Spin Coater: Prinsip Kerja, Mengatur Ketebalan Film, dan Cara Memilihnya

Hampir setiap laboratorium yang membuat sel surya perovskit, OLED, sensor, atau lapisan polimer memakai satu alat yang sama: spin coater. Prinsipnya sederhana. Larutan diteteskan di atas substrat datar, substrat diputar cepat, gaya sentrifugal meratakan cairan ke tepi, kelebihannya terlempar keluar, lalu pelarut menguap dan meninggalkan film tipis yang seragam. Ketebalannya bisa diatur dari puluhan nanometer hingga beberapa mikrometer hanya dengan mengubah kecepatan putar dan konsentrasi larutan.

Artikel ini membahas tahapan spin coating, faktor yang menentukan ketebalan film, kesalahan yang paling sering terjadi, dan hal-hal yang perlu diperiksa sebelum memilih spin coater untuk laboratorium Anda.

Empat tahap spin coating

1. Deposisi. Larutan diteteskan ke substrat. Pada static dispense larutan diteteskan saat substrat diam; pada dynamic dispense larutan diteteskan saat substrat sudah berputar pelan, yang menghemat larutan dan sering memberi cakupan lebih baik untuk larutan yang sulit membasahi permukaan.
2. Spin-up. Substrat dipercepat ke kecepatan target. Cairan menyebar ke seluruh permukaan.
3. Spin-off. Kelebihan cairan terlempar dari tepi. Film menipis dengan cepat di detik-detik awal.
4. Evaporasi. Pelarut menguap dan film mengering. Pada tahap ini viskositas naik dan ketebalan akhir terkunci.

Apa yang menentukan ketebalan film

• Kecepatan putar. Semakin cepat, semakin tipis. Secara empiris ketebalan kira-kira sebanding dengan 1/√ω: menaikkan kecepatan empat kali lipat membuat film sekitar dua kali lebih tipis. Hubungan pastinya perlu dikalibrasi untuk tiap larutan.
• Konsentrasi dan viskositas larutan. Larutan yang lebih pekat menghasilkan film lebih tebal. Untuk perubahan besar, mengubah konsentrasi lebih efektif daripada mengubah kecepatan.
• Titik didih pelarut. Pelarut yang cepat menguap (kloroform) mengunci film lebih awal dan cenderung lebih tebal; pelarut bertitik didih tinggi (DMF, DMSO, klorobenzena) memberi waktu film untuk merata.
• Akselerasi. Laju percepatan memengaruhi seberapa merata larutan menyebar sebelum mulai mengering, terutama pada substrat besar dan larutan cepat kering.
• Waktu putar. Setelah film kering, memperpanjang waktu tidak lagi menipiskannya. Namun pada pelarut bertitik didih tinggi, waktu yang terlalu singkat meninggalkan film yang masih basah.

Spin coating untuk sel surya perovskit

Lapisan perovskit umumnya dibuat dengan program dua langkah, misalnya kecepatan rendah untuk meratakan larutan lalu kecepatan tinggi untuk menipiskan film. Beberapa detik sebelum program selesai, anti-solvent seperti klorobenzena atau toluena diteteskan agar perovskit mengkristal serentak dan film menjadi rapat. Waktu tetesan ini sangat menentukan hasil, sehingga spin coater yang bisa menyimpan program bertahap dan syringe pump yang meneteskan pada detik yang sama setiap kali sangat membantu konsistensi antar-sampel. Pembahasan bahan dan susunan lapisannya ada di artikel sel surya perovskit.

Kesalahan yang paling sering terjadi

• Garis radial (striations) dan "komet". Biasanya disebabkan debu atau partikel. Saring larutan dengan filter syringe, bersihkan substrat, dan bekerja di area bersih.
• Tepi lebih tebal (edge bead). Wajar terjadi di tepi substrat, terutama substrat persegi. Area aktif perangkat sebaiknya tidak menyentuh tepi.
• Bagian tidak terlapisi. Larutan tidak membasahi permukaan. Bersihkan substrat dengan sonikasi bertahap lalu perlakuan UV ozone untuk menaikkan energi permukaan.
• Substrat melengkung atau bergeser. Chuck vakum bisa membuat substrat tipis atau fleksibel melengkung. Desain chuck tanpa vakum menghindari masalah ini.
• Hasil berbeda antar-operator. Penetesan manual sulit diulang dengan tepat. Simpan resep dalam program dan gunakan syringe pump.

Cara memilih spin coater

1. Rentang kecepatan dan kestabilan. Film yang sangat tipis butuh kecepatan tinggi; resep yang sensitif butuh galat kecepatan kecil. Sebagai contoh, Ossila Spin Coater Standard (L2001A3) bekerja pada 120 – 6.000 rpm dengan galat di bawah 2%, sedangkan model Advanced (L2001B2) 500 – 10.000 rpm dengan galat di bawah 0,25%.
2. Kontrol akselerasi. Dibutuhkan bila resep Anda bergantung pada laju percepatan atau untuk lapisan bertingkat. Model Advanced bisa diprogram hingga 4.000 rpm/s untuk akselerasi dan 700 rpm/s untuk deselerasi.
3. Program dan pengguna. Di laboratorium bersama, profil pengguna terpisah mencegah resep tertimpa. Kedua model Ossila menyimpan 10 profil pengguna dengan program hingga 50 langkah.
4. Vakum atau tanpa vakum. Spin coater tanpa vakum tidak butuh pompa, cukup satu stopkontak, dan muat di dalam glove box. Ini penting untuk perovskit yang diproses di bawah nitrogen.
5. Ukuran substrat dan chuck. Pastikan chuck sesuai ukuran substrat Anda (misalnya 20 x 15 mm, 25 x 25 mm, atau 50 x 50 mm) dan bahannya tahan pelarut yang dipakai. PTFE dipilih untuk pelarut agresif seperti DMF dan DMSO.
6. Penetesan otomatis. Syringe pump tunggal atau ganda layak dianggarkan bila Anda memakai langkah anti-solvent atau membuat banyak sampel.

Spin coater dan perlengkapannya di AMI Scientific

Ossila Spin Coater Standard dan Advanced, termasuk konfigurasi dengan syringe pump tunggal atau ganda serta chuck PP atau PTFE, tersedia di koleksi Spin Coater. Untuk menyiapkan substrat dan bahan, lihat juga substrat ITO dan FTO, UV Ozone Cleaner, material perovskit, dan PEDOT:PSS. Setelah film jadi, sheet resistance-nya bisa diperiksa dengan four point probe.

Kirimkan jenis larutan, ukuran substrat, dan target ketebalan melalui WhatsApp, tim kami akan membantu memilih konfigurasi dan menyiapkan penawaran resmi atas nama institusi Anda.