santi septiani-skripsi-fakultas matematika dan ilmu

1

Ringkasan Tugas Akhir

Nama, NPM : Santi Septiani, 0906530226

Pembimbing : Prof. Dr. rer. nat. Rosari Saleh

Judul (Indonesia) : Sintesis dan Karakterisasi Nanopartikel Cr-doped ZnO

Judul (Inggris) : Synthesis and Characterization of Cr-doped ZnO

Nanoparticles

ABSTRAK

Pada penelitian ini, nanopartikel Cr-doped ZnO dengan kosentrasi Cr yang

berbeda (3-16%) telah disintesis dengan metode kopresipitasi. Struktur, sifat optik

dan sifat magnetik sampel yang dihasilkan telah dikarakterisasi dengan XRD (X-

ray Diffraction), EDX (Energy Dispersive X-ray, FTIR (Fourier Transform Infra

Red), spektroskopi UV-Vis, ESR (Electron Spin Resonance) dan VSM (Vibrating

Sampel Magnetometer). Hasil karakterisasi XRD (X-ray Diffraction) dan EDX

(Energy Dispersive X-Ray) menunjukkan bahwa Cr telah bergabung ke dalam

ZnO (fase hexagonal wurtzite) tanpa adanya fase kedua. Hasil tersebut

menunjukkan bahwa doping Cr menghambat pertumbuhan kristal. Pergeseran

merah pada absorbsi band edge pada spektrum absorbansi UV-Vis dengan

peningkatan konsentrasi Cr juga mengkonfirmasi doping Cr pada ZnO. FTIR

telah dipelajari untuk mengindentifikasi karakteristik frekuensi vibrasi ikatan-

ikatan kimia pada sampel. Hasil ESR menunjukkan penambahan ion Cr 3+ yang

mungkin berkontribusi dalam pembentukkan sifat magnet yang diperoleh pada

hasil karakterisasi VSM.

Kata kunci : kromium, ZnO, nanopartikel, struktur, sifat optik dan sifat magnet.

ABSTRACT

In this research, Cr-doped ZnO nanoparticles with different concentrations of Cr

(3-16%) were synthesized by coprecipitation method. The Structure, the optical

and the magnetic properties of the produced samples were characterized by XRD

Sintesis dan karakterisasi..., Santi Septiani, FMIPA UI, 2013

2

(X-ray Diffraction), EDX (Energy Dispersive X-ray, FTIR (Fourier Transform

Infra Red), UV-Vis spectroscopy, ESR (Electron Spin Resonance) and VSM

(Vibrating Sampel Magnetometer). The XRD (X-ray Diffraction) dan EDX

(Energy Dispersive X-Rays) characterization results indicated that Cr has been

incorporated into ZnO (hexagonal wurtzite phase) without any secondary phase.

The results indicated that Cr-doping restrained the growth of the crystal. The red

shift in band edge absorbtion in UV-Vis absorbance spectrum with in increasing

Cr concentration also confirm the doping of Cr in ZnO. FTIR have been studied in

order to identify the characteristic frequencies of the vibrational chemical bonds.

The ESR results indicated the addition of Cr3+ ions that may contribute in order

the magnetic properties that was found in VSM characterization results.

Keywords : Chromium, ZnO, nanoparticle, structure, optical properties and

magnetic properties.

DMS merupakan bahan semikonduktor yang memiliki sifat ferromagnetik

dan merupakan dasar dari banyak teknologi yang berkembang saat ini.

Kebanyakan semikonduktor merupakan bahan yang non-magnetik [1]. Meskipun

begitu, struktur, sifat optik maupun sifat magnetik semikonduktor dapat diubah

dengan melakukan pendopingan ion pada semikonduktor tersebut [2]. DMS

memiliki temperatur curie yang rendah, yang membatasi kegunaannya pada

aplikasi [3]. Oleh karena itu, untuk menghasilkan perangkat berbasis DMS yang

dapat bekerja pada temperatur ruang dibutuhkan penelitian dalam meningkatkan

temperatur curie sebesar atau diatas temperatur ruang [4].

