Transparent Conductive Oxide(TCO)

Diajukan untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Metode Ekperimen Fisika Material

dengan dosen pembimbing Bebeh Wahid Nuryadin,M.Si

Disusun oleh :

Odi Rodiyana

Sapto Wijanarko

Umi Kulsum

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SUNAN GUNUNG DJATI

BANDUNG

2013

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Transparent Conductive Oxides (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 berbagai alat fotonik dan elektronika.

Transparent Conductive Oxide (TCO) adalah sebuah lapisan oksida transparan

konduktif. TCO merupakan logam doping oksida film tipis banyak digunakan dalam

perangkat optoelektronik, misalnya panel layar datar dan fotovoltaik.TCO merupakan

kaca transfaran konduktif yang dapat mengalirkan muatan. Material substrat berfungsi

sebagai badan sel surya dimana layer oksida dan counter electrode karbon atau platina

akan didekomposisikan.

Umumnya lapisan konduktif TCO terbuat dari lapisan tipis tin oksida (SnO2) yang

diberi dopant fluorine (fluorine tin oxied atau FTO) atau indium (indium tin oxide atau

ITO). Hal ini dikarenakan dalam proses sintering later oksida pada substrat di suhu 400-

5000,material-material tersebut memiliki konduktivitas yang baik dan mengalami defect

atau cacat pada rentang temperatur tersebut.

Salah satu material TCO yaitu ITO (indium tin oxide),namun untuk membuat ITO ini

membutuhkan dana yang cukup besar dan ketersediaan alat yang menunjang dalam proses

pembuatannya.

B. Tujuan

a. Untuk mengetahui bagaimana pengertian TCO dan ITO

b. Untuk mengetahui apa saja bahan dan alat yang dibutuhkan dalam pembuatan

lapisan ITO

c. Untuk memahami bagaimana proses pembuatan lapisan ITO

d. Untuk mengetahui aplikasi dari lapisan ITO

BAB II

ISI

A. Transparent Conductive Oxides (TCO)

Transparent Conductive Oxides (TCO) adalah sebuah lapisan oksida transparan

konduktif. TCO merupakan logam doping oksida film tipis banyak digunakan dalam

perangkat optoelektronik, misalnya panel layar datar dan fotovoltaik.TCO merupakan kaca

transfaran konduktif yang dapat mengalirkan muatan. Material substrat berfungsi sebagai

badan sel surya dimana layer oksida dan counter electrode karbon atau platina akan

didekomposisikan.

Transparent conducting oxide (TCO) atau oksida konduktor transparan memegang

peranan penting untuk pembuatan film tipis berbasis silikon maupun film tipis untuk solar

cell berbasis bahan lain. Material TCO biasa dipakai sebagai window pada solar cell dan juga

dapat berperan sebagai elektroda sel surya. TCO yang ideal mempunyai sifat antara lain:

transparansi yang tinggi pada panjang gelombang tertentu, konduktivitas yang tinggi serta

mempunyai carrier mobility yang tinggi. Beberapa macam TCO telah dibuat untuk sel surya

misalnya Indium Tin Oxide, Tin Oxide (SnO2) dan Zinc Oxide (ZnO). Berbagai teknik telah

digunakan untuk pembuatan TCO seperti evaporasi, sputtering, chemical vapour deposition,

spray pyrolisis dan lain sebagainya.

B. Indium Tin Oxides (ITO)

Indium Tin Oxides (ITO) merupakan material TCO yang paling populer karena sifat

transparansi dan konduktifitas yang paling baik diantara material oksida

lain. Transparansinya bisa mencapai 80-85% kaca atau gelas jadi terlihat tembus pandang,

memiliki ketebalan yang sangat tipis,memiliki sheet resistance biasanya 10 Ohm/Sq atau

memiliki resistivitas dalam skala 10-4 Ohm/cm. Dua sifat ITO inilah yang sering

dijadikan benchmark atau barometer seberapa bagus sebuah TCO.

C. Teori Konduktivitas ITO

ITO pada dasarnya tersusun dari In2O3 (Indium oksida) yang ditambah dengan 10%

SnO2 (timah oksida). In2O3sebenarnya sudah memilki  karakteristik dasar transparans-

konduktif. Namun penelitian yang panjang telah membuktikan bahwa penambahan 10-15%

SnO2 mampu meningkatkan konduktivitas secara signifikan. Sebagaimana TCO pada

umumnya, ITO memiliki band gap kurang lebih 3,0 eV yang membuatnya tembus pandang.

Sedangkan penambahan SnO2 meningkatkan jumlah elektron di dalam ITO sehingga

berujung pada sifat konduktivitas total ITO. 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 objek pembahasan, dalam hal

ini struktur kristal ITO.

Gambar 1: Pemakaian ITO pada produk teknologi (searah jarum jam) LCD, Dye-sensitized

Solar Cell (DSSC), LCD, dan sel surya organik/polimer. Perhatikan bagian dengan sebutan

ITO, TCO atau transparent electrode

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.

Gambar 2 : struktur kristal bixbyite (atas) dan unit cell dari struktur yang sama (bawah)

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 melihat struktur yang disederhanakan yang dapat mewakili kompleksitas

struktur di gambar 1. Ilmu mengenai kristal (kristalografi) menyebut struktur yang

disederhanakan ini sebagai unit cell. Struktur bixbyite tadi hanya pengulangan dari unit cell.

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 atom

lain (Sn) di dalam struktur In2O3 ini membawa beberapa konsekuensi sesuai dengan aturan

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 kemungkinan bahwa atom Sn dapat menggantikan atom In . 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. Dikarenakan stuktur kristal manapun harus memiliki muatan total

0 (nol) atau 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.

Kita lihat sekarang apa yang terjadi dengan penyisipan O pada struktur bixbyte.

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 ini

tidak stabil yang ditandai dengan lepasnya oksigen meninggalkan sendirian. Di sini akhirnya

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 :

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

dua elektron terlepas dari kristal.

D. 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“. Yakni 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.

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 :

Gambar 3 : 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 vacum 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 akan diendapkan.

Berhubung material target ITO merupakan kutub negatif atau dijadikan sebagai katoda,

secara otomatis kation Ar+ akan menuju target dan membmbardir 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 atom-atom tersebut mirip dengan atom-atom H dan O

pada proses penguapan air.

Gambar 4 : alat sputtering yang dipakai untuk mendeposisi ITO di atas substrat

kaca

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.

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

SEM. 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.

Gambar 4 : Hasil SEM menunjukkan ketebalan lapisan ITO sekitar 200 nm dan

terlihat seperti bebatuan bagian yang lainnya.

BAB III

PENUTUP

A. Kesimpulan

Dari uraian diatas ITO atau TCO secara umum akan sangat berfaedah. Dengan

catatan, hal ini dilakukan untuk orientasi jangka menengah dan panjang. Maksudnya,

membuat ITO harus 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 didukung dengan alat sputtering yang memadai. Sedangkan untuk alat

sputtering berikut fasilitas vakumnya bukan alat seperti mikroskop biologi atau

mikroskop metalurgi. Harga alat yang paling murah dan sederhana sekitar 200 jutaan

(harga murah dan mahal itu memang relatif). 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 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.

DAFTAR PUSTAKA

www.wilkipedia.com tanggal akses : 05 November 2013-11-16

www.gen.lib.rus.ec/TCO/html tanggal akses : 11 November 2013

www.hindawi.com/ITO/html tanggal akses : 14 November 2013