Seputar kaca transparan-konduktif oksida – Karakteristik dan pembuatan Indium-Tin Oxide

Selama blog ini saya kelola, ada satu pertanyaan yang cukup sering dituliskan di ruangan komentar soal kaca konduktif (lihat linknya di sini). Yakni bagaimana mendapatkan kaca oksida transparans dan konduktif. Bahasa Inggris untuk kaca ini ialah transparent conducting oxides yang disingkat dengan TCO. TCO ialah material yang sangat penting untuk digunakan dalam berbagai aplikasi teknologi modern. Mulai dari sel surya, layar LCD atau plasma, layar smartphone hingga sensor cahaya. Dapat dikatakan bahwa TCO sudah merupakan bahan dasar wajib untuk membuat pelbagai alat fotonik-elektronika.  Sayang sungguh sayang, TCO sangat sulit untuk didapatkan di Indonesia. Hal ini berdampak pada mandegnya penelitian dalam bidang aplikasi di atas di universitas, terutama penelitian sel surya.

Melengkapi tulisan sebelumnya pada link di atas, artikel ringan ini mencoba memberikan kesan mengenai apa sebenarnya kaca konduktif-transparan itu berikut seputar karakteristiknya di akhiri dengan proses pembuatan TCO sekaligus memberikan gambaran mengapa kaca konduktif TCO sulit ditemukan di Indonesia. Ada baiknya kita mulai dari material TCO terpopuler alias yang paling banyak digunakan dan dibuat, yakni Indium-Tin-Oxide (ITO).

Dapat dikatakan bahwa TCO sudah merupakan bahan dasar wajib untuk membuat pelbagai alat fotonik-elektronika.  Sayang sungguh sayang, TCO sangat sulit untuk didapatkan di Indonesia. Hal ini berdampak pada mandegnya penelitian dalam bidang aplikasi di atas di universitas, terutama penelitian sel surya.

Paling populer

ITO tidak salah lagi merupakan TCO yang paling populer karena sifat transparansi dan konduktifitas yang superior di antara material oksida lain.  Transparansinya bisa mencapai 80-85% kaca atau gelas, alias benar-benar tembus pandang, apalagi yang memiliki ketebalan yang sangat tipis. Memiliki sheet resistance biasanya 10 Ohm/Sq atau memiliki resistivitas dalam skala 10-4 Ohm.cm. Dua karakteristik ITO inilah yang sering dijadikan benchmark alias patokan seberapa bagus sebuah TCO. ITO ini paling banyak digunakan untuk aplikasi layar LCD LED atau layar sentuh di smartphone.  Kalau kita googling, akan banyak kita temui sketsa melintang dari produk-produk elektronik seperti sel surya atau LCD yang menunjukkan pemakaian lapisan ITO, misal gambar di bawah ini yang dapat ditemui di web. Istilah kaca konduktif sebenarnya kurang tepat karena kaca di sini hanya sebagai substrat yang dilapisi oleh lapisan tipis material TCO sebagaimana akan dijelaskan nanti.

ITO on devices

Gambar pemakaian ITO pada produk teknologi; (searah jarum jam) LCD, Dye-sensitized Solar Cell (DSSC), LCD, dan sel surya organic/polimer. Perhatikan bagian dengan sebutan ITO, TCO atau transparent electrode.

ITO pada dasarnya tersusun dari In2O3 (Indium oksida (indium oxide)) yang di-doping atau ditambah dengan 10% SnO2 (timah oksida(tin oxide)). In2O3 sebenarnya sudah memilki  karakteristik dasar transparans-konduktif. Namun penelitian yang panjang telah membuktikan bahwa penambahan 10-15% SnO2 mampu meningkatkan konduktifitas secara signifikan. Sebagaimana TCO pada umumnya, ITO memiliki band gap kurang lebih 3,0 eV (electron-Volt) yang membuatnya tembus pandang (lihat link di atas yang juga memuat penyebab tembus pandangnya ITO atau TCO secara umum). Sedangkan penambahan SnO2 meningkatkan jumlah electron di dalam ITO sehingga berujung pada sifat konduktifitas total ITO.