Pada penelitian ini, semikonduktor ZnO telah dipilih sebagai bahan dasar

dari DMS yang akan didoping dengan unsur Cr untuk memperoleh DMS dengan

sifat ferromagnetik pada temperatur ruang. ZnO merupakan material

semikonduktor dengan stabilitas kimia dan termal yang tinggi [5], dengan celah

energi yang besar yaitu 3.37 eV dan energi ikat exciton sebesar 60 MeV [6,7].

Karena energy gap yang tinggi, semikonduktor ZnO sangat efisien dalam

mengabsorbsi sinar ultraviolet dan mengemisi cahaya biru [5]. Karena


3

karakteristik tersebut semikonduktor ZnO memiliki potensi pada banyak aplikasi,

seperti sel surya, pelapis optik, fotokatalis, perangkat elektronik, sensor gas [8],

light-emitting diodes, pendeteksi UV, kosmetik dan perangkat berbasis spintronik

[9].

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, DMS dapat diperoleh dengan

melakukan pendopingan semikonduktor yang bersifat non-magnetik dengan

elemen TM (transition-metal) misalnya Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni dan Cu [6].

Dari beberapa logam transisi, Cr memiliki jari-jari yang hampir sama dengan Zn,

membuat Cr menjadi dopan yang baik karena dapat dengan mudah masuk ke

dalam kisi kristal ZnO atau mensubstitusi posisi Zn di dalam kristal ZnO [6,10-

12]. Selain itu, Cr memiliki momen magnet yang relative besar (4 µB) [10,13-15]

dan penelitian secara teori menunjukkan Cr-doped ZnO menghasilkan sifat

ferromagnetik [16-20] yang stabil [21,22].

Secara teoritis Cr-doped ZnO menunjukkan sifat feromagnetik pada

temperatur ruang [16,34,35] dan beberapa hasil penelitian [15,25] yang dilakukan

secara eksperimental pada Cr-doped ZnO juga memperoleh sifat ferromagnetik.

Namun, beberapa peneliti lain [4,26] justru tidak menemukan sifat tersebut pada

sampelnya. Beberapa hasil penelitian menunjukkan sifat magnetik Cr-doped ZnO

tergantung dari metode pembuatannya [27,28].

Pada penelitian ini nanopartikel Cr-doped ZnO dibuat dengan

menggunakan metode kopresipitasi. Satu seri sampel Cr-doped ZnO yang

disintesis terdiri dari 4 sampel. Parameter yang digunakan dalam proses sintesa ini

adalah konsentrasi dopan. Dan karakterisasi yang digunakan diantaranya XRD

(X-Ray Diffraction), EDX (Energy Dispersive X-Ray Analysis), spektroskopi

UV-Vis, FTIR (Fourier Transform Infra Red), ESR (Electron Spin Resonance)

dan VSM (Vibrating Sampel Magnetometer).

Komposisi pada sampel nanopartikel Cr-doped ZnO diteliti dengan

menggunakan pengukuran EDX (Energy Dispersive X-Rays). Hasil karakterisasi

EDX menunjukkan keempat sampel mengandung unsur Cr dengan konsentrasi 3,

7, 12 dan 16 %. Peningkatan intensitas pada puncak Cr seiring peningkatan


4

konsentrasi doping Cr menunjukkan peningkatan jumlah unsur Cr pada sampel.

Setelah dipastikan dengan menggunakan EDX bahwa seluruh sampel Cr-doped

ZnO mengandung unsur Cr, hal selanjutnya yang dilakukan pada penelitian ini

adalah mempelajari struktur yang terbentuk pada masing-masing sampel.

Karakterisasi mengenai struktur dikenal dengan XRD (X-ray diffraction).

Hasil karakterisasi tersebut berupa pola difraksi sinar-X seperti yang ditunjukkan

pada gambar 1. Dengan menggunakan bantuan perangkat lunak MAUD telah

diketahui bahwa struktur yang terbentuk pada setiap sampel Cr-doped ZnO berupa

fase hexagonal wurtzite dengan space group P63mc.

