PROSIDING SKF 2018

220 4 Desember 2018

Karakterisasi UV-Vis pada Studi Awal Penumbuhan

CNT dengan Prekursor Nanokatalis Ag Menggunakan

Metode HWC In Plasma-VHF-PECVD

Ajeng Eliyana1,a), Euis Sustini1,b) dan Toto Winata1,c)

1Laboratorium PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition),

Kelompok Keilmuan Fisika Material Elektronik,

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung,

Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132

a) eliyanaajeng13@gmail.com

b) euismei1959@gmail.com c) toto@fi.itb.ac.id

Abstrak

Telah dilakukan penumbuhan nanokatalis Perak (Ag) di atas substrat gelas Corning 7059 dengan metode

evaporasi dan diikuti proses annealing pada suhu 400 0C selama 4 jam. Karakterisasi morfologi nanokatalis

Ag menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). Studi selanjutnya yang telah dilakukan adalah

penumbuhan lapisan tipis CNT di atas substrat nanokatalis Ag dengan metode HWC In Plasma-VHF-PECVD

pada temperatur deposisi 275 oC dan tekanan 300 mTorr. Daya rf yang digunakan yaitu 8 watt, dengan waktu

deposisi selama 60 menit. Sumber karbon yang digunakan adalah gas metan (CH4) 99,999 %. Gas hidrogen

(H2) digunakan untuk mengetsa lapisan oksida yang mungkin terbentuk selama proses pra-deposisi. Diameter

dan panjang CNT di atas Ag/CG 7059 masing-masing sekitar 393 nm dan 376 nm, untuk sebaran partikel yang

masih berbentuk bundel. Sedangkan diameter dan panjang untuk partikel yang berbentuk tube (CNT) masing-

masing 125 nm dan 2,989 m. Pada daya tersebut terlihat adanya material CNT tumbuh dengan arah tegak

lurus terhadap permukaan substrat dan sejajar permukaan substrat. Kakterisasi selanjutnya pada penumbuhan

lapisan tipis CNT ini yaitu menggunakan UV-Visible Dari hasil pengukuran ini dihasilkan band gap 2,096 eV.

Kata-kata kunci: Nanokatalis Ag, evaporasi, Uv-Vis, CNT, HWC In Plasma-VHF-PECVD

PENDAHULUAN

Sejak ditemukan oleh Iijima tahun 1991, Carbon Nanotube menjadi suatu objek penelitian yang terus

diminati oleh para peneliti baik secara teoritis maupun eksperimen [1]. Hal ini disebabkan karena material ini

mempunyai sifat fisika yang unik seperti sifat elektronik, mekanik yang tidak dimiliki oleh material-material

karbon yang lain sehingga menimbulkan suatu tantangan tersendiri [2]. Keunikan CNT ini bergantung pada

chirality yang dinyatakan dalam orientasi penggulungan lembaran graphene serta diameter CNT. Namun

kemampuan untuk menumbuhkan CNT dengan diameter tertentu masih mengalami banyak kendala. Beberapa

peneliti menyarankan untuk menggunakan nanokatalis dari golongan logam maupun logam transisi.

Nanokatalis logam berperan sebagai pemandu proses penumbuhan Carbon Nanotubes (CNT). Wei.Y.Y, dkk

telah melakukan eksperimen untuk melihat pengaruh ketebalan lapisan katalis logam terhadap pertumbuhan

PROSIDING SKF 2018

221 4 Desember 2018

CNT [3]. Dari hasil eksperimen ini diperoleh bahwa ada korelasi yang signifikan antara diameter CNT yang

dideposisikan pada reaktor PECVD dengan ukuran partikel katalis [3].