Teori konduktifitas pada ITO

Untuk mengenal penyebab yang membuat ITO konduktif, kita perlu mempelajari sedikit soal defect chemistry. Saya sendiri kurang paham bagaimana menerjemahkan nama disiplin ilmu ini ke dalam bahasa Indonesia. Defect dalam ilmu material merujuk pada “cacat” di dalam struktur kristal yakni kondisi di mana struktur kristal tidak seperti kondisi yang ideal. Misalnya, satu atau beberapa atom hilang dari struktur kristal, atau adanya atom asing/pengotor yang masuk di dalam sebuah kristal, atau susunan atom-atomnya tidak berada pada tempat semestinya. Maksud defect chemistry di sini ialah studi reaksi kimia yang menyertai hilangnya atom di dalam sebuah struktur kristal atau yang menyertai adanya penambahan atom asing ke dalam struktur kristal. Lantas untuk memahami defect chemistry, perlu pula melihat struktur kristal dari molekul yang menjadi obyek pembahasan, dalam hal ini struktur kristal ITO.

ITO memilki struktur dasar kristal kubik In2O3 yang mengikuti struktur kristal mineral bixbyite. Distribusi atom Indium (In, putih) dan Oksigen (O, merah) terdistribusi di dalam struktur kristal dapat di lihat di internet, sebagaimana saya copas dari Wikipedia di bawah ini. Penambahan 10-15% SnO2 tidak merubah struktur kristal In2O3 karena jumlah SnO2 yang ditambahkan relatif sedikit. Sn dan oksigen (O) dari SnO2 hanya akan menempati ruang-ruang kosong di dalam struktur byxbyite atau menempati posisi dan sekaligus mensubstitusi atom In dan O di dalam struktur bixbyite tersebut. Untuk mempermudah mempelajari struktur bixbyite, kita cukup menelaah struktur yang disederhanakan yang dapat mewakili kompleksitas struktur di gambar awal. Ilmu mengenai kristal (kristalografi) menyebut struktur yang disederhanakan ini sebagai unit cell. Struktur bixbyite tadi sejatinya hanya pengulangan dari unit cell.

  Bixbyite

Bixbyite unit cell

 Gambar struktur kristal Bixbyite (atas) dan unit cell dari struktur yang sama (bawah).

Terlihat bahwa Indium oksida memiliki struktur kristal dengan satu kation In dikelilingi oleh atom-atom anion O. Namun, terlihat juga bahwa ada dua posisi kosong yang semestinya ditempati oleh O yang disebut dengan kekosongan atom (vakansi).  Di tempat kosong inilah baik Sn maupun O dari SnO2 dapat “hinggap”, atau saya istilahkan dengan penyisipan. Selain itu, masih ada kemungkinan lain bahwa atom Sn akan mengganti In, yakni atom Sn menempati posisi atom In di dalam struktur kristal (substitusi).

Adanya penambahan / doping atom asing (Sn) di dalam struktur In2O3 ini membawa beberapa konekusensi sesuai dengan skenario bagaimana atom-atom Sn berinteraksi dengan atom-atom In. Skenario pertama ialah substitusi atom In dengan atom Sn dan penyisipan atom O.

Penambahan Sn di dalam kristal In2O3  membawa keumgkinan bahwa atom Sn dapat menggantikan atom In (disimbolkan dengan SnIn).  Dikarenakan perbedaan muatan antara atom  Sn (bermuatan positif 4 karena berasal dari SnO2) dan atom In (bermuatan positif 3 karena berasal dari In2O3), maka struktur kristal bixbyte akan kelebihan muatan positif 1. Ini disimbolkan dengan SnIn* dengan * ialah positif 1 (positif 2 diberi simbol **, positif 3 sebagai ***, dst –pen). Dikarenakan stuktur kristal manapun harus memiliki muatan total 0 (nol) alias netral, maka konsekuensi dari adanya kelebihan muatan positif 1 ini ialah lepasnya satu elektron (simbol e, bermuatan negatif 1). Lepasnya elektron ini tidak lain sebenarnya untuk mengkompensasi berlebihnya muatan positif di dalam struktur kristal bixbyte akibat penambahan satu atom Sn serta untuk menjaga muatan total kristal tetap netral.

