14
SINTESIS ZnO NANORODS UNTUK APLIKASI ANTI-REFLEKSI PADA LAPIS TIPIS GaAs Disusun Oleh : FITRI NUR AINI M0313024 SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Bidang Ilmu Kimia FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Oktober, 2017

FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

  • Upload
    buithuy

  • View
    227

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

SINTESIS ZnO NANORODS UNTUK APLIKASI ANTI-REFLEKSI

PADA LAPIS TIPIS GaAs

Disusun Oleh :

FITRI NUR AINI

M0313024

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Bidang Ilmu Kimia

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Oktober, 2017

Page 2: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

ii

Page 3: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “SINTESIS ZnO

NANORODS UNTUK APLIKASI ANTI-REFLEKSI PADA LAPIS TIPIS

GaAs” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan

tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh

orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar

pustaka.

Surakarta, Oktober 2017

FITRI NUR AINI

Page 4: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

iv

SINTESIS ZnO NANORODS UNTUK APLIKASI ANTI-REFLEKSI PADA LAPIS

TIPIS GaAs

FITRI NUR AINI

Program Studi Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Telah dilakukan sintesis ZnO nanorods agen anti-refleksi pada lapis tipis GaAs. Material

ZnO nanorods disintesis dari prekursor Zn(NO3)2·4H2O dengan penambahan surfaktan

Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) rasio 1:0, 1:1, 1:2, dan 1:3 (w/w) menggunakan

metode hidrotermal pada suhu 180 °C selama 24 jam. Material ZnO nanorods dikarakterisasi

dengan X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission

Electron Microscopy (TEM), Surface Area Analyzer (SAA), dan Spektrofotometer UV-Vis.

Adanya penambahan surfaktan CTAB dan variasi suhu kalsinasi berpengaruh terhadap

meningkatnya ukuran kristal. Morfologi material ZnO menunjukkan terbentuknya material

nanorods dengan peningkatan penambahan CTAB dan peningkatan suhu kalsinasi.

Meningkatnya ukuran kristal dan terbentuknya nanorods meningkatkan sifat optik yaitu

menurunkan pantulan cahaya (reflektansi) dan meningkatkan cahaya yang diteruskan

(transmitansi). Celah pita (band gap) material ZnO nanorods pada rasio prekursor

Zn(NO3)2·4H2O:CTAB= 1:3 (w/w) suhu kalsinasi 700 °C sebesar 2,6 eV. Absorbansi pada

daerah ultraviolet 310-330 nm mengindikasikan bahwa ZnO tidak menyerap cahaya tampak

(visible). Evaluasi kinerja agen anti-refleksi pada lapis tipis GaAs meningkat ditunjukkan

dengan hasil reflektansi yang lebih rendah dibanding tanpa adanya pelapisan anti-refleksi

ZnO nanorods.

Kata kunci: ZnO nanorods, CTAB, anti-refleksi

Page 5: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

v

SYNTHESIS OF ZnO NANORODS FOR ANTI-REFLECTIVE GaAs THIN FILM

FITRI NUR AINI

Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science

Sebelas Maret University

ABSTRACT

ZnO nanorods have been successfully synthesized as anti-reflection agent to GaAs thin film.

Starting material of ZnO nanorods was prepared from precursor of Zn(NO3)2·4H2O with

addition of Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) surfactant with rasio 1:0; 1:1; 1:2; 1:3

(w/w) using hydrothermal method at temperature of 180 °C for 24 hours. Characterization of

ZnO nanorods were performed by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy

(SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), Surface Area Analyzer (SAA), and UV-

Vis Spectrophotometer. The addition of CTAB surfactant and calcination treatment affected

the increasing of crystal size. Morphology of ZnO nanorods showed the formation of

nanorods materials with increased CTAB addition and increased calcination temperature. The

increasing size of crystals and the formation of nanorods increased optical properties that

decrease the reflection of light (reflectance) and increase the transmitted light (transmittance).

Band gap of ZnO nanorods with rasio precursors of Zn(NO3)2.4H2O:CTAB = 1:3 (w/w) that

calcined at temperature of 700 °C was 2.6 eV. The absorbance in the 310-330 nm (ultraviolet

region) indicated the ZnO did not absorb visible light. The performance of anti-reflection

agent on the GaAs thin layer increased shown by the lower reflectance compared to the

without coating of anti-reflective ZnO nanorods.