Upaya penumbuhan CNT pada dasarnya telah dilakukan di Laboratorium kelompok keahlian Fisika

Material Elektronik ITB dengan menggunakan pengembangan teknik PECVD yang dimodifikasi yang dikenal

dengan nama hot wire cell very high frequency–PECVD (HWC-VHF-PECVD). Dengan menggunakan metode

ini, Aljte (2006) telah berhasil menumbuhkan lapisan tipis CNT di atas katalis Al/ CG, Al/ Si (100), dan Ni/ Si

(100) pada temperatur rendah 275 oC dan tekanan chamber rendah 300 mTorr [4]. Pengembangan selanjutnya

yaitu dengan teknik Hot Wire Cell In Plasma-Very High Frequency-Plasma Enhanced Chemical Vapour

Deposition (HWC In Plasma-VHF-PECVD) di atas nanokatalis Ag/CG 7059 pada daya RF 8 Watt, dengan

waktu deposisi selama 60 menit [5]. Teknik ini menggunakan tambahan filamen panas sebagai pengurai gas

metana (CH4) yang dicampur dengan gas hidrogen sebagai gas sumber, sehingga molekul-molekul gas yang

mencapai daerah substrat sudah berbentuk radikal-radikal yang lebih sederhana.

Dengan pertimbangan hasil penelitian tersebut, dalam makalah ini akan dipaparkan karakterisasi UV-

Visible untuk penumbuhan material CNT dengan teknik HWC In Plasma-VHF-PECVD dan hanya

menggunakan nanokatalis monolayer. Karakterisasi menggunakan UV-Vis bertujuan untuk mengetahui band

gap atau celah pita energi yang dibentuk oleh CNT dengan nanokatalis Ag dan gas methane (CH4) yang

dicampur dengan gas hidrogen sebagai gas sumber sebagai pengurai. Laju deposisi optimum akan diperoleh

dengan memvariasikan daya rf yang berperan sebagai sumber pembangkit plasma. Melalui teknik ini

diharapkan dapat dihasilkan CNT pada temperatur rendah.

EKSPERIMEN

Proses awal pada penelitian ini yaitu penumbuhan nanokatalis Ag di atas substrat gelas Corning 7059

menggunakan metode evaporasi dengan variasi waktu penumbuhan, yaitu 50 detik, 25 detik, dan 14 detik [5].

Selanjutnya yaitu proses annealing. Proses annealing nanokatalis Ag dilakukan dengan alat furnace tube

selama 4 jam dalam temperatur 400 0C. Proses annealing ini dilakukan untuk membentuk pulau-pulau (islands)

sehingga ukuran dari nanokatalis Ag dapat terbentuk.

Proses yang terakhir adalah penumbuhan lapisan tipis CNT di atas substrat nanokatalis Ag akan dilakukan

dengan metode HWC In Plasma-VHF-PECVD. Parameter yang digunakan dalam penumbuhan CNT yaitu

temperatur deposisi 275 oC, tekanan 300 mTorr, laju aliran gas 80 sccm, temperatur HWC 800 oC, waktu

deposisi selama 60 menit, dan daya RF 8 Watt [5]. Dalam penumbuhan CNT, daya rf berperan sama yaitu

sebagai pembangkit medan listrik yang akan mempercepat tumbukan elektron yang menguraikan radikal-

radikal sederhana gas CH4 sebagai prekursor yang sampai di substrat. Sumber karbon yang digunakan adalah

gas metana (CH4) 99,999 %. Gas hidrogen (H2) dialirkan selama proses pra-deposisi untuk mengikis lapisan

oksida yang terbentuk. Lapisan tipis CNT yang terbentuk kemudian dikarakterisasi untuk mengetahui

keberadaan material CNT. Karakterisasi yang dilakukan dalam penelitian ini adalah pengukuran SEM [5], dan

UV-Vis.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Sampel nanokatalis Ag yang telah di-annealing selanjutnya dikarakterisasi untuk mengetahui morfologi

permukaan dan diameter nano-katalis yang telah ditumbuhkan menggunakan SEM. Sebaran ukuran dengan

variasi waktu penumbuhan ditunjukkan pada gambar 1, di mana sebaran ukuran untuk setiap sampel tidak

merata, sebaran ukuran kecil sampai sebaran ukuran yang besar dimungkinkan material Ag yang terbentuk.

