LAPORAN AKHIR

Spektrometer dan Penggunaannya untuk Menentukan band-gap bahan semikonduktor

(Modul 1.1)

Kode Grup : PM-3

Nama : Maria Oktafiani

NPM : 140310110018

Partner : Wendi Paramandhita

NPM : 140310110026

Hari/Tanggal eksperimen : 18 Oktober 2013

Waktu : 13.30

Asisten : Suci W

Hari/Tanggal penyerahan laporan : 1 November 2013

LABORATORIUM FISIKA MATERIAL

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADJARAN2013

Spektrometer dan Penggunaannya untuk Menentukan band-gap bahan semikonduktor

(Modul 1.1)

Kode Grup : PM-3

Nama : Maria Oktafiani

NPM : 140310110018

Partner : Wendi Paramandhita

NPM : 140310110026

Hari/Tanggal eksperimen : 18 Oktober 2013

Waktu : 13.30

Asisten : Suci

Hari/Tanggal penyerahan laporan : 1 November 2013

NILAI

Jatinangor, 1 November 2013

Asisten

Modul 1-1

SPEKTROMETER DAN PENGGUNAANNYA UNTUK MENENTUKAN

BAND-GAP BAHAN SEMIKONDUKTOR

BAB I

TUJUAN

(1) Mempelajari cara pemakaian spektrometer(2) Menggunakan spektrometer untuk menentukan band gap bahan

semikonduktor

BAB II TEORI DASAR

Pengertian dan Prisip Dasar Spektrum Elektromagnetik

Spektroskopi merupakan suatu metode analisa yang menggunakan prinsip

absorpsi, emisi dan hamburan radiasi elektromagnetik oleh atom atau molekul

untuk studi kualitatif atau kuantitatif atom atau molekul, atau untuk mempelajari

proses-proses fisika. Dalam mata kuliah ini tentu saja molekul yang dibahas

adalah biomolekul. Sudahkah Anda punya gambaran tentang apa itu biomolekul?

Kalau belum silahkan cari referensi yang membahas apa itu biomolekul?

Saat ini, dikenal empat teknik spektroskopi yang biasa digunakan untuk

analisa struktural, yaitu spektroskopi ultraviolet, spektroskopi inframerah, dan

spektroskopi resonansi magnetik inti (nuclear magnetic resonance spectroscopy),

yang termasuk spektroskopi absorpsi, serta spektrometri massa. Dengan

menggunakan metode-metode analisa tersebut, suatu molekul, baik molekul

sederhana maupun molekul kompleks, dapat diidentifikasi dengan resolusi tinggi,

tanpa menimbulkan kerusakan pada molekul uji, hanya dengan menggunakan

beberapa nanogram sampai satu miligram sampel.

Spektroskopi juga dapat didefinisikan sebagai suatu metoda analisis yang

mempelajari interaksi antara suatu materi dan radiasi gelombang elektromagnetik.

Interaksi ini dapat mengakibatkan terjadinya perubahan arah radiasi dan atau

transisi antar tingkat energi atom atau molekul. Transisi dari tingkat energi yang

lebih rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi dan disertai transfer energi

dari medan radiasi terhadap atom atau molekul disebut sebagai absorpsi.

Sebaliknya, transisi dari tingkat energi yang lebih tinggi menuju tingkat energi

yang lebih rendah disebut sebagai emisi, jika disetai transfer energi menuju medan

radiasi, atau disebut sebagai peluruhan nonradiatif, jika tidak ada radiasi yang

diemisikan. Sedangkan perubahan arah cahaya akibat interaksi radiasi dengan

materi disebut sebagai hamburan, yang dapat terjadi dengan atau tanpa adanya

transfer energi.

Dalam fisika klasik, radiasi elektromagnetik dapat dianggap sebagai sebuah

penjalaran gelombang yang memiliki komponen listrik yang tegak lurus terhadap

komponen magnetiknya dan berosilasi dengan frekuensi yang tepat sama.