Keywords: ZnO nanorods, CTAB, anti-reflection

Page 6: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

vi

MOTTO

“Kamu bisa jika kamu mau berusaha!”

“Boleh jadi kamu membenci sesuatu, padahal ia amat baik bagimu, dan boleh jadi (pula)

kamu menyukai sesuatu, padahal ia amat buruk bagimu; Allah mengetahui, sedang kamu

tidak mengetahui.” (Al-Baqarah: 216)

“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, sesungguhnya sesudah kesulitan itu

ada kemudahan.” (Q.S. Al-Insyirah ayat 5-6)

Page 7: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

vii

PERSEMBAHAN

Karya ini saya persembahkan untuk

Ibu, Ayah, dan Kakak tercinta

Terimakasih atas kasih sayang, nasehat, dan semangat yang selalu diberikan

Terimakasih telah menjadi supporter terhebat dalam penyelesaian karya ini

Terimakasih tidak pernah menuntut, tetapi mengerti bahwa saya akan bertanggungjawab

untuk menyelesaikan karya ini

Inorganic Materials Research Group

Terimakasih untuk teman-teman grup riset 13 yang selalu menemani selama penelitian,

mengajarkan bagaimana bekerja dalam tim, dan selalu memberi dukungan penuh terhadap

selesainya karya ini. Terimakasih untuk Mbak Liya yang selalu memberi dukungan dan

menjadi teman diskusi

Teman-Teman Kimia 2013

Terimakasih untuk teman-teman Kimia FMIPA UNS 13 yang selalu memberi dukungan dan

semangat untuk penulis menyelesaikan karya ini

Page 8: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, karunia, dan izin-

Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi untuk memenuhi persyaratan

guna mencapai gelar Sarjana Sains.

Selama penyusunan laporan ini, penulis tidak lepas dari bimbingan, pengarahan dan

bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima

kasih kepada :

1. Allah SWT yang telah memberikan nikmat dan kesempatan kepada penulis untuk berkarya

2. Nabi Muhammad SAW yang telah menjadi suri tauladan bagi seluruh umat

3. Ibu Dr. Sayekti Wahyuningsih, M.Si selaku Pembimbing 1 dan pembimbing akademik

4. Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc (Hons), Ph.D selaku Dekan Fakultas MIPA

dan pembimbing 2

5. Ibu Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si selaku Kepala Prodi Kimia FMIPA UNS

6. Ibu Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M.Si selaku Kepala Laboratorium Kimia FMIPA

UNS

7. Bapak dan Ibu dosen Prodi Kimia FMIPA UNS

8. Admin Laboratorium MIPA Terpadu dan Laboratorium Kimia FMIPA UNS

9. Semua pihak yang telah membantu

Penulis menyadari bahwa proposal skripsi ini masih jauh dari sempurna. Penulis

mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi hasil yang lebih baik lagi.

Penulis juga berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat dan memberi tambahan ilmu bagi

pembaca. Aamiin.

Surakarta, Oktober 2017

Fitri Nur Aini

Page 9: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ...................................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................................ ii

HALAMAN PERNYATAAN ........................................................................................ iii

HALAMAN ABSTRAK ................................................................................................ iv

HALAMAN ABSTRACT ................................................................................................ v

HALAMAN MOTTO ..................................................................................................... vi

HALAMAN PERSEMBAHAN ..................................................................................... vii

KATA PENGANTAR .................................................................................................... viii

DAFTAR ISI ................................................................................................................... ix

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... xi

DAFTAR TABEL ........................................................................................................... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................................... xiv

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................... 1

A. Latar Belakang Masalah ................................................................................. 1

B. Perumusan Masalah ........................................................................................ 4

C. Tujuan Penelitian ............................................................................................ 7

D. Manfaat Penelitian .......................................................................................... 7

BAB II LANDASAN TEORI ......................................................................................... 8

A. Tinjuan Pustaka .............................................................................................. 8

1. Material Semikonduktor ............................................................................ 8

2. Lapis Tipis Gallium Arsenida .................................................................... 9

3. Material ZnO Nanorods sebagai Anti-refleksi .......................................... 11

4. Sintesis ZnO Nanorods dengan Metode Hidrotermal ............................... 14

5. Surfaktan .................................................................................................... 16

6. Karakterisasi Material ................................................................................ 18

B. Kerangka Pemikiran ....................................................................................... 28

C. Hipotesis ......................................................................................................... 29