Tabel 1. Parameter-parameter hasil perhitungan data XRD

Cr at.% a (Å) c (Å) Volume cell (Å3) <D> (nm) ε (10-4)

3 3.25 5.211 47.7 19 0.0007

7 3.248 5.203 47.5 18 0.0001

12 3.246 5.199 47.4 17 0.0001

16 3.242 5.196 47.3 15 0.0003

Gambar 1. Kurva difraksi sinar-X untuk sampel Cr-doped ZnO dengan empat

variasi konsentrasi (3, 7, 12 & 16 atomik persen).


5

Pada penelitian ini pengaruh yang terjadi pada saat unsur Cr telah berhasil

mensubstitusi Zn berupa penurunan pada parameter kisi seperti yang telah

tercantum pada table 1. Penurunan ini terjadi karena ion Cr3+ dengan radius yang

lebih kecil (0.61 Å) mensubstitusikan ion Zn2+ (0.74 Å) [29]. Penurunan yang

terjadi pada parameter kisi menyebabkan penurunan volume. Selain itu,

perubahan parameter kisi juga memungkinkan terjadinya kontraksi pada kisi.

Studi teori dan eksperimen menunjukkan ukuran dari kristal tergantung pada

kontraksi kisi [20,30]. Sehingga perubahan grain size pada penelitian ini dapat

dikaitkan dengan kontraksi kisi yang disebabkan oleh perubahan parameter kisi.

Perubahan ukuran kristal merupakan faktor yang menyebabkan variasi dari

surface stresses [31]. Penjelasan di atas menunjukkan substitusi Cr pada Zn dapat

menimbulkan variasi strain pada sampel. Selain itu, strain yang diperoleh pada

penelitian ini juga dapat disebabkan oleh defect pada sampel, yang dapat berupa

zinc vacancies (VZn), intertitial oxygen (Oi), intertitial zinc (Zni), singly

megatively changed zinc vacancies (V-Zn) atau oxygen vacances (VO) [32].

Gambar 2. Kurva spektrum absorbansi hasil karakterisasi FTIR (Fourier

Transform Infra-Red) sampel nanopartikel Cr-doped ZnO dengan empat variasi

konsentrasi.


6

Selain karakterisasi struktur dan komposisi, pada penelitian ini juga telah

dilakukan karaktersasi FTIR (Fourier Transform Infra-Red). Karakterisasi ini

digunakan untuk mengetahui vibrasi-vibrasi molekul yang dimiliki sampel

nanopartikel Cr-doped ZnO. Hasil yang diperoleh dari karakterisasi ini berupa

spektrum absorbsi untuk masing-masing sampel nanopartikel Cr-doped ZnO

dengan empat variasi konsentrasi yang ditampilkan pada gambar 2.

Absorbsi pada bilangan gelombang 529 cm-1 menunjukkan absorbsi untuk

ikatan Cr-O [33,34]. Selain itu, terdapat juga publikasi yang menjelaskan

karakteristik dari absorbsi untuk semua oksida logam transisi berada pada

bilangan gelombang 200-1200 cm-1 [33]. Absorbsi-absorbsi tersebut telah

mengkonfirmasi keberadaan Cr pada sampel.

Gambar 3. Kurva spektrum reflektansi hasil karakterisasi spektroskopi UV-Vis

sampel nanopartikel Cr-doped ZnO.


7

Tabel 2. Nilai energy gap (Eg) hasil analisis data karakterisasi spektroskopi UV-

Vis untuk sampel nanopartikel Cr-doped ZnO dengan empat variasi konsentrasi.

Sampel Eg (eV)

3 at.% Cr-doped ZnO 3.28




Setelah diketahui bahwa Cr berhasil menempati kisi ZnO, hal berikut yang

dilakukan adalah mengetahui sifat optik dan sifat magnetik yang dimiliki sampel

Cr-doped ZnO. Karakterisasi yang digunakan untuk mempelajari sifat optik

adalah UV-Vis. Spektrum reflektansi dari keempat sampel nanopartikel Cr-doped

ZnO ditunjukkan pada gambar 3 dan tabel 2 menunjukkan nilai energy gap (Eg)

pada setiap sampel. Terjadinya absorbansi pada panjang gelombang 400-800 nm

menunjukkan kemampuan optik sampel Cr-doped ZnO berada pada hampir

seluruh jangkauan cahaya tampak. Dan dari tabel 2 terlihat bahwa nilai energy

gap (Eg) yang dimiliki sampel menurun dari 3.28 eV sampai 3.18 eV.