Berdasarkan pendekatan ini, radiasi elektromagnetik dapat dinyatakan dalam

frekuensi atau panjang gelombang. Kedua variabel ini berbanding terbalik satu

sama lain dan dihubungkan oleh persamaan :

c = λυ

dengan :

λ = panjang gelombang radiasi

υ = frekuensi radiasi elektromagnetik

c = kecepatan cahaya = 3.0 x 108 m/s

Berbeda dengan pendekatan fisika klasik, dalam fisika kuantum, radiasi

elektromagnetik dianggap sebagai penjalaran paket-paket energi diskrit yang

disebut foton. Foton memiliki energi yang sangat spesifik dan dikatakan

terkuantisasi. Energi masing- masing foton diperoleh berdasakan persamaan :

E = hυ

dengan :

h = konstanta Planck = 6.626 x 10-34 J s

υ = frekuensi foton

Hal ini mempermudah pemahaman tentang fakta bahwa transfer energi

hanya terjadi jika besarnya energi kuantum radiasi elektromagnetik tepat sama

dengan besarnya energi transisi. Energi kuantisasi tersebut ditransfer pada molekul

dan mengakibatkan terjadinya perpindahan menuju tingkat energi yang lebih

tinggi, dengan sifat eksitasi tertentu yang bergantung pada besarnya energi

elektromagnetik yang diabsorpsi. Namun, dalam beberapa kasus, foton hanya akan

diabsorpsi oleh molekul jika memiliki energi yang tepat sama dengan perbedaan

energi antara dua tingkat energi molekul, yang sesuai dengan persamaan :

∆E = hυ

dengan : ∆E = perbedaan energi antara dua tingkat energi molekul

Berdasarkan teori, setiap foton yang mungkin diradiasi akan bergantung pada

transisi yang mungkin terjadi. Pada awalnya, setiap molekul yang diradiasi akan

berada pada tingkat dasar. Adanya proses pengabsorpsian foton akan

mengakibatkan terjadinya perpindahan molekul menuju tingkat energi yang lebih

tinggi, yaitu menuju tingkat eksitasi pertama. Sehingga absorpsi radiasi

elektromagnetik yang paling kuat akan terjadi pada energi yang sesuai dengan

transisi molekul dari tingkat dasar menuju tingkat eksitasi pertama. Dari seluruh

uraian tersebut, terlihat bahwa spektrum absorpsi akan memberikan dua informasi

yang diperlukan untuk melakukan analisa struktural molekul. Yang pertama adalah

panjang gelombang absorpsi atau frekuensi yang dapat dihubungkan dengan gugus

fungsional molekul yang bersangkutan. Sedangkan yang kedua adalah intensitas

absorpsi yang merefleksikan penurunan transisi dan konsentrasi molekul tersebut.

Intensitas Absorpsi

Intensitas absorpsi radiasi elektromagnetik dipengaruhi tiga faktor. Yang pertama

adalah peluang transisi, yaitu pengukuran kemungkinan berlangsungnya beberapa

transisi spesifik, dan biasa disederhanakan menjadi transisi yang diijinkan dan

terlarang. Dua faktor lainnya merefleksikan kuantitas jenis pengabsorpsi. Pada

tingkat submolekul, jika terdapat dua transisi yang mungkin dengan peluang yang

sama, maka jenis dengan populasi terbesar akan memberikan kenaikan pada

absorpsi yang paling kuat. Sedangkan pada level supramolekul, intensitas absorpsi

akan bergantung pada jumlah molekul yang dilewati radiasi. Hal ini berhubungan

dengan konsentrasi dan lebar sampel. Uraian tersebut mengesankan bahwa jika

konsentrasi atau lebar sampel digandakan akan mengakibatkan terjadinya

penggandaan intensitas absorpsi. Namun, yang terjadi tidaklah demikian. Jika

suatu sampel mengabsorpsi 50 % radiasi awal dan lebar sampel digandakan, maka

sampel tambahan akan mengabsorpsi 50 % radiasi sisa yang sampai pada sampel

tersebut, yaitu 25 % dari radiasi awal. Hal serupa juga terjadi pada penggandaan

konsentrasi sampel.