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ....................................................................... 30

A. Metodologi Penelitian .................................................................................... 30

B. Tempat dan Waktu Penelitian ........................................................................ 30

C. Alat dan Bahan ............................................................................................... 31

D. Prosedur Penelitian ......................................................................................... 31

Page 10: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

x

E. Bagan Alir Penelitian ..................................................................................... 33

F. Teknik Pengumpulan Data ............................................................................. 34

G. Analisis Data .................................................................................................. 34

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................ 36

A. Pengaruh penambahan surfaktan CTAB dan variasi kalsinasi terhadap ukuran dan

morfologi material ZnO.................................................................................. 36

B. Pengaruh ukuran kristal dan morfologi terhadap sifat optik ZnO nanorods .. 45

C. Karakteristik dan sifat optik ZnO nanorods/GaAs......................................... 53

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................................... 55

A. Kesimpulan ..................................................................................................... 55

B. Saran ............................................................................................................... 55

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................... 56

LAMPIRAN .................................................................................................................... 67

Page 11: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Skema sel surya GaAs dengan anti-refleksi (Su et al ., 2012) .................. 10

Gambar 2. Struktur kristal ZnO (Samanta et al., 2017) .............................................. 11

Gambar 3. Struktur kristal ZnO (a) rocksalt, (b) zinc blend, (c) wurtzite (Espitia et al.,

2012) .......................................................................................................... 12

Gambar 4. Mekanisme refleksi pada permukaan sel surya yang diberi lapisan anti refleksi

(Melles, 2009) ............................................................................................ 13

Gambar 5. Reaktor tabung stainless steel untuk sintesis hidrotermal (Byrappa and Adschiri

2007) .......................................................................................................... 16

Gambar 6. Struktur hidrofobik dan hidrofilik surfaktan CTAB (Sun et al., 2002) ..... 17

Gambar 7. Skema mekanisme pembentukan ZnO nanorods (Shinde et al., 2012) .... 18

Gambar 8. Contoh penentuan puncak untuk analisis FWHM pada suatu sampel ....... 20

Gambar 9. Ilustrasi nilai FWHM pada suatu puncak .................................................. 20

Gambar 10. Hasil XRD ZnO nanopowder dengan perbedaan konsentrasi CTAB pada pelarut

air (a) tanpa CTAB; (b) 0,1 M; (c) 0,5 M; dan (d) 0,8 M (Wang et al., 2011) 21

Gambar 11. Difraktogram ZnO nanopartikel dengan berbagai variasi konsentrasi CTAB

(Ramimoghadam et al., 2012) ................................................................... 21

Gambar 12. Mekanisme kerja dari SEM (Abdullah et al., 2009) .................................. 22

Gambar 13. Pertumbuhan Kristal dari ZnO (Wang, 2004) ........................................... 22

Gambar 14. Karakterisasi SEM ZnO nanopartikel (Jothi et al., 2012) ......................... 23

Gambar 15. Morfologi TEM ZnO nanorods penambahan CTAB dengan diameter sekitar 50

sampai 80 nm (Jothi et al., 2012) .............................................................. 24

Gambar 16. Spektrum UV-Vis ZnO nanorods (Jothi et al., 2012) ............................... 26

Gambar 17. Spektra reflektansi material ZnO (Wahyuningsih et al., 2016) ................. 26

Gambar 18. Penentuan celah pita (band gap) material ZnO dengan metode Tauc (Samanta et

al., 2014) .................................................................................................... 27

Gambar 19. Pola difraktogram (a) Standar ICSD No. 067848, ZnO hasil sintesis dengan

perbandingan prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB, (b) 1:0, (c) 1:1, (d) 1:2, dan (e)

1:3 (w/w), 1:3 (w/w) kalsinasi (f) 300 °C, (g) 500 °C, dan (h) 700 °C ..... 37

Gambar 20. Morfologi SEM ZnO kalsinasi (a) 300 °C, (b) 500 °C, dan (c) 700 °C .... 41

Gambar 21. Distribusi persebaran panjang cluster material ZnO ................................. 41

Gambar 22. Morfologi TEM ZnO hasil sintesis dengan perbandingan prekursor

Zn(NO3)2·4H2O:CTAB = 1:3 (w/w) (a) tanpa kalsinasi (b) kalsinasi 700 °C 43

Page 12: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

xii

Gambar 23. Spektrum absorbansi dari material ZnO hasil sintesis dengan perbandingan

prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB (a) 1:0, (b) 1:1, (c) 1:2, dan (d) 1:3 (w/w) 46

