Penggunaan spektroskopi difus reflektansi untuk karakterisasi optic struktur nano
Sifat optik sampel bubuk struktur nano tanpa atau dengan perlakuan termal sering ditentukan melalui melalui spektroskopi spektroskopi serapan UV-Vis dalam bentuk larutan dalam media cair. Meskipun posisi puncak dari tingkat absorpsi struktur nano semikondukt semikonduktor or dapat didefinisikan didefinisikan dengan baik dari pengukuran tersebut, penentuan energi band gap secara tepat (Eg) adalah sulit. Namun dengan menggunakan persamaan Kubelka-Munk pada spectra difus reflektansi, bubuk semikonduktor strukt struktur ur nano nano dimungk dimungkink inkan an untuk untuk dipero diperoleh leh Eg dengan dengan jelas. jelas. Kita Kita akan akan bahas bahas keuntun keuntungan gan menggunakan menggunakan Spektroskop Spektroskopii Difuss Difuss Reflektans Reflektansii (DRS) dalam spektroskop spektroskopii serapan serapan UV-Vis UV-Vis dalam sampel sampel bubuk nanostruktur. nanostruktur. Bentuk struktur struktur nano tanpa dan dengan doping ZnO seperti seperti jarum jarum,, tumbuh tumbuh melalu melaluii teknik teknik hidrot hidroterm ermal al suhu suhu rendah rendah yang yang digunak digunakan an untuk untuk studi studi optik. optik. Kemungkinan Kemungkinan sumber kesalahan kesalahan dalam memperkirakan memperkirakan Eg dari spectra serapan UV-Vis UV-Vis dalam sampel juga akan dibahas.
Pendahuluan Celah pita energi (Eg) adalah fitur penting dari semikonduktor yang digunakan untuk menentukan menentukan aplikasi aplikasi mereka di bidang Optoelektronik. Optoelektronik. Spektroskopi Spektroskopi serapan serapan UV-Vis UV-Vis sering sering diguna digunakan kan untuk untuk karakt karakteri erisas sasii film film tipis tipis semiko semikonduk nduktor tor.. Karena Karena rendah rendahnya nya hambur hamburan an dari dari padatan film lapis tipis, menjadi mudah untuk mendapatkan harga Eg dari spektra absorbsinya ber berda dasa sark rkan an kete ketebal balan anny nya. a. Teor Teorii yang yang memu memung ngki kink nkan an digu digunak nakan an untuk untuk spek spektr trum um DR diusulkan oleh Kubelka dan Munk. Awalnya menggambarkan perilaku perjalanan cahaya dalam penghamburan cahaya pada spesimen, yang didasarkan pada persamaan diferensial:
dimana dimana i dan j adalah intensita intensitass cahaya cahaya yang melewati sampel; dx adalah diferensial diferensial segmen sepanjang jalannya cahaya; S dan K disebut hamburan K-M dan koefisien penyerapan. Model ini digunakan ketika ukuran partikel adalah sebanding dengan, atau lebih kecil daripada panjang
gelombang cahaya yang masuk, dan tidak memungkinkan difus refleksi menghasilkan refleksi, refraksi, dan difraksi (jenis hamburan yaitu terjadi). Dalam kasus tertentu dengan ketebalan sampel tak terbatas, tebal dinding pemegang sampel tidak mempengaruhi nilai reflektansi (R). Dalam hal ini, persamaan Kubelka-Munk pada berapapun panjang gelombang menjadi:
F (R∞) adalah fungsi Kubelka-Munk, dimana R∞ = Rsample / Rstandard. Dalam struktur pita parabolik, energy pita Eg, dan koefisien absorpsi α dari celah pita langsung semikonduktor terkait melalui persamaan:
Dimana α adalah koefisien linear absorpsi bahan, hν adalah energi foton dan C1 merupakan konstanta proporsionalitas. Ketika penyinaran cahaya menyebar secara sempurna (atau ketika pantulan terjadi pada 600), koefisien absorpsi K-M, K menjadi sama dengan 2 α (K = 2 α). Dalam hal ini, mengingat hamburan K-M, koefisien S konstan jika dihubungkan dengan panjang gelombang, dan menggunakan fungsi remisi pada Persamaan(3) kita memperoleh persamaan:
Sehingga, F (R∞) yang diperoleh dari Persamaan(2) dan memplot [F (R∞) h ν]
2
lawan hν,
energy band gap Eg dari sampel bubuk dapat diketahui dengan mudah. Eksperimental
Sampel bubuk seng oksida yang mengandung indium berbeda (doping) dibuat dengan sintesis hidrotermal suhu rendah dan selanjutnya dipanaskan pada suhu 3000 C pada atmosfer argon selama dua jam. Semua Sampel dikarakterisasi dengan spektroskopi serapan UV-Vis (Shimadzu, pektrofotometer sinar UV-3101PC ganda), diffuse reflectance spektroskopi (DRS) (Varian
Cary 100 UV-Vis Spektrofotometer dengan DRA-CA-30I Diffuse reflektansi Aksesori), dan Scanning Elektron Mikroskop (SEM) (Jeol JSM 5300). Semua pengukuran optik dilakukan pada suhu kamar. Untuk pengukuran absorpsi UV-Vis, sampel bubuk disebar pada air deionized dengan konsentrasi tetap (5mg/4ml).