Defect dalam ilmu material merujuk pada “cacat” di dalam struktur kristal yakni kondisi di mana struktur kristal tidak seperti kondisi yang ideal.

Kita lihat sekarang apa yang terjadi dengan penzisipan O pada struktur bixbyte (simbol Oi). Kekosongan atom di dalam struktur kristal ini memiliki muatan 0 (nol). Jika terdapat atom O yang mengisi kekosongan tersebut, maka terjadi perubahan muatan total pada struktur kristal, yakni dari nol (kekosongan) menjadi negatif 2 (muatan O pada SnO2 ialah negatif 2). Situasi ini disimbolkan dengan Oi‘‘, dengan simbol ‘‘ penanda muatan negatif dua. Dikarenakan struktur kristal harus bermuatan total nol atau netral, maka konsekuensi dari kelebihan muatan negatif 2 ialah munculnya hole (simbol h, pembawa muatan positif) yang bermuatan positif 2.

Yang menjadi rumit ialah, penelitian menunjukkan baik SnIn** dan Oi‘‘ saling meniadakan. Alias dua elektron dan dua hole sama sama saling menetralkan.  Hanya saja, [SnIn**Oi‘‘] ini tidak stabil yang ditandai dengan lepasnya oksigen meninggalkan SnIn** sendirian. Di sini akhirnya SnIn** menjadi sumber donor yang meningkatkan jumlah elektron bebas di dalam struktur kristal bixbyte serta menjelaskan mengapa ITO memiliki konduktifitas relatif tinggi.

Seluruh proses di atas dapat diringkas dengan notasi defect chemistry di bawah ini :

Defect chemistry

Cara membacanya :

„Penambahan SnO2 pada In2O3 menghasilkan :
(1) substitusi dua atom In oleh dua atom Sn yang menghasilkan muatan positif dua,
(2) penyisipan satu atom O di lokasi kosong di dalam struktur bixbyite yang menghasilkan muatan negatif dua, dan
(3) substitusi atom O pada In2O3 oleh atom O dari SnO2 tanpa perubahan muatan.
Reaksi dilanjutkan dengan
(4) lepasnya O menjadi gas O2 yang menyebabkan SnIn memberi muatan negatif dua untuk kristal bixbyite. Untuk menjaga kristal agar tetap netral, maka konsekuensinya
(5) dua elektron terlepas dari kristal“.
Catatan : Notasi 2 pada SnO2 didapat bersadarkan hasil penelitian.
Notasi defect chemistry diambil dari T.O. Mason et al. Thin Solid Films 411 (2002) 106–114

Apakah masih ada skenario lain yang dapat pula menjelaskan teori konduktifitas ITO? Ya ada. Publikasi-publikasi ilmiah lain melaporkan bahwa defect chemistry di atas ialah bukan mekanisme satu satunya untuk menjelaskan asal mula sifat konduktifitas ITO. Masih banyak versi empiris lain yang juga didukung oleh hasil-hasil eksperimen yang sama-sama valid.

Pembuatan lapisan ITO

Cara paling umum yang digunakan untuk membuat ITO ialah dengan menggunakan teknik “pengendapan uap”. Dikenal dalam bahasa sains sebagai physical vapor deposition (PVD). Prinsipnya ialah dengan pertama menguapkan material ITO dan kemudian mengendapkan uap tersebut ke atas substrat. Substrat ini biasanya berupa kaca preparat,sama dengan kaca mikroskop biologi. Pemilihan substrat kaca ini menjadi cukup beralasan mengingat aplikasi TCO pada umumnya ialah sebagai pelapis yang harus dapat ditembus cahaya, misal pada layar LCD.

Istilah „uap“ di sini sama dengan kata pada „uap air“. Yakn merujuk pada fasa gas atau uap. Namun berbeda dengan proses penguapan air, proses pembuatan ITO tidak melalui proses pencairan, melainkan lebih cenderung melalui proses sublimasi, yakni perubahan fasa dari padat langsung ke fasa gas/uap. Uap ITO ini yang akhirnya menempel di atas substrat kaca, yang kemudian terkondensasi, mengendap dan akhirnya menghasilkan sebuah lapisan tipis ITO di atas substrat kaca.