Gambar 24. Spektrum absorbansi dari material ZnO hasil sintesis dengan perbandingan

prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB = 1:3 (w/w) variasi suhu (a) 300 °C, (b) 500

°C, dan (c) 700 °C ..................................................................................... 47

Gambar 25. Celah pita material ZnO menggunakan metode Tauc Plot hasil sintesis

perbandingan prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB (a) 1:0, (b) 1:1, (c) 1:2, dan (d)

1:3 (w/w) .................................................................................................... 48

Gambar 26. Celah pita material ZnO menggunakan metode Tauc Plot hasil sintesis

perbandingan prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB = 1:3 (w/w) variasi kalsinasi (a)

300 °C, (b) 500 °C, dan (c) 700 °C ............................................................ 49

Gambar 27. Spektrum transmitansi material ZnO hasil sintesis perbandingan prekursor

Zn(NO3)2·4H2O:CTAB (a) 1:0, (b) 1:1, (c) 1:2, dan (d) 1:3 (w/w) .......... 50

Gambar 28. Spektrum transmitansi material ZnO hasil sintesis perbandingan prekursor

Zn(NO3)2·4H2O:CTAB = 1: 3 (w/w) dengan kalsinasi pada suhu (a) 300 °C, (b)

500 °C, dan (c)700 °C ............................................................................... 50

Gambar 29. Spektrum reflektansi material ZnO hasil sintesis variasi prekursor

Zn(NO3)2·4H2O:CTAB (a) 1:0, (b) 1:1, (c) 1:2, dan (d) 1:3 (w/w) .......... 52

Gambar 30. Spektrum reflektansi material ZnO hasil sintesis perbandingan prekursor

Zn(NO3)2·4H2O:CTAB = 1:3 (w/w) dengan kalsinasi pada suhu (a) 300 °C, (b)

500 °C, dan (c) 700 °C .............................................................................. 53

Gambar 31. Pencitraan SEM lapis tipis (a) GaAs (b) ZnO nanorods/GaAs ................. 54

Gambar 32. Spektrum reflektansi lapis tipis (a) GaAs (b) ZnO nanorods/GaAs ......... 54

Page 13: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Nilai parameter dari berbagai macam material semikonduktor dalam divais

optoelektronika pada keadaan mendekati temperatur ruang (300 K) (Fukuda,

1999) ....................................................................................................... 9

Tabel 2. Penelitian-penelitian sintesis ZnO nanopartikel dengan metode hidrotermal 15

Tabel 3. Ukuran kristal ZnO pada variasi penambahan CTAB dan variasi kalsinasi 39

Tabel 4. Diameter dan panjang cluster rata-rata material ZnO hasil sintesis perbandingan

prekursor:CTAB = 1:3 (w/w) variasi kalsinasi ....................................... 42

Tabel 4. Diameter dan panjang partikel rata-rata ZnO nanorods ......................... 44

Tabel 5. Luas permukaan ZnO tanpa, penambahan, dan kalsinasi CTAB ........... 44

Tabel 6a. Indeks bias material ZnO hasil sintesis penambahan prekursor

Zn(NO3)2·4H2O:CTAB .......................................................................... 51

Tabe 6b. Indeks bias material ZnO hasil sintesis penambahan prekursor

Zn(NO3)2·4H2O:CTAB = 1:3 (w/w) variasi kalsinasi ............................ 51

Page 14: FITRI NUR AINI - eprints.uns.ac.id · FITRI NUR AINI Departement of Chemistry, Faculty of Mathematic and Science Sebelas Maret University ABSTRACT ZnO nanorods have been successfully

xiv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Standar ICSD ZnO No. 067848 ................................................................. 67

Lampiran 2. Perhitungan ukuran kristal ZnO dengan variasi penambahan CTAB dan variasi

suhu kalsinasi ............................................................................................. 67

Lampiran 3. Perhitungan diameter dan panjang cluster rata-rata ZnO dengan perbandingan

prekursor Zn(NO3)2·4H2O:CTAB = 1:3 (w/w) variasi kalsinasi ............... 71

Lampiran 4. Perhitungan diameter dan panjang partikel rata-rata ZnO nanorods ........ 77

Lampiran 5. Perhitungan indeks bias ............................................................................. 79