3. Hasil dan diskusi
Pola XRD sampel memperlihatkan puncak difraksi struktur wurtzite ZnO. Struktur nano menyajikan morfologi seperti jarum dengan diameter 450 nm dan panjang rata-rata 5 ¹ m (Gbr. 2).
Gambar 2. Karakteristik SEM sampel strustur nano ZnO tanpa dan dengan doping(0,5%), sebelum (a dan c) dan sesudah perlakuan termal (b dan d) Dari gambar SEM kita dapat melihat bahwa permukaan struktur nano ZnO setelah perlakuan termal tidak sehalus yang tanpa perlakuan termal. Penyerapan spektrum UV-Vis sampel sebelum dah setelah perlakuan termal ditunjukkan pada Gambar. 3.
Gambar 3. Spektra absorpsi sampel sebelum (a) dan setelah perlakuan termal (b) Semua spektrum memperlihatkan karakteristik serapan puncak ZnO. Namun, puncak tidak diperoleh dengan baik oleh semua sampel. Dalam sampel tanpa perlakuan termal, puncak serapan berada pada pergeseran biru dengan doping 0,5. Peningkatan konsentrasi menyebabkan puncak serapan bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih tinggi. Di puncak spektrum serapan tidak sesuai dengan celah pita optik ZnO, yaitu sekitar 3,37 eV (pada suhu kamar). Sangat menarik untuk dicatat bahwa dalam sampel tanpa perlakuan termal (Gambar 3a), absorbansi meningkat dengan meningkatnya energi foton, setelah pada titip energi tertinggi pita
serapan menurun. Perilaku ini sangat berbeda dari karakteristik serapan
film tipis pada
umumnya. Pada sisi lain, dalam spectra sampel setelah perlakuan termal (Gambar 3b), serapan energi foton terendah (dihubungkan dengan puncak absorpsi) memiliki tinggi puncak yang sama dengan puncak serapan. Transisi elektronik dalam bahan semikonduktor tidak berpengaruh pada bentuk bentuk tersebut. Sebaliknya, hal itu adalah hasil dari hamburan dari struktur nano dengan permukaan kasar setelah perlakuan termal. Sebuah cara yang umum digunakan untuk menentukan celah pita dari spectra serapan dalah dengan mendapatkan turunan pertama absorbansi dihubungkan dengan energy foton dan menemukan maksimum dari spectra derivate pada energy yang lebih rendah. Eg terkait dengan spectra maksimum, yaitu absorbansi maksimum terhadap energi foton. Pada Gambar. 4, spektrum derivatif seperti sampel disajikan:
Gambar 4. Turunan pertama spektra absorpsi sampel sebelum (a) dan setelah perlakuan termal (b)
Untuk menghindari kesulitan dalam memperoleh Eg dari spektroskopi serapan UV-Vis dalam sampel, pengukuran difus reflektan pada sampel bubuk kering dapat dilakukan. Spektra difus reflektansi sampel sebelum dan sesudah prlakuan termal ditunjukkan pada Gambar 5.
Pada sampel tanpa perlakuan termal, terjadi pengurangan reflektansi yang signifikan dimulai panjang gelomang 460 nm dan puncak berpusat muncul pada 236 nm. Intensitas puncak ini meningkat dengan meningkatkan konsentrasi indium dalam sampel. Puncak mungkin berasal dari kehadiran indium hidroksida dalam sampel. Tidak adanya puncak pada 236 nm untuk sampel
setelah
perlakuan
termal
mendukung
asumsi
asal
hidroksida
Spektrum DR sampel setelah perlakuan Kubelka-Munk ditunjukkan pada Gambar. 6.
tersebut.
Garis yang linier dan memotong sumbu energi foton memberikan nilai Eg. Jadi, dengan ini metode menentuan band gap dapat dibuat dengan pasti. Tabel I menyajikan nilai-nilai Eg yang diperoleh dari dua metode yaitu UV-Vis dan spektroskopi penyerapan DRS.
Dari data tersebut dapat diketahui bahwa perbedaan nilai energi band gap Spektrum UV-Vis sebesar 139 MeV. Meskipun Eg dihitung dari spektra derivatif yang dekat dengan nilai-nilai
yang tepat, untuk sampel seperti ZnO doping dengan konsentrasi (2,0%) masih sangat sedikit, karena puncak serapan tidak dipeoleh dengan baik. Kesalahan estimasi nilai band gap bisa mengakibatkan kesimpulan yang salah. Hasil yang kami diperoleh dari sampel ZnO nanostruktur menunjukkan bahwa, meskipun teknik DRS tidak sensitif seperti teknik penyerapan UV-Vis, perubahan sifat optik bahan, dapat diketahui dari nilai-nilai celah pita bubuk semikonduktor tanpa ambiguitas apapun.
Kesimpulan
DRS adalah sebuah teknik yang lebih nyaman untuk karakterisasi material nano dibandingkan dengan spektroskopi serapan UV-Vis, keuntungannya memiliki fenomena hamburan yang tinggi pada bahan bubuk. Efek dari hamburan cahaya dalam spektrum serapan sampel bubuk yang tersebar pada media cair dapat dihindari dengan menggunakan DRS. Jika puncak serapan tidak diselesaikan dengan baik, bahkan penggunaan derivatif penyerapan spektrum tidak menjamin estimasi yang tepat untuk memperoleh nilai Eg,dan dapat mengakibatkan kesimpulan yang salah. Teknik DRS tidak memerlukan sampel bubuk yang ditambah dalam medium cair, sehingga bahan tersebut tidak terkontaminasi.