Gambar 4. Spektrum hasil karakterisasi ESR (Electron Spin Resonance) sampel

Cr-doped ZnO dengan empat variasi konsentrasi.


8

Tabel 3. Nilai g hasil dekonvolusi spektrum ESR sampel nanopartikel Cr-doped

ZnO dengan empat variasi konsentrasi.

Sampel g

3 at.%Cr-doped ZnO 1.9800




Selain karakterisasi UV-Vis untuk mempelajari sifat optik, pada penelitian

ini juga telah dilakukan karakterisasi ESR (Electron Spin Resonance) dan VSM

untuk mempelajari sifat magnetik dari Cr-doped ZnO. Hasil karakterisasi ESR

yang diperoleh berupa spektrum ESR untuk sampel nanopartikel Cr-doped

ZnOdengan empat variasi konsentrasi dapat dilihat pada gambar 4. Karakterisasi

ESR ini dilakukan untuk mengetahui jumlah elektron tidak berpasangan di dalam

sampel nanopartikel Cr-doped ZnO dan keadaan oksidasi yang dapat

menggambarkan sifat magnetik sampel tersebut. Faktor g untuk setiap sampel

nanopartikel Cr-doped ZnO tercantum pada tabel 3 merupakan karakteristik ion

Cr3+ [35] dan oxygen vacancy [36].

Pembahasan terakhir mengenai hasil karakterisasi VSM (Vibrating Sample

Magnetometer). Karaktersasi ini dilakukan untuk mengetahui sifat magnetik yang

dimiliki setiap sampel Cr-doped ZnO yang saling berbeda konsentrasi dopannya.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar 15, terlihat sifat magnet yang dimiliki

sampel Cr-doped ZnO dengan konsentrasi 7, 12 dan 16 at.% berupa

ferromagnetik. Pada gambar tersebut terlihat adanya perubahan kurva M-H dari

konsentrasi dopan yang rendah sampai yang tinggi. Nilai momen/Cr meningkat

seiring peningkatan konsentrasi dopan. Hal tersebut mengindikasi peningkatan

sifat ferromagnetik seiring peningkatan konsentrasi dopan Cr pada ZnO.


9

Gambar 5. Spektrum hasil karakterisasi VSM (Electron Spin Resonance)

sampel Cr-doped ZnO dengan empat variasi konsentrasi.

Sifat ferromagnetik dibedakan sebabnya menjadi dua yaitu, fase kedua

yang merupakan ferromagnetik ekstrinsik dan ferromagnetik intrinsik [27]. Pada

penelitian ini, hasil karakterisasi XRD tidak menunjukkan terdapatnya fase kedua

berupa fase CrO2 yang memiliki sifat ferromagnetik [24] atau fase lainnya seperti

logam Cr, Cr2O3, Cr3O4 atau ZnCr2O4 yang memiliki sifat antiferromagnetik [24]

untuk sampel Cr-doped ZnO dengan konsentrasi 3-16 at.%. Hal tersebut

menunjukkan penyebab timbulnya sifat ferromagnetik pada sampel Cr-doped ZnO

dengan konsentrasi dopan 7, 12 dan 16 at.% bukan berasal dari fase kedua yang

terkait Cr. Sehingga alasan yang tepat untuk menjelaskan sifat magnetik yang

diperoleh pada penelitian ini berupa ferromagnetik intrinsik. Data pada penelitian

yang telah dibahas sebelumnya pada karakterisasi XRD menunjukkan terdapatnya

defect pada sampel Cr-doped ZnO akibat doping Cr. Selain itu, telah dikonfirmasi

melalui karakterisasi ESR bahwa pada keempat sampel terdapat sinyal yang

menunjukkan kontribusi elektron tidak berpasangan yang terperangkap pada

oxygen vacancy. Berdasarkan hal tersebut, sifat ferromagnetik yang diperoleh

pada Cr-doped ZnO dalam penelitian ini mungkin disebabkan oleh defect dan

doping Cr yang dapat digambarkan dengan model BMP.


