Sifat optik film tipis Ba0.5Sr0.5TiO3doping Fe2O3
SIFAT OPTIK FILM TIPIS Ba0.5Sr0.5TiO3 DOPING Fe2O3
Oleh :
ANANTO YUDI HENDRAWAN
G74102029
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2006
ABSTRAK
ANANTO YUDI HENDRAWAN. Sifat Optik Film Tipis Ba0.5Sr0.5TiO3
dibimbing oleh MERSI KURNIATI, M.Si
Doping Fe2O3
Telah dilakukan penumbuhan film Ba0.5Sr0.5TiO3 1 M doping Fe2O3 10 % diatas gelas Corning
dengan metode Chemical Solution Desposition (CSD). Karakterisasi film dilakukan untuk
menentukan besar celah optik dengan variasi suhu 300 oC, 400 oC dan 500 oC. Hasil karakterisasi
X-Ray Diffraction (XRD) memperlihatkan bahwa film belum menunjukan struktur mikrokristalin
untuk semua variasi suhu hal ini dikarenakan film Ba0.5Sr0.5TiO3 baru akan maksimal terbentuk
struktur mikrokristalin sempurna pada suhu 800 oC. Hasil karakterisasi Scanning Electron
Microscope(SEM) memperlihatkan tebal film tipis untuk suhu 300 oC, 400 oC dan 500 oC 0.097
μm , 0.418 μm dan 0.25 μm . Besar celah energi optik yang terbentuk sebesar 3.11 eV untuk
BFST dengan suhu annealing 300oC, Eg 3.51 eV untuk BFST dengan suhu annealing 400oC dan
3.46 eV untuk BFST dengan suhu annealing 500oC.
.
Kata kunci : CSD, Annealing
SIFAT OPTIK FILM TIPIS Ba0.5Sr0.5TiO3 DOPING Fe2O3
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Oleh :
ANANTO YUDI HENDRAWAN
G74102029
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2006
Judul Skripsi : SIFAT OPTIK FILM TIPIS Ba0.5Sr0.5TiO3 DOPING Fe2O3
Nama
: ANANTO YUDI HENDRAWAN
NRP
: G74102029
Menyetujui :
Pembimbing I
Mersi Kurniati, M.Si
NIP. 132 206 237
Mengetahui :
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS
NIP. 131473999
Tanggal Lulus :
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 5 Agustus 1983 sebagai anak pertama dari dua
bersaudara dari pasangan Juwani dan Sudarmi S.Pd.
Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD Negeri Ciluar IV pada tahun 1996, pendidikan
menengah tingkat pertama di SMP Negeri 1 Bogor tahun 1999, dan melanjutkan ke SMA Negeri 2
Bogor.
Pada tahun 2002, penulis diterima di Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan
Seleksi Masuk IPB (USMI) sebagai mahasiswa di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama kuliah penulis aktif diberbagai kegiatan organisasi mahasiswa antara lain sekretaris
Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) tahun 2003-2004, Ketua Umum BEM FMIPA IPB tahun
2004-2005, Menteri Pendidikan BEM KM IPB 2005-2006 , dan Event Organizer (EO) Tingkat
Nasional diantaranya Pesta Sains 2003, Sains Expo 2003, Pelatihan Kewirausahaan 2003,
Kompetisi Fisika 2004 dan Ketua Masa Perkenalan Fakultas MIPA 2004
PRAKATA
Segala puji kepada Allah SWT tuhan semesta alam yang telah melimpahkan nikmat Iman dan
nikmat Islam, Sholawat serta Salam semoga tetap tercurah kepada suri tauladan ummat Rasulullah
Muhammad SAW.
Suatu rasa syukur yang sangat besar, pada akhirnya dengan penuh kesabaran serta
ketekunan karya ini dapat diselesaikan dengan baik. Skripsi ini berjudul SIFAT OPTIK FILM
TIPIS Ba0.5Sr0.5TiO3 DOPING Fe2O3.
Merupakan kebanggaan bagi penulis, dan patutlah penulis haturkan terima kasih kepada :
1. Alloh SWT yang telah memberikan kesabaran serta nikmat untuk menyelesaikan tugas ini.
2. Ayah dan Ibu tercinta yang dengan sabar terus memberikan doa dan dukungan kepada
anakmu ini.