Salah satu teknik PVD yang terbilang sukses membuat ITO di atas substrat kaca ialah sputtering. Di dalam sputtering, terdapat material ITO sebagai target, dan kaca sebagai substrat, tempat di mana ITO hendak diendapkan. Istilah sains yang merujuk untuk kata pengendapan ialah deposition. Kadang orang Indonesia meng-Indonesia-kannya sebagai deposisi dengan beragam varian kata kerja atau benda; pendeposisian, terdeposisi, mendeposisi, atau deposit (endapan). (Serius, ini bukan latah akibat efek Vicky Prasetyo!).

Teknik sputtering membutuhkan ruang hampa udara alias vakum. Hal ini disebabkan karena proses penguapan dan pengendapan ITO dapat berlangsung efektif jika tidak ada penghalang antara target ITO dengan substrat kaca. Selain itu juga, proses penguapannya hanya dapat dilakukan di dalam vakum. Jika ingin melihat skema proses sputtering, dapat lebih mudah melalui diagram di bawah ini.

DC Sputtering

Skema prinsip kerja dan alat sputtering jenis direct-current (DC)
yang dipakai dalam pembuatan lapisan ITO di atas Substrat kaca.

Setelah udara di dalam chamber dikeluarkan melalui pompa vakum (cara kerja pompa ini mirip dengan pompa penghisap udara pada vacuum cleaner), maka gas mulia Argon (Ar) dialirkan ke dalam chamber hingga chamber hanya terisi oleh gas Ar dalam jumlah atau tekanan tertentu. Biasanya, tekanan di dalam chamber sangat rendah, sekitar 10-3 Torr atau seratus ribu lebih kecil dari tekanan ruang.  Ketika power supply dinyalakan, gas-gas Ar ini akan terionisasi atau melepas elektron-elektronnya, menghasilkan pasangan kation Ar+ (bermuatan positif 1) dan anion e (elektron, bermuatan negatif 1).

Salah satu teknik PVD yang terbilang sukses membuat ITO di atas substrat kaca ialah sputtering. Di dalam sputtering, terdapat material ITO sebagai target, dan kaca sebagai substrat, tempat di mana ITO hendak diendapkan.

Berhubung material target ITO merupakan kutub negatif atau dijadikan sebagai katoda, secara otomatis kation Ar+ akan menuju target dan membombardir permukaan target ITO. Sputtering memberikan power supply yang cukup agar kation Ar+ dapat membombardir permukaan target sekaligus melepas atom-atom In, Sn dan O dari permukaan target. Atom-atom In, Sn dan O dari permukaan target kemudian terlepas dan „terbang“ menuju ke arah substrat kaca dan akhirnya mengendap di sana. Endapan atau deposit In, Sn dan O ini akan tersusun sendirinya menjadi lapisan tipis ITO dengan komposisi yang sama dengan komposisi target ITO, yakni sama-sama mengandung 10-15% SnO2.  Di sini akhirnya terlihat jelas bahwa teknik penguapan atau sublimasi merujuk pada proses transportasi atom-atom In, Sn dan O dari permukaan target karena hakikat atom-atom tersebut mirip dengan atom-atom H dan O pada proses penguapan air.

Seperti yang diketahui, ITO nyaris tembus pandang seperti kaca (lihat gambar di bawah). Selain karena karakteristiknya, lapisan ITO yang didepositkan di atas substrat kaca pun sangat tipis.

ITO

Jika ingin melihat secara detil lapisan ITO di atas substrat kaca hasil proses sputtering, dapat melihat gambar miskroskop elektron seperti juga yang di bawah ini hasil googling. Terlihat bahwa ketebalan lapisan tipis ITO hanya berkisar 200 nanometer (dua ratus per sepuluh juta centimeter). Bagian gelap di bawahnya ialah substrat kaca sedangkan lapisan ITO di atas kaca terlihat dengan struktur kolom layaknya bebatuan.

