UV-Vis Diffuse Reflectance Spectrocopy (UV-Vis DRS)

Salah satu material semikonduktor seperti fotokatalis memiliki karakteristik energi celah pita atau band gap energy yang khas. Mudahnya, energi celah pita adalah suatu celah yang menyatakan besarnya jarak diantara pita valensi (VB; Valence Band) dengan pita konduksinya (CB; Conduction Band) sebanding dengan energi (dalam eV atau elektron volt) yang dibutuhkan untuk elektron tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi. Tentunya energi yang dibutuhkan dapat sebanding atau lebih dari besar celah pitanya. Energi celah pita ini dapat diilustrasikan pada Gambar 1.

Gambar 1. Ilustrasi CV dan VB pada material semikonduktor

Lebar celah pita energi semikonduktor menentukan sejumlah sifat fisis semikonduktor tersebut. Beberapa besaran yang bergantung pada lebar celah pita energi adalah mobilitas pembawa muatan dalam semikonduktor, kerapatan pembawa muatan, sepktrum absorpsi, dan spektrum luminisensi. Ketika digunakan untuk menggunakan divais miktoelektrik, lebar celah pita energi menentukan tegangan cut off persambungan semikonduktor, arus yang mengalir dalam divais, kebergantungan arus pada suhu dan sebagainya [1]. Umumnya perangkat atau alat yang digunakan untuk mengukur energi celah pita diantaranya adalah UV-Vis Diffuse Reflectance Spectrocopy atau UV-Vis DRS.

Abdullah dan Khoirurrijal [1], metode DRS didasarkan pada pengkuran intensitas UV-Vis yang direfleksikan oleh sampel. Dasar pemikiran metode tersebut cukup sederhana yakni jika material disinari dengan gelombang elektromagnetik maka foton akan diserap oleh elektron dalam material. Widyandari dan Budiman [2], ketika cahaya mengenai suatu bahan maka sebagian akan diserap, dipantulkan dan ditansmisikan. Pada dasarnya terdapat tiga proses interaksi antara foto dengan elektron dlam bahan yakni absorpsi, emisi spontan dan emisi terimbas. Energi tiap foto atau sinar dapat dituliskan sebagai berikut [1-2]

Fenomena eksitasi elektron dari keadaan dasar menuju keadaan transisi dapat ditunjukkan pada Gambar 2. Ketika semikonduktor disinari maka foton diserap kemudian terbentuk pasangan elektron-hole (a), apabila keadaan yang terjadi adalah hv = Eg. Namun, ketika hv > Eg maka pasangan elektron-hole terbentuk dan kelebihan energi yang tidak digunakan (hv = Eg) diubah dalam bentuk panas (b). Proses (a) dan (b) ini disebut sebagai transisi intrinsik (band to band transition). Saat hv < Eg maka foton akan diserap, jika terdapat keadaan energi dalam celah terlarang akibat dari adanya cacat, terjadi transisi ekstrinsik (c). Proses adsorbsi foton menyebabkan transisi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dengan energi foton harus sama atau lebih besar dari energi gap-nya, dengan frekuensi v, sebagai berikut:

frekuensi v_o=E_g/h berkaitan dengan tepi absorpsi (absorpstion edge) [2].

Gambar 2. Transisi dasar dari semikonduktor [2]

Spektrum UV−Vis yang dihasilkan oleh sampel semikonduktor memberikan korelasi antara sisi absorpsi fundamental dan energi foton yang dibutuhkan untuk mengeksitasi elektron-elektron dari pita valensi ke level energi yang lebih tinggi yaitu pita konduksi [3]. Hubungan antara energi foton sinar pengeksitasi dan energi celah pita (band gap energy, Eg) diberikan oleh persamaan Tauc [4-5]:

dimana a_o adalah koefisien absorpsi linier; hv adalah energi foton yang datang; A adalah parameter lebar sisi; dan E_g adalah energi celah pita optis. Koefisien absorpsi pada sisi energi yang lebih tinggi dapat digunakan untuk memperoleh energi celah pita optis E_g dengan mengekstrapolasi (a_ohv)ⁿ yang telah diplot sebagai suatu garis lurus terhadap perpotongan dengan sumbu hv axis [(a_ohv)ⁿ = 0]. Nilai n dapat diasumsikan bergantung pada sifat alamiah transisi elektronik yang bertanggung jawab untuk absorpsi. Nilai n setara ½ dan 2 masing-masing untuk celah pita tidak langsung (indirect) dan langsung (direct) [3].

Daftar Pustaka

1.       M. Abdullah dan Khairurrijal, 2009, Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, 2(1): 1-9.

2.       H. Widyandari dan M. Budiman, 2004, Berkala Fisika, 7(1): 28-34.

3.       A.H. Yuwono, A.H., D.D Neswara, A. Ferdiansyah, A. Rahman, 2011, Jurnal Material dan Energi Indonesia, 1(3): 127-140.

4.       J. Tauc, R. Grigorovici dan A. Vancu, 1966, Phys.Stat.Sol., 15: 627-637.

5.       I. Nurmawarti, M. Abdullah dan Khoirurrijal, 2009, Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, ISSN 1979-0880: 38-42.

Baca juga X-Ray Diffraction (XRD) disini.

Baca juga Scanning Electron Microscopy (SEM) disini.