Kemungkinan ini hanya dapat dibuktikan dengan penumbuhan CNT.

Dengan perlakuan temperatur dan waktu yang sama ketika annealing, sebaran ukuran untuk sampel dengan

waktu deposisi 14 detik ditunjukkan pada gambar 1c lebih homogen dibandingkan dengan waktu deposisi 50

detik (1a) dan 25 detik (1b), hal ini dimungkinkan sampel dengan katalis Ag yang lebih banyak 1a memerlukan

energi yang lebih besar untuk membentuk cluster-cluster, berbeda dengan sampel katalis Ag yang lebih sedikit

(Gambar 1b dan 1c), energi yang diperlukan lebih rendah sehingga clusters dari nanokatalis Ag dapat terbentuk

lebih baik. Ukuran rata-rata sebaran diameter kecil sampai sebaran diameter besar pada sampel 1 yaitu 65-350

nm (Gambar 1a). Untuk sampel 2 ukuran sebaran diameter yaitu 57-425 nm (Gambar 1b). Sedangkan ukuran

rata-rata sebaran diameter pada sampel 3 yaitu 33-394 nm (Gambar 1c) [5].

PROSIDING SKF 2018

222 4 Desember 2018

Secara umum dapat dinyatakan bahwa katalis Ag dengan waktu deposisi 14 detik merupakan katalis yang

lebih baik dibandingkan katalis dengan waktu deposisi 50 dan 25 detik. Walaupun dari gambar dan penjelasan

di atas terlihat sebaran ukuran untuk setiap sampel tidak merata, sebaran ukuran kecil sampai sebaran ukuran

yang besar dari material Ag yang terbentuk. Hasil ini akan diperkuat dari CNT yang akan diperoleh dari

penumbuhan dengan metode HWC In Plasma-VHF-PECVD .

(a) (b) (c)

Gambar 1. Citra SEM penumbuhan nanokatalis Ag dengan waktu deposisi (a) 50 detik, (b) 25 detik, (c) 14

detik [5].

Penelitian selanjutnya yaitu penumbuhan CNT dengan metode HWC di luar daerah gas masuk tepatnya di

antara dua elektroda, dan nanokatalis yang digunakan adalah nanokatalis Ag dengan waktu penumbuhan 14

detik. Material CNT yang ditumbuhkan dengan daya rf 8 watt yang ditunjukkan pada gambar 2, terlihat material

tumbuh dengan arah tegak lurus dan sejajar terhadap permukaan substrat. Diameter dan panjangnya masing-

masing 393 nm dan 376 nm untuk sebaran partikel yang masih berbentuk bundel, sedangkan diameter dan

panjang untuk partikel yang berbentuk tube (CNT) masing-masing 125 nm dan 2,99 m. Bentuk CNT yang

lurus di atas permukaan substrat menunjukkan ciri-ciri CNT yang ditumbuhkan oleh sistem PECVD. Hal ini

disebabkan energi listrik di dalam plasma cukup besar untuk meluruskan tabung CNT tersebut [5].

Gambar 2. Hasil SEM CNT/Ag/CG 7059 dengan daya rf 8 watt [5].

Pemberian daya rf yang lebih tinggi membantu dalam mekanisme penguraian gas yang lebih efektif, tetapi

daya RF yang terlalu tinggi menyebabkan gas lebih energetik sehingga menimbulkan terbentuknya radikal-

radikal terionisasi dalam plasma. Radikal-radikal ionik tersebut dalam batas tertentu akan berfungsi sebagai

peng-etsa kimiawi (chemical-etching) yang dapat mengikis permukaan lapisan yang telah terbentuk, yang biasa

dikenal dengan bombardement ion (ionic bombardment). Selain itu, radikal-radikal tersebut akan tumbuh di

daerah yang tidak mengandung katalis, sehingga dikhawatirkan dengan kelebihan karbon akan membentuk

carbon amorf.