3. Mersi Kurniati, M.Si selaku pembimbing I yang dengan penuh kesabaran menjawab
pertannyaan – pertannyaan yang kami ajukan.
4. Dr. Irzaman, M.Si yang memberikan masukan kepada kami
5. Akhiruddin Maddu, M.Si sebagai dosen penguji pada seminar usul, seminar hasil dan sidang
sarjana untuk segala masukan dan motivasinya yang telah diberikan.
6. Ir. Irmansyah, M.Si sebagai dosen penguji pada seminar hasil dan sidang sarjana
7. Ir. Hanedi Darmasetiawan, M.S terima kasih atas masukannya.
8. Departemen Fisika khususnya Bapak Firman atas segala perhatian dan bantuannya kepada
penulis.
9. Bapak Bambang Sugeng, Bapak Sulistyo Giat dan Bapak Wisnu (BATAN) atas bantuannya
dalam karakterisasi XRD.
10. Bapak Ida Usman (ITB) atas bantuannya dalam karakterisasi I-V dan Ferroelektrik .
11. Bapak Wikanda PPGL Bandung atas bantuannya dalam karakterisasi SEM.
12. Teman seperjuangan dalam penelitian ini “Cucu, Tyo, Eko S, Rhian”.
13. Adikku yang imut dirumah.
14. Penjahat ELVO : Niko “Bakabon”, Sonny “Jhintol”, Lutfan “Thoghe”, Arif “Komti”,
Marwan ”Tulang” , Eko “ Jhambie”, Tedi , Ryan, Anam, Eko “Kofir”dan No2.
15. Rekan-rekan seperjuangan FISIKA ’39 yang di ELVO, Kos Bravo, Salsabila, dan Kos-kosan
yang lainnya (Erus, Budi Teguh) . Terima kasih atas segala bantuan dan kerjasamanya,
semoga kita tetap menjaga silaturahmi sampai tua nanti.
16. Rekan-rekan FISIKA ’37, FISIKA ’38, FISIKA ’40, FISIKA ’41, INSTEK ’39, dan ELTEK
’40 atas dukungan serta bantuannya kepada penulis.
17. Rekan-rekan seperjuangan di HIMAFI 2002-2003 & 2003-2004. Terima kasih atas dukungan,
keceriaannya, dan rasa kebersamaannya.
18. Rekan-rekan seperjuangan di BEM FMIPA IPB 2004-2005 yang telah menunjukan
semangatnya dalam bekerja
19. Rekan-rekan seperjuangan di BEM KM IPB 2005-2006 (mas Jenal, Hanif “endut”, Cep
Hilman, Fadhli, Yunus, Teguh dan Abud)
Semoga karya ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Bogor, November 2006
Ananto Yudi Hendrawan
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ........................................................................................................................... viii
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................................... viii
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................................................... viii
PENDAHULUAN ..............................................................................................................................
Latar Belakang ............................................................................................................................
Tujuan Penelitian ........................................................................................................................
Waktu dan Tempat Penelitian .....................................................................................................
