Penumbuhan Film Nanokristal SnO2 dengan Metode Chemical Bath Deposition (CBD)

Abstract

Telah ditumbuhkan film-film nanokristal SnO2 dengan metode chemical bath deposition (CBD) menggunakan prekursor SnCl2. Hasil analisis XRD memperlihatkan film-film SnO2 yang berhasil ditumbuhkan merupakan kristal tetragonal dengan ukuran kristal sekitar 4 nm. Hasil analis sifat optik memperlihatkan film-film SnO2 menyerap dengan kuat spektrum ultra violet dan memiliki celah pita optik antara 2,6 hingga 3,2 eV.

Full text

Page 1

Jurnal Nanosains & Nanoteknologi
Edisi Khusus, Agustus 2009


ISSN 1979-0880
Penumbuhan Film Nanokristal SnO2 dengan Metode Chemical Bath Deposition (CBD)
Akhiruddin Maddu(a), Rodo Tua Hasiholan, dan Mersi Kurniati
Departmen Fisika, FMIPA, Institut Pertanian Bogor,
Kampus IPB Darmaga, Bogor 16680
(a)E-mail: akhirmaddu@ipb.ac.id

Diterima Editor :
Diputuskan Publikasi :

25 Mei 2009
30 Mei 2009
Abstrak
Telah ditumbuhkan film-film nanokristal SnO2 dengan metode chemical bath deposition (CBD) menggunakan prekursor
SnCl2. Hasil analisis XRD memperlihatkan film-film SnO2 yang berhasil ditumbuhkan merupakan kristal tetragonal dengan
ukuran kristal sekitar 4 nm. Hasil analis sifat optik memperlihatkan film-film SnO2 menyerap dengan kuat spektrum ultra
violet dan memiliki celah pita optik antara 2,6 hingga 3,2 eV.
Kata Kunci: Film nanokristal, SnO2, Metode Chemical Bath Deposition (CBD).

1. Pendahuluan
Bahan-bahan berbasis oksida logam merupakan
kelompok bahan yang sangat banyak dieliti dan
diaplikasikan pada berbagai bidang. Bahan-bahan oksida
logam ini memiliki sifat-sifat fisis dan kimia yang khas
sehingga memiliki potensi aplikasi yang sangat luas.
Diantara bahan oksida logam yang sangat banyak diteliti
adalah TiO2, ZnO, SnO2 dan sebagainya. Bahan SnO2
misalnya, banyak diteliti sebagai sensor gas [1-3]. Selain
itu SnO2 yang berdoping In atau Sb juga dapat dibuat
sebagai lapisan tipis (thin film) konduktif transparan [4-6]
yang banyak diaplikasikan sebagai substrat pada sel surya
lapisan tipis (thin film solar cell) atau pada piranti-piranti
fotonik lainnya seperti LED atau monitor plat. Kaca
berlapis bahan SnO2 dengan doping In2O3 disebut kaca
ITO (indium tin oxide). Kaca ITO ini merupakan salah
satu dari kaca TCO (tranparent conducting oxide).
SnO2 merupakan bahan semikonduktor tipe-n
dengan lebar celah energi lebar, yaitu lebih besar dari 3,0
eV [7,8]. SnO2 memiliki struktur kristal tetragonal dan
bersifat nonpolar dengan parameter kisi a = 4,738 Å dan c
= 3,1888 Å [7].
Berbagai metode
menumbuhkan film SnO2, baik secara fisika maupun
secara kimia. Secara fisika film SnO2 dapat dibuat dengan
metode evaporasi [5], electron beam evaporation [9],
sputtering [10,11], dan spray pyrolisis [1,9,12].
Sedangkan secara kimia berbagai metode deposisi dapat
digunakan diantaranya metode sol-gel [6,13] dan deposisi
uap kimia (CVD) [14].
Pada penelitian ini penumbuhan film tipis SnO2
dilakukan dengan metode chemical bath deposition
(CBD). Dengan metode ini, film terdeposisi pada substrat
dengan mencelupkan subtrat ke dalam larutan yang
mengandung ion-ion logam dan ion-ion hidroksida,
sulfida atau selenida. CBD merupakan metode yang
sederhana dan murah yang dapat dilakukan pada suhu 25
ºC - 90 ºC.
telah digunakan untuk
Metode CBD dapat digunakan untuk mendeposisi
film tipis bahan semikonduktor dari senyawa logam
sulfida [15] dan selenida [16] maupun semikonduktor
logam oksida seperti ZnO [17].

