Aplikasi material oksida sebagai gas sensor

Material oksida merupakan senyawa oksida-logam dengan karakter strukturnya berikatan kovalen. Banyak ragam dari material oksida semisal, TiO2, ZrO2, ZnO, SnO2 dan lain-lain. Dikarenakan berstruktur kovalen, material oksida disebut dengan keramik (ceramics). Dalam bentuk thin filmnya (lapis tipisnya), material oksida ini transparent terhadap cahaya dikarenakan band gapnya yang moderate. Khusus untuk ZnO dan SnO, memiliki sifat konduktif (lebih tepatnya semikonduktif) sehingga diaplikasikan untuk transparent conducting oxide (TCO) pada layar LCD, LED, electrochromic windows (jendela yang bisa mengatur dirinya menjadi transparans-gelap) hingga lapisan pertama pada sel surya lapis tipis (thin film solar cell).ZnO, merupakan salah satu material oksida yang paling mendapat perhatian. Hal ini dikarenakan jumlahnya melimpah, murah dan tidak berbahaya. ZnO dapat di pakai sebagai TCO, piezoelectric transducer (pengubah gaya tekanan menjadi arus listrik dan vice versa) serta gas sensor.

Kemampuan material oksida (dan ZnO) sebagai sensor gas, memerlukan perhatian khusus pada structural property (karakteristik struktur) yang dapat dianalisa melalui SEM/Scanning Electron Microscope. Biasanya, struktur material oksida yang dibutuhkan ialah yang kristalin. Kristalin dalam hal ini sama artinya dengan kristalin sebagaimana pada logam. Strukturnya berulang dalam periode terntentu dan dalam tiga dimensi. Utk mengetahu kualitas kristal material, kita dapat menggunakan X-Ray Diffractometer (XRD).

Melalui pengamatan SEM, kristal dapat dilihat sebagai kumpulan butiran (grains). Grain ini bisa besar bisa kecil ukurannya. Kristalinitas material oksida bisa tinggi apabila grainnya besar, begitu pula sebaliknya. Grain ini dalam pertumbuhannya “terhenti” oleh pertumbuhan grain yang lain. Batas antara butir dalam dunia material ini disebut dengan batas butir/grain boundary. Batas butir terjadi karena adanya pertumbuhan butir kristal.

Apabila butir kristal tumbuh kemudian bertemu dengan butiran kristal lain yang berbeda orientasi kristalnya maka terjadilah batas butir. Pada gas sensor material, batas butir inilah yang mengambil peranan. Chemisorbed oksigen terjadi pada batas butir ini dikarenakan surface energy (energi permukaan) pada batas butir yang lebih tinggi dari butir/kristal. Oksigen lebih mudah terdifusi dan terabsorb ke daerah batas butir.
Selain itu ada satu sisi lain yang sama pentingnya pada gas sensor. Yaitu charge neutrality dari material keramik/yang berikatan kovalen. Dikarenakan keramik ialah material yang berikatan kovalen dan/atau ionic dan ikatan kovalen dan ionik itu sendiri merupakan ikatan yang melibatkan kation (ion bermuatan positip) dan anion (ion bermuatan negatip), maka kestabilan material keramik ditentukan oleh kenetralan muatan (charge neutrality).

Kestabilan muatan ditandai dengan stoikiometri material. Jadi misalnya material ZnO memiliki rasio Zn dengan O 1 : 1,pada SnO2 ialah Sn : O = 1:2 dst. Secara kuantitatif, hal ini bisa diukur dengan menghitung jumlah persen atom berat masing2 unsur.
Namun, tidak ada material yang sempurna, sehingga selalu ada deviasi dari nilai stoukiometri tsb. Untungnya, justru ini ialah hal yang menguntungkan. Deviasi stoikiometri bisa terjadi sebagai berikut; ada salah satu unsur yang berlebih dan/atau berkurang. Sebutlah lagi misalnya ZnO, ZnO yang ideal memiliki perbanidngan stoikiometri 1:1 atau 50% berat atom Zn dan 50% berat atom O. Kenyataan dilapangan, terjadi kelebihan Zn (Zn excess), kekeurangan Zn (Zn deficiency), kekurangan oksigen (oxygen deficiency) atau kelebihan oksigen (oxygen excess).

Kelebihan unsur bisa terjadi selama pemrosesan material, begitu pun kekurangan unsur. Dalam kasus ZnO, kelebihan Zn (atau O) terjadi krn ada unsur tambahan Zn (atau O) yang ‘nyelip’ (ber-interstice) di struktur kristal ZnO, dan kekurangan Zn (atau O) terjadi ketika ada kekosongan (vacancy) Zn (atau O) dari posisi semula di kristal ZnO.
Dikarenakan material keramik itu harus netral (prinsip charge neutrality), maka kelebihan (dan kekurangan) ini harus dikompensasikan. Kompensasinya berupa munculnya electron bebas atau hole. (Untuk lebih detailnya bisa pelajari Defect Chemistry pada keramik).

Nah, electron dan hole jelas merupakan factor utama penyebab konduktifitas sebuah material, begitu pula pada material oksida.
Berkaitan dengan konduktifitas, ada kalanya mekanisme doping diperlukan. Doping ialah menambahkan sejumlah kecil material agar sifat konduktifitas material meningkat. Contoh, dengan menambahkan sejumlah kecil alumina (Al2O3) pada ZnO, maka unsur Al akan mensubsitusi Zn. Muatan Al yang +3 akan menggantikan unsur Zn yang bermuatan +2. Maka terjadi kelebihan muatan +1 pada material ZnO. Sehingga, agar tetap menjaga prinsip charge neutrality, maka material secara spontan akan memproduksi elektron yang bermuatan -1, dalam kondisi ini, charge neutrality terpenuhi. Praktisnya, aluminum yang bervalensi 3 menumbang satu electron bebas ketika menggantikan Zn yang bervalensi 2.

Lalu bagaimana mekanisme sensor gas?

Dalam lingkungan yang memiliki kadar oksigen, spesies oksigen lingkungan berdifusi ke material oksida. Oksigen terdifusi ke permukaan batas butir. Jadi semakin banyak batas butirnya, maka semakin besar probabilitas oksigen terdifusi dan terikat di dalam material oksida. Artinya, di dalam gas sensor, kita membutuhkan butiran kristal yang kecil-kecil.

Terdifusinya oksigen ke dalam material oksida dikarenakan adanya perbedaan konsentrasi kadar oksigen. Dalam termodinamika, chemical potential akibat perbedaan konsentrasi oksigen di lingkungan dengan oksigen di dalam material oksida-lah yang mendorong oksigen berdifusi ke material oksida.

Oksigen terdifusi ini masuk ke dalam ZnO mengisi kekosongan oksigen (oxygen vacancy) yang sebelumnya sudah ada. Dalam kasus ZrO2 misalnya, sering di doping dengan Ca (kalsium) demi terjadinya kekosongan oksigen. Kerna difusi oksigen ke dalam ZrO2 dapat terjadi manakala ada kekosongan oksigen pada ZrO2 dan semakin banyak kekosongan oksigen pada ZrO2, maka semakin mudah pula oksigen terdifusi ke dalam ZrO2.
Biasanya, gas sensor memiliki reference gas yang di atur pada kandungan oksigen yang tetap setimbang dengan sensor.