1
1
1
1
TINJAUAN PUSTAKA....................................................................................................................... 1
Sifat Optik Semikonduktor ........................................................................................................... 1
Bahan Barium Stronsium Titanat (BST) ...................................................................................... 2
Bahan Pendadah ............................................................................................................................ 2
Ferrium Oksida (Fe2O3) ................................................................................................................ 2
Metode Chemical Solution Deposition (CSD) ............................................................................. 3
Spin Coating .................................................................................................................................. 3
Karakterisasi BFST dengan XRD................................................................................................. 4
Karakterisasi BFST dengan Spektroskopi Uv-Vis ....................................................................... 5
BAHAN DAN METODE .................................................................................................................. 6
Bahan dan Alat ............................................................................................................................ 6
Metode Penelitian ....................................................................................................................... 6
Deposisi lapisan Ba0.5Sr0.5TiO3 doping Fe2O3 ...................................................................... 6
Preparasi sample .................................................................................................................. 6
Karakterisasi dengan XRD ................................................................................................... 6
Karakterisasi dengan SEM .................................................................................................. 7
Karakterisasi dengan Spektroskopi UV-Vis ....................................................................... 7
HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................................................................... 9
Pembuatan film tipis BFST........................................................................................................... 9
Morfologi dan menentukan ketebalan film dengan SEM ............................................................ 9
Menentukan nilai transmitansi dan koefisien absorpsi dengan Uv-Vis..................................... 10
Menentukan celah energi optik (Eg) .......................................................................................... 10
Analisis struktur kristal dengan XRD......................................................................................... 11
SIMPULAN DAN SARAN ............................................................................................................. 12
Simpulan ................................................................................................................................... 12
Saran .......................................................................................................................................... 12
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................................... 12
LAMPIRAN ..................................................................................................................................... 14
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Kelebihan dan kekurangan pembuatan film tipis BST ................................................................. 3
2. Tebal film tipis BFST terhadap suhu ........................................................................................... 9
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Kurva koefisien absorpsi optis semikonduktor amorf.................................................................. 2
2. Perubahan parameter kisi Ba0.5Sr0.5TiO3 berdasarkan komposisi Sr ........................................... 2
3. Struktur kristal BaxSr1-xTiO3 ......................................................................................................... 3
4. Proses Spin Coating ...................................................................................................................... 4
5. Proses terjadinya difraksi oleh kisi kristal .................................................................................... 5
6. Skema SEM .................................................................................................................................... 7
7. Diagram proses annealing ............................................................................................................ 7
8. Diagram alir penelitian ................................................................................................................ 8
9. Penampang film BFST dengan perbesaran 20.000X ................................................................... 9
10. Permukaan film BFST dengan perbesaran 20.000X .................................................................... 9
11. Pengukuran transmitansi sebagai fungsi dari panjang gelombang ............................................ 10
12. Pengukuran koefisien absorbsi sebagai fungsi dari panjang gelombang .................................. 10
13. Pengukuran koefisien absorpsi sebagai fungsi dari energi ...................................................... 10
14. Menentukan celah energi optik (Eg) suhu 300oC ....................................................................... 10
15. Menentukan celah energi optik (Eg) suhu 400oC ........................................................................ 10
16. Menentukan celah energi optik (Eg) suhu 500oC ....................................................................... 11
17. Pola difraksi film BFST suhu 300oC .......................................................................................... 11
18. Pola difraksi film BFST suhu 400oC ........................................................................................... 11
19. Pola difraksi film BFST suhu 500oC ........................................................................................... 11
20. Pola XRD film tipis BFSTsuhu 650 oC, 700 oC, 750 oC, 800 oC ................................................. 12
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Pola XRD film tipis BFST dengan variasi suhu ........................................................................ 15
2. Grafik transmitansi film BFST sebagai fungsi panjang gelombang dengan variasi suhu ........ 17
3. Grafik αhv film BFST sebgai fungsi energi (hv) dengan variasi suhu ................................ 19
4. Morfologi permukaan film BFST dengan variasi suhu .............................................................. 21
5. Morfologi penampang film BFST dengan variasi suhu ............................................................. 22
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perkembangan sains senantiasa selalu
melahirkan sesuatu yang baru dan sangat
dinantikan manfaatnya untuk kepentingan
serta kesejahteraan manusia. Bidang fisika
merupakan salah satu cabang ilmu yang
berperan besar dalam perkembangan sains dan
teknologi sekarang ini khususnya teknologi
bahan yang mendorong mahasiswa untuk
terus memacu diri dalam menguasai ilmu
tentang bahan dalam hal ini tentang film tipis.
Salah satu penelitian yang sedang
berkembang saat ini adalah pemanfaatan
bahan – bahan pyroelektrik dan ferroelektrik
seperti BaTiO3, PbTiO3, PbZrO3, BaxSr1-xTiO3
(BST) yang digunakan untuk peralatan
elektronik dan optoelektronik.