Namun, situasi ini hanya berlaku jika larutan cukup encer dan tidak ada molekul

yang berada dalam bayangan molekul lain. Hubungan antara konsentrasi, lebar

sampel, dan absorpsi diberikan oleh hukum Beer-Lambert :

log Io/I = ε c l

dengan :

I = radiasi transmisi

I0 = radiasi awal

ε = koefisien redaman

c = konsentrasi sampel

l = lebar sampel

Koefisien redaman (ε) merupakan refleksi numerik peluang transisi dan nilainya

selalu konstan untuk setiap transisi yang diberikan. Jika transisi diijinkan,

koefisien redaman absorpsi akan besar dan sebaliknya.

SPEKTROSKOPI UV-ViS

Ultraviolet-visible spectroscopy atau ultraviolet-visible spectrophotometry (UV/

VIS) menggunakan cahaya tampak dalam rentang ultraviolet(UV) dan

infrared(NIR). Akibat pemberian cahaya ini, molekul mengalami transisi

elektronik. Instrument yang digunakan dalam spektroskopi ultraviolet-visible

dinamakan UV/vis spectrophotometer. Ada dua macam UV/vis spectrophotometer,

yaitu single beam dan double beam. Pemanfaatan Uvvis untuk berbagai macam

penelitian umumnya untuk analisis kuanlitatif seperti optimasi, menentukan kadar

kafein dalam campuran parasetamol, penetapan kadar triprolidina hidroklorida

dalam tablet anti influenza, dan lain sebagainya. Dalam sifat optik van UV-Vis

Spect. Digunakan untuk mengetahui tingkat absorbsi bahan dan dengan

memodifikasi sistem menjadi integrating sphere UV-Vis dapat juga digunakan

untuk mengetahui dispersi bahan. Sifat dispersi bahan yaitu sifat bahan yang

mempunyai nilai indeks bias (n) bergantung pada panjang gelombang yang

diberikan.

Konsep Spektroskopi UV-Vis dan Instrunment

U-Vis Spect. mempunyai rentang panjang gelombang 10 – 10 nm dengan peristiwa

absopbsi yang mengakibatkan adanya transisi electron. Terdapat dua jenis UV/vis

spectrophotometer, yaitu single beam dan double beam. Jika kita melewatkan sinar

putih pada media yang berwarna, sebagian warna akan terserap. Larutan yang

mengandung ion tembaga(II) terhidrat, sebagai contoh, kelihatan biru pucat karena

larutan menyerap sinar dari spektrum merah. Panjang gelombang yang tersisa akan

berkombinasi di dalam mata dan otak untuk memunculkan warna sian (biru pucat).

Beberapa media yang takberwarna juga menyerap sinar - tetapi dalam daerah ultra-

ungu (UV). Karena kita tak mampu melihat sinar UV, maka kita tak dapat

mengamati penyerapannya.

Media yang berbeda akan menyerap sinar dengan panjang gelombang yang

berbeda, dan ini dapat dipakai untuk mengidentifikasi suatu materi - keberadaan

ion logam, sebagai contoh, atau gugus fungsi dalam senyawa-senyawa organik.

Besarnya penyerapan juga tergantung pada konsentrasi materi, jika berupa larutan.

Perhitungan banyaknya penyerapan dapat digunakan untuk menentukan

konsentrasi larutan yang sangat encer. Suatu spektrometer serapan menghitung

banyaknya sinar yang diserap oleh berbagai senyawa yang dilewati spektrum UV

dan tampak.