2. Eksperimen
Bahan-bahan yang
SnCl2.2H2O,NH4OH, dan air destilasi. Sedangkan alat
yang digunakan adalah pipet tetes, termometer, pengaduk
magnetik plat panas (hotplate magnetic stirrer), gelas ukur,
neraca OHAUSS 311, difraktometer (XRD), gelas piala,
substrat kaca, spektrometer (UV- VIS) dan SEM.
Penumbuhan film nanokristal SnO2 dilakukan
dengan metode chemical bath deposition (CBD). Untuk
mendapatkan film SnO2, dibutuhkan larutan-larutan dari
bahan kimia yang mengandung ion Sn4+ yang berasal dari
senyawa SnCl2 dan ion-ion O2- dari H2O. Sedangkan
larutan NH4OH bertindak sebagai complexing agent.
Reaksi kimia yang terjadi pada proses deposisi SnO2 dapat
digambarkan oleh persamaan reaksi berikut

Sn(NH3)2++2H2O?SnO2(s)+2H2(g)+NH3(g)

Percobaan ini dimulai dengan membuat larutan
campuran 20 mL SnCl2.2H2O (0,02 M) dengan 25 ml
NH4OH 25 % di dalam gelas piala 150 mL Larutan
campuran tersebut ditambahkan air destilasi sebanyak 20
ml, lalu dua buah substrat kaca berukuran masing-masing
35 mm x 15 mm x 1 mm dimasukkan ke dalam gelas piala
dengan menempelkannya secara vertikal pada dinding
sebelah dalam wadah larutan (gelas piala). Gelas piala
berisi laurutan deposisi tersebut dimasukkan lagi ke
dalam gelas piala dengan volume lebih besar kemudian
diisi air setinggi larutan deposisi pada gelas piala pertama.
Skema metode CBD ditunjukkan pada Gambar 1.
Penumbuhan film SnO2 dilakukan dengan dua
variasi seperti ditunjukkan pada Tabel 1, masing-masing
diberi nama sampel A dan sampel B. Proses penumbuhan
digunakan adalah
(1)
96

Page 2

J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009


97
film pada sampel A dilakukan pada temperatur 25 oC
dengan waktu deposisi 8×2 jam, sedangkan sampel B
ditumbuhkan pada suhu 80 oC dengan waktu deposisi 2×2
jam. Setelah deposisi kedua sampel dipanaskan di dalam
tanur (furnace) dengan suhu 400 oC selama 120 menit.
Substrat yang akan digunakan pada deposisi film SnO2
berupa kaca preparat terlebih dahulu dicuci dengan sabun
deterjen di dalam ultrasonic cleaner lalu dibilas dengan air
destilasi agar lemak yang menempel pada gelas substrat
dapat hilang.

Termometer
Hotplate
Stirrer
Substrat
Stirrer
Larutan
deposisi
Air


Gambar 1. Metode CBD

Sampel-sampel film SnO2 yang telah ditumbuhkan
dengan metode CBD dikarakterisasi dengan XRD, SEM
dan spektroskopi UV-Vis. Karakterisasi XRD dilakukan
untuk memastikan SnO2 telah tumbuh pada substrat serta
untuk mengkaji struktur kristal film SnO2. Pola-pola
difraksi berupa puncak-puncak karakteristik orientasi
kristal SnO2, digunakan untuk menentukan parameter kisi
dan ukuran kristal. Uji Spektroskopi UV-VIS ditujukan
untuk mengetahui sifat optik film SnO2 hingga dapat
ditentukan nilai celah energinya. Uji SEM dilakukan
untuk melihat morfologi dan ketebalan sampel.

Tabel 1. Variasi kondisi penumbuhan film nanokristal
SnO2.