Aplikasi divais optoelektronik seperti sel
surya, fotoresepsor, sensor warna dan thin film
light emitting diode (TFLED). Untuk sel surya
celah pita optik yang lebar digunakan sebagai
lapisan-p untuk meningkatkan absopsi cahaya
kedalam lapisan-I sebagai lapisan aktif. Pada
fotoreseptor, celah pita optik lebar dapat
digunakan sebagai top pasivasion layer dan
bottom blocking layer untuk meningkatkan
besarnya tegangan permukaan divais. Pada
devais sensor warna, diperlukan celah pita
optik lebar untuk mengontrol warna cahaya
yang dikehendaki. Kemudian untuk TFLED,
celah pita lebar (>2,0 eV) diperlukan sebagai
luminescent layer untuk mengontrol warna
emisi dan divais (Malago. dkk. 2003).
Dalam penelitian ini disintesis lapisan tipis
yang
bahan ferroelektrik Ba0.5Sr0.5TiO3
didoping Fe2O3 menggunakan metode
chemical solution deposition (CSD) dengan
spin coating.
Salah satu keuntungan pembuatan lapisan
tipis bahan Ba0.5Sr0.5TiO3 doping Fe2O3 adalah
dapat dilakukan dengan suatu cara yang tidak
memerlukan peralatan dan material yang
kompleks, biaya produksi yang lebih murah
dan mudah dalam pembuatan.
Studi mengenai lapisan tipis bahan
Ba0.5Sr0.5TiO3 doping Fe2O3 ini adalah suatu
hal yang baru dalam bidang material sehingga
diharapkan akan diperoleh sesuatu yang baru
dari hasil karakterisasi bahan tersebut.
Tujuan Penelitian
1. Melakukan pembuatan film tipis
BFST.
2. Mempelajari sifat optik dari lapisan
tipis dengan mempelajari celah pita
energinya.
Waktu dan tempat penelitian
Pembuatan sampel
dilakukan di
laboraturium Fisika Material Departemen
Fisika IPB, untuk karakterisasi dilakukan di
laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika
FMIPA ITB, Laboraturium Kimia FMIPA
ITB, PPGL Bandung dan Pusat Teknologi
Bahan Industri Nuklir Badan Tenaga Nuklir
Nasional dari bulan Juli 2005 sampai bulan
Juli 2006.
TINJAUAN PUSTAKA
Sifat Optik Semikonduktor
Sifat optik zat padat berhubungan dengan
keadaan atom - atom dan elektron - elektron.
Pada beberapa bahan semikonduktor, sifat
optik didaerah spektrum cahaya tampak dan
ultraviolet berhubungan dengan transisi
elektron dari pita valensi ke pita konduksi
sehingga informasi mengenai keadaan keadaan elektron pada kedua pita tersebut
menjadi sangat penting untuk diketahui.
Keadaan - keadaan elektron pada suatu materi
digambarkan dengan struktur pita energi atau
kurva densitas keadaan elektron (Density of
States) material tersebut.
Pada semikonduktor kristal intrinsik
"optical absorption edge" tidak terlalu sulit
untuk ditentukan secara eksperimen. Energi
gap semikonduktor kristal dapat dapat
ditentukan dari kurva absorpsi yaitu harga
energi pada saat kurva absorpsi meningkat
dengan tajam. Pada semikonduktor amorf
optical absorption edge sangat sulit ditentukan
secara eksperimen.
