untuk memfasilitasi terbentuknya kristal

dengan orientasi seragam dan teratur.

Gambar 2. Tahapan dalam pembuatan lapisan tipis ZnO




Selanjutnya dilakukan proses pembilasan menggunakan akuades dan

aseton untuk menghilangkan sisa senyawa organik yang dimungkinkan masih

tertinggal. Karakterisasi yang dilakukan untuk mengetahui morfologi lapisan yang

terbentuk adalah SEM, dan untuk mengetahui sifat optik, pengukuran

transmitansi, absorbansi, dan emisi menggunakan spectrometer ocean optic

USB2000 .

Analisis metoda yang dipakai :

Beberapa jenis metoda sintesis ZnO berstruktur nano adalah Chemical

vapor deposition, metal-organic CVD, elektrodeposisi, solution process termasuk

metoda sol-gel. Metode sol-gel merupakan proses yang mudah dan tidak

memerlukan biaya tinggi, sehingga banyak digunakan beberapa tahun

belakangan ini. Salah satu sifat menarik yang dimiliki oleh ZnO adalah

pembentukan kristal yang dapat terjadi pada suhu di bawah 400oC, tentu saja

hal ini tergantung dari jenis deposisi dan pelarut yang digunakan. Seperti yang

telah dilaporkan oleh Yiamsawas dkk. pada tahun 2009, mereka menggunakan

PVP dan etanol sebagai pelarut dan dengan pemanasan pada suhu 80oC

morfologi kristal sudah terbentuk. Sedangkan hasil yang diperoleh oleh Huang

(2008), pada temperatur deposisi kurang dari 300oC struktur yang terbentuk

masih bersifat amorf, dan ketika temperatur melebihi 300oC, struktur sudah

mulai mengkristal tetapi masih belum terorientasi dengan sempurna. Penelitian

yang dilakukan oleh Olson pada tahun 2007 menyatakan bahwa nanokristal ZnO

telah terbentuk ketika pemanasan mencapai 300oC, mereka menggunakan metal

oksida ini untuk diaplikasikan pada sel surya hibrid. Ketika proses heating

melebihi 500oC struktur kristal dengan orientasi dan ukuran yang sama

mendominasi berdasarkan hasil spektrum XRD. Struktur kristal dan ukuran bulir

partikel pada lapisan tipis ZnO sangat mempengaruhi sifat optik dan elektrik-nya,

sedangkan agregasi partikel yang membentuk lapisan (cluster) tidak terlalu

mempengaruhi absorpsi optik nanopartikel yang dihasilkan. Pada dasarnya

orientasi dari nanokristal yang membentuk lapisan tipis sangat bergantung pada




jenis substrat yang digunakan, hal ini berkaitan dengan energi permukaan yang

terbentuk antara substrat dan lapisan yang ditumbuhkan. Penggunaan substrat

yang memiliki lattice mismacth yang kecil, akan mempermudah pembentukkan

kristal menjadi lebih teratur (preferred orientation) dan seragam sesuai dengan

hasil yang dilaporkan oleh Srinivasan.

Analisis hasil yang didapatkan :

Morfologi :

Perubahan morfologi lapisan seiring dengan perlakuan pemanasan dapat dilihat

pada gambar 3 di bawah ini :

a

b c

Gambar 3. Citra SEM pada bagian permukaan untuk mengetahui morfologi

lapisan. (a) sampel non-heating, (b) sampel pre-heating 230oC,

(c) sampel post-heating 500oC.




Berdasarkan hasil foto SEM, lapisan ZnO yang tidak mengalami pemanasan

memiliki kerapatan perbatasan antar partikel yang sangat besar, sehingga

terbentuk poros berukuran besar. ZnO yang terbentuk cenderung menggumpal

dan tidak membentuk butiran. Ketika lapisan tersebut mengalami proses pre-

heating pada suhu 230oC, butiran partikel ZnO mulai tumbuh dan bermunculan.

Hal ini sesuai dengan hasil sampel yang mengalami perlakuan post-heating pada

suhu 500oC, lapisan yang terbentuk terdiri dari butiran, sehingga mereduksi

kerapatan perbatasan antar bulir dan poros lapisan. Hasil ini sesuai dengan hasil

penelitian yang telah dilakukan oleh para peneliti lain.

Sifat Optik :

Hasil pengukuran transmitansi dilihat pada gambar 4 di bawah ini, lapisan

yang dihasilkan bersifat transparan dengan transmitansi sebesar 98 % pada

panjang gelombang sekitar 400 nm, dan 100% pada daerah panjang gelombang >

500 nm.

Pada sampel yang tidak mengalami perlakuan pemanasan, masih terlihat

serapan pada panjang gelombang diatas 400 nm (dapat dilihat pada kurva

absorbansi gambar 5). Tingkat ketransparanan yang paling tinggi dimiliki oleh

sampel yang mengalami pemanasan hingga 500oC (post-heating). Sifat




transparan yang dihasilkan berkaitan dengan kualitas film yang terbentuk dan

dapat dipengaruhi oleh struktur kristal, ukuran bulir, dan pemilihan substrat.

Selain itu peningkatan transmitansi pada suhu yang lebih tinggi

kemungkinan diakibatkan oleh hamburan optik yang disebabkan oleh pemadatan

dan penumbuhan bulir partikel yang diiringi dengan berkurangnya kerapatan

perbatasan bulir antar partikel yang terbentuk. Sehingga dapat diketahui untuk

menghasilkan kualitas lapisan yang baik, dibutuhkan pemanasan pada

temperatur yang cukup tinggi.

Gambar 5 merupakan spektrum absorbansi dari lapisan ZnO, pada sampel

pre-heating dan post-heating puncak absorbansi berada pada panjang

gelombang yang sama yaitu pada 362,5 nm. Sedangkan pada sampel non-heating

puncak pertama berada pada panjang gelombang yang hampir sama dengan

sampel lainnya, yaitu pada 365,8 nm, dan terdapat puncak-puncak serapan lain

pada panjang gelombang di atas 400 nm. Spektrum absorbansi pada sampel non-

heating, kemungkinan dilakukan oleh senyawa organik yang masih tertinggal di

dalam lapisan, agregasi dan bulir ZnO dengan ukuran yang besar dan heterogen

serta poros berukuran besar, hal ini terlihat dari lebarnya spektrum absorbansi

dan munculnya shoulder pada daerah panjang gelombang yang lebih besar.

Gambar 5. Kurva absorbansi lapisan tipis ZnO dengan sumber cahaya halogen.


Bundelan Material Objek 5

Documents

Transcript of Bundelan Material Objek 5