3. Hasil dan Diskusi
3.1 Analisis XRD dan SEM Film SnO2
Sebanyak dua sampel film SnO2 telah dibuat
dengan metode CBD pada substrat kaca dengan variasi
suhu dan waktu deposisi. Kedua sampel dipanaskan pada
sihu yang sama (400 oC) pada suhu yang sama pula (120
menit) di dalam furnace.
dikarakterisasi dengan XRD pada rentang sudut 2θ dari
20º sampai 80º dengan sumber tegangan 30 kV dan arus
20 mA. XRD menggunakan sumber CuKα dengan
panjang gelombang sinar-X adalah λ = 0,15405 nm.
Hasil karakterisasi XRD kedua sampel film SnO2
ditunjukkan pada Gambar 2. Hampir semua puncak
difraksi yang muncul pada kedua sampel teridentifikasi
sebagai puncak-puncak SnO2. Lima puncak difraksi SnO2
yang teridentifikasi berturut-turut pada sudut 2θ = 26,6;
33,7; 38,2; 51,6; dan 64,5, yang bersesuaian dengan
bidang-bidang kristal tetragonal SnO2 berturut-turut
untuk bidang (110); (101); (200); (211); dan (112) Pola
difraksi tersebut bersesuaian dengan struktur tetragonal
SnO2.
Berdasarkan pola difraksi yang diperoleh dapat
dihitung nilai parameter-parameter kisi kristal tetragonal
SnO2. Dari hasil perhitungan diperoleh nilai parameter a
dan c untuk sampel A adalah a = 4,736 Å dan c = 3,191 Å,
sedangkan untuk sampel B adalah a = 4,928 Ǻ dan c =
3,349 Ǻ, sedangkan nilai a dan c standar adalah a = 4,738
Å dan c = 3,187 Å. Nilai parameter-parameter kisi hasil
perhitungan ini memastikan struktur kristal tetragonal
SnO2 dan sesuai dengan nilai-nilai di berbagai literatur
[7,8].

Sampel-sampel SnO2
(211)
(112)
(101)
(110)
(200)
A
(110)
(101)
(211)
(301)(200)
B

Nama
Sampel
Banyak
Deposisi
Suhu
Deposisi
Pemanasan


A

8 × 2 jam

25 oC
400 oC
(120 menit)

B


2 × 2 jam

80 oC
400 oC
(120 menit)

Gambar 2. Pola difraksi film-film SnO2.

Seperti ditunjukkan pada pola difraksi kedua
sampel film SnO2, umumnya pola difraksi sangat melebar
sehingga dapat diprediksi bahwa film-film SnO2 yang

Page 3

J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009


98
tumbuh merupakan nanokristal. Nilai full width at half
maximum (FWHM) puncak karakteristik difraksi SnO2
dapat digunakan untuk menentukan ukuran kristal
(crystall size) melalui persamaan Scherrer.
Dari nilai FWHM yang didapat dari data XRD
sampel SnO2, dapat ditentukan diameter kristal (σ) yang
terbentuk pada substrat kaca dengan persamaan scherrer :

, 0
cos)(
=•
FWHM
σ
λ
θ
94
(2)

dengan σ adalah diameter kristal; λ adalah panjang
gelombang sinar-X yang digunakan; θ adalah sudut
difraksi. Dari hasil perhitungan diperoleh ukuran kristal
sampel A adalah 4,346 nm sedangkan sampel B adalah
3,518 nm.

A
B


Gambar 3. Citra SEM film-film SnO2.

Morfologi permukaan kedua film SnO2 dari hasil
foto SEM ditunjukkan pada Gambar 3. Berdasarkan citra
SEM menunjukkan film-film sangat berpori dan tampak
butir-butir halus pada citra. Sayangnya perbesaran
(10.000×) tidak cukup untuk melihat lebih detil
mikrostruktur film-film tersebut.
Gambar 3 memperlihatkan citra permukaan film-
film SnO2 dengan menggunakan SEM (Scanning Electron
Microscope), dari tampilan diperoleh citra morfologi
permukaan. Citra sampel film B tampak terlihat retakan
(cracks) yang kemungkinan disebabkan suhu deposisi
yang lebih tinggi (90 oC) dari sampel lainnya (25 oC).
Selain citra morfologi permukaan, film-film SnO2 juga
difoto melintang untuk mengetahui ketebalannya.
Berdasarkan citra melintang
ditampilkan di dalam paper ini) diketahui ketebalannya
masing-masing adalah 3,3 µm untuk sampel A dan 0,7
untuk sampel B. Hasil ini wajar karena waktu deposisi
yang sangat jauh berbeda, yaitu sampel A selama 8×2 jam
sedangkan sampel B selama 2×2 jam.

3.2 Sifat Optik Film SnO2.
Secara umum sifat optik film-film semikonduktor
dapat diamati dengan menggunakan spektrometer UV-Vis
yang memberikan spektrum absorbans dan transmitans.
Spektrum absorbasi film-film SnO2 diperlihatkan pada
Gambar 4. Berdasarkan spektrum absorbans menunjukan
film-film SnO2 menyerap dengan kuat spektrum ultra
violet dan menurun pada daerah tampak (visible).

kedua film (tidak
A
B


Gambar 4. Absorbans film-film SnO2.