ITO C ross

Membuat ITO sendiri ?

Setelah menjelajah soal karakteristik dari ITO dan proses pembuatannya, kita berakhir pada tujuan dituliskannya artikel ini: membuat ITO sendiri. Bisakah ?

Saya jawab bisa. Namun dengan banyak catatan agar tidak mubazir.

Jika ingin melakukan penelitian soal TCO itu sendiri, saya kira membuat ITO atau TCO secara umum akan sangat berfaedah. Dengan catatan, hal ini dilakukan untuk orientasi jangka menengah-panjang. Maksudnya, membuat ITO musti dilanjutkan dengan pembuatan material lain agar nilai ITO hasil sendiri itu lebih fungsional. Misal, untuk membuat riset sel surya yang memang hampir selalu membutuhkan material TCO dalam kuantitas yang cukup banyak. Dengan catatan memang harus ditopang dengan alat sputtering yang memadai. Sekedar info, sputtering berikut fasilitas vakum nya bukan alat sekelas mikroskop biologi atau mikroskop metalurgi. Harga alat yang paling murah dan sederhana sekitar 200-juta an (harga murah – mahal itu memang relatif. Gratifikasi dan suap bisa lebih besar dari nilai ini, ironis! -pen).

Spuutering apparatus

Gambar alat sputtering yang dipakai untuk mendeposisi ITO di atas substrat kaca.

Alasan mubazirnya membuat ITO ini karena harga target ITO untuk alat sputtering itu mahal. Jika membuat ITO hanya untuk kebutuhan sesaat seperti riset sel surya tanpa jaminan kontinuitas penelitian, lebih baik saya sarankan membeli ITO di China. Di negara dengan industri layar dan semikonduktor semacam China, kebutuhan material TCO atau ITO sedemikian besar sehingga harga eceran kaca konduktif-transparan cukup terjangkau untuk riset di Indonesia. Kita dapat mendapatkan kaca konduktif-transparan secara massif untuk banyak sampel riset dengan kualitas yang baik pula. Keuntungannya membeli kaca konduktif TCO atau ITO ialah sang peneliti dapat berkonsentrasi lebih pada bagian yang menjadi fokus penelitiannya tanpa perlu khawatir soal karakteristik TCO-nya.

Harga Indium

Diagram pergerakan harga Indium Yang menjadi bahan dasar ITO.
Sumber : Political Thoughts

Kalau ditanya mengapa anjuran saya agak berbau pesimis, itu karena berangkat dari kondisi umum dunia riset Indonesia yang selalu suram jika berbicara soal investasi alat dan dana penelitian. Alat PVD atau sputtering sulit di temui di universitas. Hanya universitas-universitas negeri besar dan lembaga penelitian pemerintah saja yang sepengetahuan saya memiliki alat tersebut. Ketiadaan alat tersebut di sebagian besar universitas di Indonesia secara signifikan menghambat kreatifitas adik-adik mahasiswa S1 maupun S2 yang tengah tertarik dengan topik sel surya (terutama dye sensitized solar cell, DSSC) yang memang secara mutlak membutuhkan kaca transparan-konduktif ini. Jadi ini lah problem mengapa kita sulit mendapatkan kaca transparan-konduktif.  Maka dari itu, saran praktisnya ialah dengan membelinya, jika memang benar-benar ingin terjun ke dalam riset sel surya DSSC.

Namun bukan penelitian namanya jika tidak mampu mencari alternatif lain dari hambatan-hambatan yang ada. Sebenarnya masih ada beberapa material TCO lain yang benar-benar berpotensi untuk dibuat di Indonesia dengan dana investasi penelitian yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan ITO via alat sputtering/ PVD. Pun begitu pula dengan jenis proses atau teknik pembuatan TCO yang masih bisa menggunakan teknik lain yang juga lebih ekonomis tanpa melibatkan proses vakum yang memakan biaya yang tidak sedikit. InsyaAllah topik ini akan diturunkan dalam artikel berikutnya.

Leave a comment

Filed under Sains dan Tekbologi Sel Surya

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s