Menurut Cody, Street dan Biegelsen dan
Ley kurva absorpsi optis semikonduktor
amorf dapat dibagi kedalam tiga daerah
seperti terlihat pada gambar 1:
1. Daerah
A,
Merupakan
daerah
"absorption tail" untuk α ≤ 1 cm-1
2. Daerah B, disebut daerah Urbach atau
daerah eksponensial, pada daerah ini
alpha mengikuti hukum eksponensial
terhadap energi untuk 1 cm-1 ≤ α ≤ 103
cm-1
3. Daerah C, disebut daerah pangkat,
alpha daerah ini mengikuti hukum
pangkat atau α (hυ ) = (hυ − Ego )n , untuk
α ≥ 103 cm-1
Transisi optik pada daerah C telah
diselesaikan oleh Tauch, energi gap optis
dapat ditentukan dengan membuat plot linear
dari kurva alpha terhadap energi. Pendekatan
yang diberikan oleh Tauc berlaku untuk
beberapa semikonduktor amorf [20]
2
Gambar 2. Perubahan parameter kisi
Ba0.5Sr0.5TiO3 berdasarkan komposisi Sr
[11]
Gambar 1. Kurva koefisien absorpsi optis
semikonduktor amorf [20]
Bahan Barium Stronsium Titanat (BST)
Film tipis BST telah menjadi perhatian
sejumlah peneliti sejak 15 tahun yang lalu,
kira – kita pada tahun 90-an. Beberapa hal
menarik dari film tipis BST adalah konstanta
dielektrik yang tinggi, low dielectric loss, high
dielectric breakdown dan temperature Curie
bergantung
pada
komposisi
yang
memungkinkan
bahan
memiliki
sifat
paraelektrik sebaik seperti sifat ferroelektrik.
Semua hal diatas menjadikan bahan BST
sebagai kandidat untuk menggantikan SiO2
sebagai penyimpan muatan dielektrik untuk
DRAMs
(Dynamic
Random
Access
Memories). Sekarang ini penelitian tentang
BST juga terkonsentrasi pada aplikasi detektor
inframerah yang tidak didinginkan dan
aplikasi microwave monolithic integrated
circuit [11].
Komposisi film BST dengan konsentrasi
Ba yang tinggi mengakibatkan bahan tersebut
menjadi ferroelektrik jika BST berada
dibawah suhu Curienya yaitu pada suhu
ruang. Untuk % mol Sr ≤ 0.25, struktur BST
adalah ferroelektrik tetragonal perovskite.
Untuk komposisi yang lain untuk % Sr ≥
0.25, struktur berubah ke paraelektrik kubik
perovskite. Gambar 2 menunjukan perubahan
berdasarkan
parameter kisi BaxSr1-xTiO3
komposisi Sr (Adem. 2003).
Menurut ICDD (International Center for
Diffraction Data), BST memiliki sistem
kristal kubik dengan konstanta kisi, a = 3,947
o
untuk konsentrasi 30 % stronsium.
Dari penelitian yang telah dilakukan
sampai saat ini, lapisan tipis BST biasanya
memiliki konstanta dielektrik yang jauh lebih
rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya.
Stuktur mikro butir yang baik, tingkat tekanan
yang tinggi, kekosongan oksigen, formasi
lapisan interfacial, dan oksidasi pada bottom
electrode atau Si dipercaya menjadi faktor
yang menyebabkan penurunan sifat listrik
material tersebut [3].
Bahan Pendadah
Penambahan
sedikit
dopan
dapat
menyebabkan perubahan parameter kisi,
konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat
elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari
keramik dan film tipis [Supriyatman, 2004].
Bahan
pendadah
pada
material
ferroelektrik dibedakan menjadi dua jenis,
yaitu soft doping dan hard doping. Ion soft
doping
dapat
menghasilkan
material
ferroelektrik menjadi lebih soften. Seperti
koefisien elastis lebih tinggi, sifat medan
koersif yang lebih rendah, faktor kualitas
mekanik yang lebih rendah dan kualitas listrik
lebih rendah. Soft doping disebut juga dengan
istilah donor doping karena menyumbang
valensi yang berlebih pada struktur kristal
BST [5].
Ion hard doping dapat menghasilkan
material ferroelektrik menjadi lebih hardness,
seperti loss dielectric yang rendah, bulk
resistivitas yang rendah, sifat medan koersif
lebih tinggi, faktor kualitas mekanik yang
lebih tinggi dan kualitas listrik lebih tinggi.
Hard doping disebut juga dengan istilah
acceptor doping karena menerima valensi
yang berlebih didalam struktur kristal BST [2]
Α untuk konsentrasi stronsium 50% dan a =
o
3,965 Α untuk konsentrasi stronsium 40 %.
Girindharan.dkk., Mendapatkan BST dengan
o
konstanta kisi a = 3,97 Α .