Absorbsi
menyebabkan terjadinya eksitasi elektron dari pita valensi
ke pita konduksi. Transisi yang terjadi dapat secara
adalah secara langsung maupun tak langsung. Untuk
menentukan nilai celah energi (Eg) bahan semikonduktor
digunakan persamaan (3). Untuk bahan semikonduktor
transisi langsung nilai n = 1/2 sedangkan untuk yang
transisi tidak langsung nilai n = 2.
optik bahan semikonduktor

Page 4

J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009


99

α (hυ) = C(hυ – Eg)n (3)

Karena bahan SnO2 merupakan semikonduktor transisi
langsung (n = 1/2) maka persamaan (3) menjadi

(α (hυ))2 = C(hυ – Eg)

(4)


Gambar 5. Kurva celah energi (Eg) film-film SnO2.

Jika persamaan (4) diplotkan pada sumbu kartesian
dimana (α (hυ))2 sebagai sumbu-y dan hv sebagai sumbu-
x, maka C merupakan gradien kurva bagian linear.
Perpotongan kurva bagian linear ini dengan sumbu hυ
merupakan nilai celah energi film semikonduktor.
Gambar 5 menunjukkan plot grafik penentuan nilai celah
energi kedud film SnO2. Berdasarkan kurva-kurva
tersebut diperoleh nilai Eg untuk sampel A sekitar 3,2 eV,
sedangkan untuk sampel B sekitar 2,6 eV. Pada literatur
celah energi untuk SnO2 sekitar = 3,6 eV [1,9,13].

4. Kesimpulan
Film SnO2 berhasil ditumbuhkan pada substrat
kaca dengan metode chemical bath deposition (CBD).
Film-film SnO2 yang ditumbuhkan merupakan kristal
tetragonal dengan ukuran kristal dalam orde nanometer
yaitu sekitar 4 nm. Hasil
memperlihatkan film-film SnO2 menyerap dengan kuat
analis sifat optik
spektrum ultra violet dan memiliki celah pita optik antara
2,6 sampai 3,2 eV.

Referensi
[1] P.I. Gaiduk, A.N. Kozjevko, S.L Prokopjev, C.
Tsamis, and A. N. Larsen, Appl. Phys. A 91,
667(2008).
[2] T-H. Jung, S-I. Kwon, J-H. Park, D-G. Lim, Y-J.
Choi, J-G. Park, 2008, Appl. Phys. A 91, 707 (2008).
[3] C.A. Papadopoulos, D.S. Vlachos and J.N.
Avaritsiotis, Sensors and Materials 9, 279 (1997).
[4] T. Minami, Semicond. Sci. Technol. 20, 535-544
(2005).
[5] S. Muranaka, Y. Bando and T. Takada, Bull. Inst.
Chem. Res., Kyoto Univ. 64, (1986).
[6] D. Ganz, A. Reich, and M.A. Aegerter, J. Non-
Crystalline Solids 218, 242 (1997).
[7] M. Batzill and U. Diebold, Prog. Surf. Sci. 79, 47
(2005).
[8] D-F. Zhang, L-D. Sun, G. Xu, and C-H. Yan, Phys.
Chem. Chem. Phys. 8, 4874 (2006).
[9] K.S. Shamala, L.C.S. Murthy, and K.N. Rao, Bull.
Mater. Sci. 27, 295 (2004).
[10] J-L. Brousseau, H. Bourque, A. Tessier, and R.M.
Leblanc, Appl. Surf. Sci. 108, 351 (1997).
[11] S.S. Pan, C. Ye, X.M. Teng, H.T. Fan, and G.H. Li,
Appl. Phys. A 85, 21 (2006).
[12] E. Elangovan, M.P. Singh, M.S. Dharmaprakash, and
K. Ramamurthi, J. Optoelectron. Adv. Mater. 6, 197
(2004).
[13] S.K.F.Ahmed, P.K. Ghosh, S. Khan, M.K. Mitra, and
K.K. Chattopadhyay, Appl. Phys. A 86, 139 (2007).
[14] S.C. Ray, M.K. Karanjai, and D. Dasgupta, Thin
Solid Films, 307, 221 (2007).
[15] J. Cheng, D. Fan, H. Wang, B. Liu, Y. Zhang and H.
Yan, Semicond. Sci. Technol. 18, 676 (2003).
[16] M.C. Rath, J.A.Mondal, D.K. Palit, T. Mukherjee,
and H.N. Ghosh, J. Nanomaterials, ID 36271 (2007).
[17] M. Ortega-Lopez, A. Avila-Garcia, M.L. Albor-
Aguilera, and V.M. Sanchez-Rasendiz, Mater. Res.
Lett. 38, 1241 (2003).