Aplikasi Spektroskopi Absorbsi

Spektroskopi absorbsi Ultraviolet dan Visible (UV-Vis) adalah pengukuran

atenuasi cahaya setelah melalui suatu sampel atau setelah dipantulkan oleh

permukaan sampel tersebut. Spektroskopi UV-Vis ini sangat berguna untuk

mengkarakterisasi sifat absorbsi, transmisi, dan pemantulan dari berbagai

bahan penting yang banyak dipakai dalam aplikasi teknologi seperti

bahan pewarna, bahan pelapis, filter dan sebagainya. Untuk

mengkarakterisasi sifat optik dan elektronik bahan tersebut diperlukan

pengukuran spektrum yang mencakup daerah UV dan Visible. Pengukuran

tersebut dapat dilakukan secara kuantitatif. Hal tersebut dimungkinkan

karena cahaya UV dan Visible cukup besar untuk mengeksitasi elektron-

elektron pada kulit terluar ke tingkat energi yang lebih tinggi.

Spektroskopi UV-Vis berkaitan dengan absorbsi elektron antar pita energi.

Koefisien absorbsi bisa didapatkan dari spektrum absorbsi atau spectrum

transmisi. Dengan demikian spektroskopi UV-Vis dapat digunakan untuk

melakukan analisa lebar celah energi (band gap).

Dari segi bahan, struktur pita energi bahan semikonduktor terdiri dari pita

valensi penuh dan pita konduksi kosong serta lebar energi gap sekitar 1 eV.

Berdasarkan Teori Pita Energi, elektron yang berada pada pita valensi akan

berpindah ke pita konduksi apabila menyerap foton yang memiliki energi

sama dengan atau lebih besar dari energi gap bahan tersebut. Bahan

semikonduktor dapat memiliki struktur direct energy band atau indirect energy

band. Bahan yang memiliki struktur indirect energy band, transisi elektron

harus memenuhi konservasi energi dan momentum. Di lain pihak, bahan yang

memiliki struktur direct energy band, transisi elektron cukup memenuhi

konservasi energi. Dari hubungan tersebut dapat diturunkan hubungan

antara koefisien absorbsi dengan energi gap. Bahan semikonduktor III-V

memiliki struktur direct band gap.

BAB III

Metodelogi Eksperimen

3.1 Alat-alat dan Bahan

1. Manual spektrometer T 70+ UV/Vis

2. Substrat kaca kosong

3. Kuvet dengan film tipis GaN di atasnya

4. Cairan Teepol dan Aseton

5. Pinset

6. Kain kasa dan tissue

7. Straining Jar

8. Ultrasonic Cleaner

9. Spin Coating

10. Microcal OriginPro 7

3.2 Prosedur Percobaan

3.2.1 Menyiapkan Substrat Baseline

a. Mengambil film tipis dan pinset dari lemari penyimpanan.

b. Menyiapkan cairan Teepol dengan takaran tertentu.

c. Menyiapkan kain kasa dan tissue kering.

d. Menjepit substrat baseline dengan pinset, lalu membasahinya sejenak

dengan air yang mengalir.

e. Mengoleskan Teepol pada kedua permukaan substrat baseline dengan

kain kasa, mengusahakan agar dioleskan searah.

f. Membasahinya dengan air, setelah minyak dan kotoran telah

terangkat di kedua permukaan substrat baseline. Mengusahakan agar

tidak ada cairan Teepol yang tertinggal pada dua permukaan substrat.

g. Mengeringkan substrat baseline dengan meletakkannnya di atas

tissue kering. Menghindari gesekan ulang antar keduanya.

h. Mengamati permukaan substrat dengan bantuan cahaya (lampu).

i. Memasukkan substrat baseline dengan bantuan pinset ke dalam

Straining Jar. Mengusahakan substrat terletak vertikal tepat mengisi

celah-celah Straining Jar.

j. Menambahkan Aseton ke dalam Straining Jar. Mengusahakan tinggi

cairan sama dengan tinggi posisi vertikal substrat baseline.

k. Menutup rapat Straining Jar. Memasukkannya ke dalam Ultrasonic

Cleaner.

l. Mengatur waktu hingga 10 menit dan temperatur hingga 60°C pada

Ultrasonic Cleaner.