Ferrium Oksida (Fe2O3)
Material ferium oksida (Fe2O3) merupakan
material pendadah ion akseptor (acceptor
doping) Fe3+ [5]. Fe2O3 memiliki struktur
3
Tabel 1. Kelebihan dan kekurangan dalam
pembuatan film tipis BST [11]
Method
Chemical
Solution
Desposition
/Sr2+
Pulsed Laser
Desposition
Gambar 3. Struktur kristal BaxSr1-xTiO3
Advantages
- Inexpensive,
- Rapid
sampling of
materials
- Homogeneity
- Low
processing
temperatures
- Rapid
sampling of
materials
- Quickly
produce new
materials
kristal rombohedral dengan konstanta kisi a =
Limitations
- Phase control
- Morphology
- Reproducibility
- Morphology
- Point defect
concentration
- Scalability
(small areas
only)
- Uniformity
- High residual
stress
o
5,0329 ± 0,001 Α dan b = 13,7492 ±
o
0.001 Α . Densitas Fe2O3 adalah 5,24 gr/ml dan
titik lelehnya adalah 1565 oC [7]. Fe2O3 tidak
larut dalam air namun dapat larut dalam asam
[6]. Penambahan ion Fe3+ akan membentuk
ruang kosong diposisi ion O2-. Ion dopan Fe3+
memiliki valensi lebih dari 4+, maka
kekurangan muatan positif (+) akan terjadi
pada struktur perovskite dan terbentuk ruang
kosong diposisi ion oksigen sebagai
kompensasi untuk menjaga kenetralan muatan
(electroneutral balance). Semakin banyak
maka
akan
penambahan
ion
Fe3+
menyebabkan semakin banyaknya ion oksigen
terlepas [5].
Metode Chemical Solution Deposition
(CSD)
Chemical solution deposition telah dikenal
sebagai suatu metode deposisi film
semikonduktor sejak 1869 ketika mendeposisi
PbS dan PbSe (Hodes. G, 2002). Metode
chemical solution deposition merupakan suatu
cara
pembuatan
film
tipis
dengan
pendeposisian larutan kimia diatas substrat
kemudian dipreparasi dengan spin coating
dengan
kecepatan
putar
tertentu
(Darmasetiawan dan kawan-kawan didalam
Sumardi. T, 2004). Dalam proses kimia pada
chemical
solution
deposition
dicoba
digunakan larutan garam sederhana seperti
asetat bukan dengan metal alkoksida untuk
mendapatkan sol. Penambahan asam pada
chemical solution deposition digunakan
sebagai katalis dan pengontrol hidrolisis.
Masalah utama dalam proses chemical
solution deposition adalah kestabilan sol,
terkadang
terjadi
endapan
selama
penyimpanan atau penggunaan bergantung
Sputtering
MOCVD
- Cost
- Uniformity
- Scalability
- Standard IC
processing
- Low growth
temperatures
- Uniformity
- Morphology
- Small
- Scalability
- Point defect
Concentration
- Residual stresses
- Stoichiometry
control
- Slow deposition
rate for
oxides
- Immature
technology
- Precursor
stability
- Precursor
availability
- Expensive
dari pelarut yang digunakan, volume air, asam
dan temperatur.
Perbandingan metode CSD dengan metode
lain dalam pembuatan film tipis BST dapat
dilihat pada tabel 1.
Spin Coating
Proses spin coating dibagi menjadi empat
tahap yaitu tahap deposisi, spin-up, spin-off
dan evaporasi. (Borside et al 1987, didalam
Brinker dan Scherrer 1990). Tahap-tahap
ditunjukan pada gambar 4.
Tahap pertama dimulai dari diteteskan atau
dialirkannya cairan bahan pelapis berupa gel
diatas substrat. Pada tahap desposisi substrat
belum diputar. Kemudian pada pada tahap
berikutnya, tahap spin-up, substrat mulai
diputar. Akibatnya gaya sentrifugal cairan
akan tersebar secara radial keluar dari pusat
putaran. Besar percepatan sudut pada tahap
spin-up tidak sama dengan nol, artinya
substrat mengalami percepatan, sedangkan
pada kedua tahap berikutnya laju putaran
mulai konstan sehingga tidak ada percepatan
sudut pada substrat Pada tahap spin off
4
sebagian cairan yang berlebih akan menuju
tepi substrat membentuk tetesan – tetesan.