10

Model BMP dijelaskan oleh Coey dkk pada publikasinya pada tahun 2005.

Mekanisme yang terjadi pada BMP seperti yang ditunjukkan pada gambar 6

berupa kehadiran polaron yaitu elektron yang terlokalisasi akibat defect (misalnya

oxygen vacancy). Defect tersebut mungkin terbentuk dalam upaya mencapai

kenetralan muatan akibat dilakukannya pendopingan. Polaron tersebut akan

terpolarisasi akibat momen magnet yang dihasilkan ion dopan. Jika polaron-

polaron tersebut saling tumpang-tindih, maka akan terjadi interaksi antara momen

magnet spin dari polaron-polaron tersebut dan menghasilkan sifat ferromagnetik

[37].

Gambar 6. Skematik model BMP (bound magnetic polaron)

Daftar Acuan

[1] Zunger, Alex, Lany, Stephan, dan Raebiger, Hannes. (2010). The quest for

dilute ferromagnetism in semiconductors: Guides and misguides by theory.

Physics 3, 53.

[2] C. J. Lan, et al. (2010). Cr-doped ZnO prepared by electrochemical

deposition. Journal of The Electrochemical Society, 157, D559-D563.

[3] Y. H. Jeong, et al. (2004). A critical examination of room temperature

ferromagnetism in transition metal-doped oxide semiconductors. Journal of

Magnetism and Magnetic Materials, 272-276, 1976-1980.


11

[4] K. Ueda, H. Tabata, T. Kawai (2001). Magnetic and Electric Properties of

Transition-Metal-Doped ZnO Films. Applied Physics Letters, Vol. 79, No. 7, 988.

[5] Lojkowski, Witold, et al. (2002). Solvothermal synthesis of

nanocrystalline zinc oxide doped with Mn2+, Ni2+, Co2+ and Cr3+ ions. J Nanopart

Res, 11, 1991-2002.

[6] Yang Liu, et al. (2009). Effects of Cr-doping on the optical and magnetic

properties in ZnO nanoparticles prepared by sol-gel method. Journal of Alloys and

Compuonds, 486, 835-838.

[7] H. Li, et al. (2007). Observation of ferromagnetism at room temperature

for Cr+ ions implanted ZnO thin films. Applied Surface Science, 253, 8524-8529.

[8] Pivin, J. C., et al. (2008). Structure and magnetic properties of ZnO films

doped with Co, Ni, or Mn synthesized by pulsed laser deposition under low and

high oxygen partial pressures. Thin Solid Films, 517, 916-922.

[9] Bhargava, Richa, et al. (2011). Variation in structural, optical and

magnetic properties of Zn1-xCrxO (x=0.0, 0.10, 0.15, and 0.20) nanoparticles:Role

of dopant concentration on non-saturation of magnetization. Materials Chemistry

and Physics, 125, 664-671.

[10] Roberts, Bradley K., et al. (2005). Ferromagnetic Cr-doped ZnO for spin

electronics via magnetron sputtering. Journal of Applied Physics, 97, 10D310.

[11] K. –J. M. Coey, M. Venkatesan, C. B. Fitzgerald. (2005). Nat. Mater., 4,

173.

[12] X. Pang, et al. (2011). Room temperature ferromagnetism in sputtered Zn1-

xCrxO thin films. Materials Letters, 65, 2728-2730.

[13] J. Elanchezhiyan, et al. (2009). Investigations of the properties of Zn1-

xCrxO thin films grown by RF magnetron sputtering. Journal of Alloys and

Compounds, 478, 45-48.


12

[14] X. Pang, et al. (2011). Room temperature ferromagnetism in sputtered Zn1-

xCrxO thin films. Materials Letters, 65, 2728-2730.

