Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS) Bagian 2: 6 Langkah Menentukan Energi Celah Pita (Band Gap Energy)

Pengerjaan baik riset penelitian tugas akhir mahasiswa atau peneliti salah satunya adalah mengolah data hasil karakterisasi dengan berbagai alat riset seperti penggunaan Diffuse Reflectance Spectroscopy atau DRS guna menentukan energi celah pita atau band gap energy suatu material anorganik maupun organik. Umumnya, penggunaan alat ini untuk menentukan energi celah pita (band gap energy) dari fotokatalis atau semikonduktor yang sangat berguna mengidentifikasi secara kuantitatif dan kualitatif sifat serapannya pada rentang panjang gelombang sinar UV, visible atau bahkan IR. Berikut ini pemaparan secara singkat teknik mengolah data hasil perolehan menggunakan DRS.

1. Umumnya perolehan data yang diberikan oleh institusi/teknisi/lembaga pelayanan jasa karakterisasi DRS diperoleh dalam bentuk data mentah sehingga peneliti atau mahasiswa harus mengolah lebih lanjut data-data yang dihasilkan. Data tersebut sedikitnya dapat diilustrasikan sebagai (a) wavelenght, (b) absorbansi dan (c) %R. Dalam hal ini hanya diperlukan data (a) dan (b).

2.      Data-data tersebut diolah dengan memplotkan ke dalam baris data sumbu x dan sumbu y. Dalam hal ini, plot data diolah melalui penggunaan formula Tauc’s relation adalah sebagai berikut [1-4]:

dimana:

ɑ          = absorbansi

Eg        = energi celah pita

h          = konstanta Plank sekitar 6,626 x 10^-34 J.s atau 4,14125 x 10^-15 eV.s (1 eV = 1,6 x 10^-19 J)

υ          =  frekuensi (setara dengan c/λ; dimana c = 3x10⁸ m/s dan λ = panjang gelombang yang didapat dalam satuan nm)

γ          = ½ untuk direct type dan 2 untuk indirect type

B         = konstanta

Perhitungan penyederhanaan!

h          = 6,626 x 10^-34 J.s

h          = (6,626 x 10^-34 J.s/1,6 x 10^-19 J).eV

h          = 4,14125 x 10^-15 eV.s

hυ        = (hc)/λ

= (4,14125 x 10^-15 eV.s . 3x10⁸ m/s)/λ

= (4,14125 x 10^-15 eV . 3x10⁸ m)/λ

= (4,14125 x 10^-15 eV . 3x10⁸ m)/λ

= (12,42375 x 10^-7 eV.m)/λ

Karena λ yang didapatkan dalam data umumnya memiliki satuan dalam nm maka didapatkan

= (12,42375 x 10^-7 x 10⁹ eV.nm)/λ

= 12,42375 x 10² eV.nm/λ

= 1242,375 eV.nm/λ

= 1242,375 eV/λ

3.   Setelah dilakukan penyederhanaan perhitungan maka dapat diformulasikan dalam Ms. Excel untuk menemukan besar (ɑhυ)^{1/2 atau 2} (plot pada sumbu y) dan hυ (plot pada sumbu x).

4.    Setelah ditentukan (ɑhυ) dan hυ, maka selanjutnya membuat grafik hυ vs. (ɑhυ)^1/2 dan hυ vs. (ɑhυ)² untuk masing-masing indirect dan direct band gap.

5.      Setelah membuat grafik hυ vs. (ɑhυ)^1/2 dan hυ vs. (ɑhυ) untuk masing-masing indirect dan direct band gap, maka tarik garis lurus dengan garis bantu (dashed red line) terhadap penampakan kelandaian dari kurva yang terbentuk.

6.      Celah pita yang terukur untuk masing-masing indirect dan direct band gap adalah sekitar 2,29 dan 2,44 eV. Sumbu x dan y dapat diatur sedemikian rupa sehingga diperoleh perbesaran terhadap hυ dan (ɑhυ) di sumbu x dan sumbu y yang lebih terlihat jelas untuk menentukan masing-masing besar energi celah pitanya.

Daftar Pustaka

1.       F.A. Mi, 2014, Res Phys, 103-104

2.       F.T.A. Wibowo, R. Diansari, S. Taqiyyah dan Slamet, 2014, International Journal of Technology, 2: 290-300.

3.       U. Sulaeman, I. R. Nisa, A. Riapanitra, P. Iswanto, S. Yin, dan T. Sato, 2014, Advanced Materials Research, 896, pp. 141-144. 

4.       Febiyanto, I. V. Eliani, A. Riapanitra, dan U. Sulaeman,  2016, AIP Conference Proceeding 1725 (1): 020021