Hasil karakterisasi UV-Vis ditunjukkan pada gambar 3 di mana puncak-puncak absorbsi terjadi pada energi

antara 2-4 eV. Analisis selanjutnya bentuk spektrum absorbsi CNT dibandingkan dengan hasil penelitian CNT

sebelumnya. Bentuk spektrum absorbsi pada gambar 3 sedikit berbeda dengan bentuk spektrum absorbsi bundel

PROSIDING SKF 2018

223 4 Desember 2018

CNT yang dihasilkan oleh Latununuwe (2011) dan Elim dkk (2004) seperti terlihat pada gambar 4a dan 4b.

tetapi sesuai dengan model teoritis yang dikembangkan oleh Liang dkk (2000) bahwa energi foton antara 2 eV

dan 6 eV menunjukkan pasangan elektron-hole yang terjadi dari transisi -*. Di mana jika jari-jari tabung

CNT bertambah besar, maka puncak-puncak absorbsi berada di antara 2 eV dan 6eV. Sedangkan pada gambar

3 puncak-puncak absorbsi yang lebar energinya antara 2-4 eV dan resonansi plasmon dari material CNT ini

terjadi pada energi 2,53 eV atau pada panjang gelombang 491 nm. Hasil yang ditunjukkan sesuai dengan model

teoritis yang dikembangkan oleh Liang dkk (2000).

Gambar 3. Spektrum absorbsi CNT/Ag/CG 7059 pada daya rf 8 watt [5].

(a) (b)

Gambar 4. (a) Spektrum absorbsi CNT/Al/CG [4], (b) Spektrum absorbsi CNT di atas substrat kuars [4].

Hasil karakterisasi UV-Vis spektroskopi ditunjukkan juga pada gambar 5. Panjang gelombang yang ter-cover

pada rentang 350-650 nm, rentang tersebut merupakan rentang daerah gelombang cahaya tampak (visible).

Rentang gelombang tersebut memenuhi rentang panjang gelombang sel surya. Sehingga CNT ini dapat

diaplikasikan untuk sel surya.

2 3 40,0

0,1

0,2

0,3A

bso

rban

si (

a.u

)

Energi Foton (eV)

Resonansi

plasmon

pada

energi 2,53 eV

atau

panjang gelombang 491 m

PROSIDING SKF 2018

224 4 Desember 2018

Gambar 5. Hasil karakterisasi UV-Vis CNT (terhadap panjang gelombang)

Analisis selanjutnya dari hasil karakterisasi UV-Vis yaitu dalam menentukan nilai energi band gap, di mana

nilai energi band gap ini dapat ditentukan dengan menggunakan metode plot grafik Tauc, di mana pengukuran

ini dilakukan dengan menarik garis linier pada grafik hubungan ℎ𝜗 dan (ℎ𝛼𝜗)𝑛 sampai memotong sumbu ℎ𝜗,

seperti persamaan (1):

(ℎ𝛼𝜗)𝑛 = 𝐴(ℎ𝜗 − 𝐸𝑔) (1)

dengan ℎ adalah konstanta planck, 𝜗 adalah frekuensi, 𝐸𝑔 adalah band gap dan 𝐴 adalah konstanta

proporsional. Hasil analisis UV-Vis dalam menentukan nilai band gap CNT ditunjukkan pada gambar 6,

dimana nilai band gap pada CNT ini yaitu 2,096 eV.

Gambar 6. Grafik tauc plot spektrum absorbsi CNT/Ag/CG 7059 pada daya RF 8 Watt.

KESIMPULAN

Telah berhasil ditumbuhkan nano-katalis Ag dengan variasi waktu penembakan katalis Ag yaitu 50 detik, 25

detik, dan 14 detik di atas substrat gelas Corning 7059, pada temperatur annealing 400 0C selama 4 jam.