3.2.2 Menyiapkan Spektrometer T 70+ UV/Vis

a. Menyalakan APC, Komputer, dan Spektrometer UV/Vis. Menunggu

inisialisasi dari ketiga perangkat keras tersebut.

b. Membuka perangkat lunak UVWin, berupa perangkat bawaan yang

akan disinkronisasikan dengan Spektrometer UV/Vis. Menunggu

sinkronisasi antar keduanya, hingga benar-benar siap untuk

digunakan.

c. Menetralisasi daerah monokromator dengan meletakkan benda hitam

ke dalamnya. Menunggu perangkat lunak memproses penetralisasian

monokromator.

3.2.3 Menyiapkan Substrat GaN

a. Mengambil padatan GaN dan substrat kosong di lemari

penyimpanan.

b. Membuat padatan menjadi substrat tipis dengan bantuan alat Spin

Coating.

c. Mengoleskan GaN pada substrat kosong. Meletakkan substrat pada

kuvet (sample holder). Mengusahakan daerah tembusnya cahaya

tepat simetris dengan substrat GaN. Sehingga tidak ada galat

pengukuran intensitas cahaya yang masuk.

3.2.4 Mengukur Absorbansi dan Transmitansi Substrat

a. Menetralisasi monokromator untuk kedua kalinya dengan meletakkan

substrat baseline ke dalamnya. Menunggu proses inisialisasi

perangkat lunak. Mengangkat kembali substrat pada monokromator.

b. Meletakkan sample holder ke dalam monokromator. Mengusahakan

agar cahaya tembus tepat pada lubang kuvet dan tidak ada substrat

yang tidak terhitung nilai absorbansinya.

c. Menunggu beberapa saat proses absorbansi pada substrat

terjadi ,hingga grafik dan data absorbansi didapatkan.

d. Mengekspor data dan grafik dari perangkat lunak ke folder praktikan

e. Mengulangi prosedur (a) s.d (d) untuk transmitansi substrat GaN.

BAB IV

HASIL DAN PENGOLAHAN DATA

4.1 Hasil Data

Grafik Hasil Pengukuran Spektrum Absorbansi dan Transmitansi pada

Film Tipis GaN

a)Grafik Absorbansi terhadap panjang gelombang interval 1 nm

b) Grafik Absorbansi terhadap panjang gelombang interval 2 nm

c) Grafik

Transmitansi

terhadap

panjang

gelombang

interval 1 nm

d) Grafik Transmitansi terhadap panjang gelombang interval 2 nm

4.2 Pengolahan Data

4.2.1 Spektrum Absorbansi dan Transmitansi Hasil Penghalusan Data

Untuk menghaluskan grafik yang masih terdapat loncatan data yang

diperoleh dari data awal, maka kita harus memasukkan data baru dan kita

menggunakan Software OriginPro 7 untuk memperhalus permukaan grafik.

1) Absorbansi dengan panjang gelombang = 1 nm

Before Smoothing

After smoothing

after smoothing

2)Absorbansi dengan panjang gelombang = 2 nm

Before Smoothing

After smoothing

3)Transmitansi dengan panjang gelombang = 1 nm

Before Smoothing

After smoothing

4)Transmitansi dengan panjang gelombang = 2 nm

Before Smoothig

After smoothing

4.2.2 Menentukan band gap GaN dari grafik basorbansi dan

Transmitansi terhadap foton.

