Article Details

PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS TiO2 DENGAN METODE MOCVD UNTUK APLIKASI SENSOR GAS HIDROGEN

Oleh   MUHAMMAD ARIEF MUSTAJAB ENHA MARYONO (NIM: 20215015)
Kontributor / Dosen Pembimbing : Pembimbing : Pepen Arifin, Ph.D.
Jenis Koleksi : S2 - Tesis
Penerbit :
Fakultas :
Subjek :
Kata Kunci : hidrogen, lapisan tipis TiO2, MOCVD, sensor gas
Sumber :
Staf Input/Edit : Ratnasari  
File : 7 file
Tanggal Input : 2017-09-27 14:41:07

Gas hidrogen memiliki potensi sebagai medium pembawa energi alternatif yang bersih untuk mengurangi penggunaan bahan bakar minyak. Melalui teknologi sel bahan bakar gas hidrogen dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar untuk sektor transportasi dan pembangkit listrik. Akan tetapi untuk dapat mewujudkan era bahan bakar hidrogen masih terkendala persepsi publik pada keamanan penggunaan gas hidrogen mengingat bahwa gas hidrogen merupakan salah satu jenis gas yang mudah terbakar. Maka dari itu perlu dikembangkan suatu sensor gas yang mampu mendeteksi konsentrasi gas hidrogen. Salah satu jenis sensor gas yang dikembangkan adalah sensor gas berbasis semikonduktor oksida logam transisi. Jenis sensor gas ini mampu mendeteksi gas hidrogen di lingkungan atmosfer, serta struktur perangkat yang sederhana. Salah satu pengembangan material yang digunakan sebagai elemen sensor gas yaitu TiO2 dengan melakukan rekayasa struktur kristal dan morfologi permukaan. Pada penelitian ini dilakukan penumbuhan lapisan tipis TiO2 dengan metode MOCVD untuk membuat sensor gas hidrogen. Karakteristik lapisan tipis TiO2 diidentifikasi terhadap parameter penumbuhan. Lalu performa sensor gas dikaitkan dengan karakteristik fisis dari elemen sensor. Lapisan tipis TiO2 ditumbuhkan dengan metode MOCVD menggunakan prekursor Titanium Tetra Isopropoksida (TTIP) di atas substrat Si(100). Lapisan tipis TiO2 ditumbuhkan dengan berbagai nilai temperatur substrat dari 300 oC hingga 500 oC. Lapisan tipis dikarakterisasi menggunakan XRD, SEM, serta EDS. Lapisan tipis TiO2 yang ditumbuhkan dengan temperatur 300 oC memiliki fase kristal anatase dengan orientasi tunggal yang dominan pada arah (213), tumbuh dengan ketebalan 71 nm, memiliki ukuran butir kristal yang tidak seragam antara 20 – 40 nm, serta memiliki komposisi atom Ti:O yang tepat 1:2. Sementara pada pada lapisan tipis dengan temperatur substrat 400 oC dan 500 oC, lapisan tipis TiO2 tumbuh dengan struktur polikristal dengan fase kristal campuran anatase dan rutile, memiliki ketebalan 103 dan 381 nm, dengan ukuran butiran kristal yang relatif lebih seragam antara 30 – 40 nm, serta terdapat kekurangan atom oksigen (oxygen vacancies) akibat terbentuk spesies ion Ti3+ pada lapisan tipis TiO2. Temperatur substrat dapat mempengaruhi karakteristik fisis lapisan tipis TiO2 meliputi fase dan orientasi kristal, ukuran butir kristal, ketebalan lapisan, serta komposisi atom lapisan tipis TiO2.Sensor gas hidrogen dibuat menggunakan elemen sensor lapisan tipis TiO2 dan lapisan elektroda yang telah diberi pola. Material elektroda yaitu campuran logam Pt/Au yang dideposisi menggunakan teknik evaporasi termal. Lapisan elektroda dibentuk pola menggunakan alat teknik ion beam lithography. Sensor gas hidrogen diberi label sensor A, B, dan C untuk lapisan tipis dengan temperatur 300 oC, 400 oC, dan 500 oC. Sensor gas diuji pada nilai temperatur ruang hingga 150 oC serta diukur pada berbagai nilai konsentrasi gas hidrogen yaitu dari 1.000 ppm hingga 10.000 ppm. Dari hasil pengukuran dan pengujian performa sensor gas hidrogen dilakukan interpretasi dan analisa pada karakteristik performa sensor mencakup dinamika respon, parameter metrologi, serta karakteristik statis terhadap karakteristik fisis dari lapisan tipis TiO2 sebagai elemen sensor gas. Respon ketiga sensor gas hidrogen meningkat pada saat temperatur operasi dinaikkan hingga pada temperatur tertentu lalu menurun seiring dengan meningkatnya temperatur. Sensor A menghasilkan respon yang lebih tinggi karena memiliki ukuran butir kristal yang lebih kecil serta fase dan orientasi kristal yang seragam. Temperatur operasi optimal dari sensor gas A yaitu 100 oC dengan memberikan respon tertinggi sebesar 32,15 % dan memiliki waktu respon 91 s serta waktu recovery sebesar 99 s. Waktu respon dan recovery dari sensor gas menurun atau semakin cepat seiring dengan meningkatnya temperatur. Respon waktu (transient) dari sensor gas A menunjukkan respon yang berbeda pada berbagai nilai konsentrasi gas. Respon sensor gas menunjukkan hubungan pangkat setengah terhadap nilai konsentrasi gas. Sehingga terdapat saturasi dari nilai respon sensor terhadap konsentrasi gas hidrogen. Sensor gas hidrogen menggunakan lapisan tipis TiO2 yang ditumbuhkan dengan metode MOCVD telah dibuat dan mampu memberikan respon. Lapisan tipis TiO2 dengan ukuran butiran kristal yang kecil serta orientasi kristal seragam dapat memberikan respon terhadap gas hidrogen yang lebih tinggi.