Sehingga dapat dikatakan waktu penembakan 14 detik sudah cukup baik untuk pembentukan nanokatalis logam

Ag, dan dapat digunakan sebagai prekursor untuk deposisi CNT dengan metode HWC In Plasma-VHF-PECVD

dan berdasarkan karakterisasi UV-Vis menunjukkan nilai band gap CNT/Ag/CG 7059 pada daya rf 8 watt

adalah 2,096 eV dengan rentang panjang gelombang yang ter-cover adalah 350-650 nm, rentang tersebut

merupakan rentang daerah gelombang cahaya tampak (visible). Rentang gelombang tersebut memenuhi

rentang panjang gelombang sel surya dan dari hasil penelitian ini menunjukkan CNT sudah dapat diperoleh

dengan HWC In Plasma-VHF-PECVD pada daya rendah.

1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,50,0

0,1

0,2

0,3

Ab

sorb

ansi

(a.

u)

Energi Foton (eV)

E=2,096 eV

350 400 450 500 550 600 650

0,0

0,1

0,2

0,3

Ab

sorb

ansi

(a.

u)

Panjang Gelombang (nm)

PROSIDING SKF 2018

225 4 Desember 2018

REFERENSI

1. S, Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature. 354. 56. (1991).

2. R, Saito, G. Dresselhaus, and M.S. Dresselhaus. Physical Properties of Carbon Nanotube. London: Imperial College

Press.(1998). 3. Y.Y. Wei, G. Eres, V.I. Merkulov, and D.H. Lowndes.. Effect of Catalyst Film Thickness on Carbon Nanotube

Growth by Selective Area Chemical Vapor Deposition. App.Phys.lett. 78, 1394-1396. (2001).

4. A, Latununuwe. Penumbuhan Carbon Nanotube dengan Metode Hot Wire Cell-Very High Frequency-Plasma

Enhanced Chemical Vapor Deposition. Disertasi S-3 ITB. Bandung. (2011). 5. A. Eliyana, A. Rosikin, and T. Winata. Study of CNT Growth using Nanocatalyst Ag Precursor by HWC-VHF-

PECVD. AIP Conference Proceedings. 1656, 030016 (2015).

6. S. Kumar, P.N. Dixit, C.M.S.Rauthan, R. Sharma, M.Y. Khan, R. Bhattacharyya. Composition of glass substrates,

an important consideration for depositing adherent diamond-like carbon films. Jounal of Materials Science Letters, vol 19, hal 2055-2057, (2000).

7. Teo, K.B.K, Singh.C, Chhowalla.M, and Milne.W.I. Catalytic Synthesis of Carbon Nanotubes and Nanofibers.

Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. Vol X. (2003)

8. I. Yuliastuti, A. Subagio, Pardoyo. Modification Effect of Carbon Nanotubes by LiCl (CNTs/LiCl) on the Electrical Conductivity Character. Jurnal Sains dan Matematika. (2015).

9. Z.F. Ren, Z.P. Huang, J.W. Xu, J.H. Wang, P. Bush, M.P. Siegal, and P.N. Provencio, Science 282, 1105 (1998).

10. A. Latununuwe, A. Setiawan, P. Lubis, Yulkifli, T. Winata, and Sukirno, Proc. Nat. Phys. Seminar 2008, August 7,

Malang, Indonesia. (2008) 11. P. Lubis, A. Latununuwe, and T. Winata, Proc. 1st Int. Sem. Sci. Technol. Yogyakarta: Indonesia.(24 Januari 2009).

12. P. Lubis, A. Latununuwe, and T. Winata. Penumbuhan Nanopartikel Nikel dengan DC-Unbalanced Magnetron

Sputtering. Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, Agustus, (2009).

13. Sukirno, S.Z. Bisri, L. Hasanah, Mursal, I. Usman. Low Temperature Carbon Nanotube Fabrication using Very High Frequency-Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition Method, Proc. ICSE, Kuala Lumpur, Malaysia. (2006).