Untuk menentukan energi band gap, menggunakan rumus:

E = hc/λ

Ef = Energi foton bahan semikonduktor (eV)

h = Konstanta Planck (6,62 x 10-34 J.S)

c = Kecepatan cahaya dalam ruang hampa (3

x 108 m.s-2)

λ = Panjang gelombang (nm)

Grafik Absorbansi terhadap Energi Foton

1) Absorbansi dengan λ = 1 nm

Egap

= 2,8 eV

KSR = { | 2.8 eV – 3.4 eV| : |3.4 eV| } x 100 % = 17.64 %

2) Absorbansi dengan λ = 2 nm

Egap = 2,9 eV

KSR = { | 2.9 eV – 3.4 eV| : |3.4 eV| } x 100 % = 14.70 %

Grafik Transmitansi terhadap Energi Foton

1) Transmitansi dengan λ = 1 nm

Egap = 3,8 eV

KSR = { | 3.8 eV – 3.4 eV| : |3.4 eV| } x 100 % = 11.76 %

2) Transmitansi dengan λ = 2 nm

Egap = 3,5 eV

KSR = { | 3.5 eV – 3.4 eV| : |3.4 eV| } x 100 % = 2.96 %

BAB V

ANALISA

Pada praktikum kali ini kita telah melakukan analisa spektroskopi terhadap bahan quartz dengan substrat GaN. Disini kita menggunakan 2 parameter yang akan diukur yakni bagaimana respon absorbansinya dan transmitansinya terhadap dua macam interval panjang gelombang yang berbeda yaitu 1 nm dan 2 nm.

Pada dasarnya, grafik yang dihasilkan baik oleh absorbansi maupun transmitansi tadinya mengalami loncatan data sehingga harus dilakukan smoothing grafik agar terlihat bagaimana penyebaran data yang sesungguhnya atau yang mendekati hasil eksperimen, setelah kami smooothing dengan melakukan pendekatan beberapa nilai data, maka didapatkanlah hasil smoothing untuk setiap parameter seperti yang ditunjukkan di atas.

Kemudian setelah smoothing kita plotkan lagi grafik masing-masing parameter untuk menentukan seberapa energi gap nya jika dihitung dari grafik yang kami buat lalu kami bandingkan dengan nilai energi gap literatur.

Jika dilihat dari hasil grafiknya baik untuk absorbansi dan transmitansi ternyata memiliki energi gap yang sangat berbeda walapun perbedaannya tidak cukup besar, dan terlihat bahwa ternyata yang memiliki energi gap mendekati literatur adalah grafik transmitansi. Hal ini menunjukkan bahwa transmitansi dapat menunjukkan keakuratan nilai energi gap dikarenakan prinsip transmitansi adalah “menembus” cahaya yang dia terima dibanding absorbansi yang hanya

menyerap sehingga tampak bahwa pada grafik absorbansi pun nilai energi gap yang ditunjukkan jauh lebih kecil dibanding nilai energi gap pada literatur.

Hanya saja, nilai energi gap pada absorbansi antara 1 nm dengan 2 nm ternyata tidak persis sama, begitupun dengan grafik transmitansi interval 1 nm dan 2 nm. dikarenakan interval yang digunakan akan mempengaruhi keakuratan dalam menerima informasi dimana semakin kecil rentang panjang gelombangnya maka seharusnya informasi yang diperoleh akan lebih banyak dan lebih akurat

BAB VI

KESIMPULAN

1. Telah dipelajari bagaimana cara menggunakan spektrometer dimana cara

pemakaiannya seperti yang tercantumkan dalam prosedur percobaan. Prinsip dari

alat spektrometer ini adalah memperlihatkan respon suatu material terhadap

cahaya yang diberikan dengan panjang gelombang tertentu, dalam hal ini cahaya

yang digunakan adalah sinar dengan rentang panjang gelombang UV-Visible

2. Band gap semikonduktor dapat diperoleh dengan spektrometer ini yaitu dengan

menplotkan dahulu grafik absorbansi atau transmisi terhadap energi foton dan

diberi garislinier yang menyinggung kurva tersebut lalu diproyeksikan terhadap

sumbu x dan di titik hasil proyeksi itulah besar nilai energi gap nya.

DAFTAR PUSTAKA

Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga.

Joni, I Made. 2010. Diktat Kuliah BioSpektromolekul. Fisika Universitas

Padjadjaran

http://wanibesak.wordpress.com/2011/07/04/pengertian-dasar-spektrofotometer-

vis-uv-uv-vis/