[15] J. Elanchezhiyan, et al. (2009). Realization of room temperature

ferromagnetism in Zn1-xCrxO thin films grown by RF magnetron sputtering.

Journal of Alloys and Compounds, 468, 7-10.

[16] Q. Wang, Q. Sun, P. Jena, Y. Kawazoe. (2005). Appl. Phys. Lett., 87,

162509.

[17] K. R. Kittilstved, D. A. Schwartz, A. C. Tuan, S. M. Heald, S. A.

Chambers, D. R. Gamelin. (2006). Phys. Rev. Lett., 97, 037203-4.

[18] D. A. Reddy, et al. (2012). Effect of annealing temperature on optical and

magnetic properties of Cr doped ZnS nanoparticles. Solid State Communucations,

152, 596.

[19] C. Xu, et al. (2008). Buckling and ferromagnetism of Aligned Cr-doped

ZnO Nanorods. J. Phys. Chem. C, 112, 19236.

[20] C. Solliard dan M. Flueli. (1985). Surface Science, 156, 487.

[21] P. Sharma, A. Gupta, K. V. Rao, F. J. Owens, R. Sharma, R. Ahuja, J. M.

O. Guillen, B. Johansson, G. A. Gehring. (2003). Nat. Mater., 2, 673.

[22] H. Wang, H. B. Wang, F. J. Yang, Y. Chen, C. Zhang, C. P. Yang, Q. Li,

S. P. Wong. (2006). Nanotechnology, 17, 2567.

[23] Dewei Chu, Yu-Ping Zeng, dan Dongliang Jiang. (2007). Synthesis and

growth mechanism of Cr-doped ZnO single-crystalline nanowires. Solid State

Communication, 143, 308-312.

[24] K. Sato, Y. H. Katayama. (2001). Physica B, 904, 308-310.

[25] H. Liu, X. Zhang, L. Y. Li, Y. X. Wang, K. H. Gao, Z. Q. Li, R. K. Zheng,

S. P. Ringer, B. Zhang, X. X. Zhang. (2007). Appl. Phys. Lett., 91, 072511.

[26] M. Venkatesan, C. B. Fitzgerald, J. G. Lunney, dan J. M. D. Coey. (2004).

Phys. Rev. Lett., 94, 187204.


13

[27] Singhal, Asmita. (2012). Study of electronic and magnetic properties of

vacuum annealed Cr doped ZnO. Journal of Alloys and Compounds, 515, 12-15.

[29] K. Jayanthi, et al. (2010). Fabrication of Luminescent, Magnetic Hollow

Core Nanospheres and Nanotubes of Cr-Doped ZnO by Inclusive Coprecipitation

Method. J. Phys. Chem. C, 114, 18429.

[30] H. S. Shin, J. Yu, J. Y. Song, dan H. M. Park. (2009). Appl. Phys. Lett.,

94, 011906.

[31] Y. Liu, et al. (2011). Intrinsic ferromagnetic properties in Cr-doped ZnO

diluted magnetic semiconductors. Journal of Solid State and Chemistry, 184,

1273.

[32] Y. M. Hu, et al. (2008) The morphology and optical properties of Cr-

doped ZnO thin films grown using the magnetron co-sputtering method. Applied

Surface Science, Vol. 254,3873-3878.

[33] T. Ivanova, K. A. Gesheva, P. Sharlandjiev, A. Koserkova-Georgieva,

Surface & Coatings Technology, 201 (2007) 9313.

[34] P. M. Sousa, A. J. Silvestre, N. Popovici, M. L. Parames, O. Conde, Mat.

Sci. Forum 20 (2004) 455.

[35] A. F. Junior dan R. C. Santana, Material Chemistry and Physics 120

(2010) 225-228.

[36] McCluskey, M. D.. (2009). Defects in ZnO. Journal of Applied Physics

,106, 071101.

[37] Yao-chung Tsao. (2010). Growth and physical study of ZnO:Co DMO thin

films.


santi septiani-skripsi-fakultas matematika dan ilmu

Documents