Semakin menipis lapisan yang terbentuk
semakin berkurang tetesan – tetesan yang
terbuang. Hal ini karena semakin tipis lapisan
hambatan alirnya semakin besar. Selain itu
viskositas juga semakin besar. Bertambahnya
viskositas ini sebanding dengan meningkatnya
konsentrasi komponen cairan yang tidak
menguap (nonvolatile). Tahap yang terakhir,
evaporasi, merupakan mekanisme utama dari
proses penipisan lapisan. Salah satu kelebihan
metode spin coating adalah ketebalan lapisan
yang terbentuk cenderung seragam (uniform)
selama tahap spin off, viskositas juga seragam,
tidak bergantung pada jarak dari pusat
putaran. Hal ini dimungkinkan oleh adanya
keseimbangan antara gaya utama yang
berperan dalam spin coating. Kedua gaya
tersebut adalah gaya sentrifugal, yang
menyebabkan cairan mengalir keluar secara
radial dari pusat putaran, dan gaya viskos
(gesekan) yang arahnya menuju ke pusat
putaran (Brinker and Scherer, 1990).
Ketebalan lapisan yang terbentuk ditentukan
oleh dua parameter utama yaitu viskositas dan
laju putaran (angular speed) disamping
parameter lainnya selain waktu yang singkat.
Akan tetapi parameter tersebut dapat
berpengaruh pada keseragaman lapisan.
Gambar 4. Proses Spin Coating [14]
Karakterisasi BFST dengan XRD
Fungsi XRD adalah untuk menentukan
sistem kristal (kubus, tetragonal, orthorombik,
rombohedral, heksagonal), mencari parameter
kisi, diameter kristal, analisa kimia (Cullity
2001)
Difraksi sinar-X oleh atom-atom yang
tersusun didalam kristal akan menghasilkan
pola yang berbeda bergantung pada
konfigurasi atom-atom pembentuk kristal.
Elektron yang dipancarkan dengan
tegangan sangat tinggi menumbuk target (Cu,
Cr, Fe, Co, Mo dan W). Energi kinetik
elektron yang menumbuk target diantaranya
berubah menjadi panas dan sinar-X, sinar-X
yang dipancarkan dalam peristiwa ini
terdistribusi secara kontinu dengan λ yang
berbeda.
Tumbukan antara elektron yang dipercepat
dengan atom target bersifat inelastik. Jika
energi elektron yang datang memiliki energi
yang cukup maka akan mementalkan elektron
pada kulit K, sehingga atom dalam keadaan
tereksitasi dan diisi oleh elektron dari kulit L
atau M. Proses transisi ini diikuti oleh
pelepasan energi berupa radiasi sinar-X .
dengan panjang gelombang tertentu dan
disebut dengan berkas sinar-x karakterisasi
Kα dan Kβ. Gambar 5 memperlihatkan proses
tumbukan antara elekton yang dipercepat dan
atom dimana peristiwa tersebut memenuhi
hukum Bragg.
Sinar-X ditembakan pada material
sehingga terjadi interaksi dengan elektron
dalam
atom.
Ketika
foton
sinar-X
bertumbukan elektron, beberapa foton hasil
tumbukan akan mengalami pembelokan dari
arah datang awal. Jika panjang gelombang
2d sin θ = λn
(1)
5
dengan ; I 0 = intensitas radiasi datang ; I =
intensitas radiasi yang diteruskan ; ε =
absorptivitas (kadar) zat penyerap.
Untuk sampel yang berbentuk padat
dirumuskan
I = I 0 exp(−αd )
Gambar 5. Proses terjadinya difraksi oleh kisi
kristal [9]
hamburan sinar-X tidak berubah (foton sinar-x
tidak kehilangan banyak energi) dinamakan
hamburan elastik (hamburan Thompson) dan
terjadi transfer momentun dalam proses
hamburan. Sinar-X ini yang digunakan untuk
pengukuran sebagai hamburan sinar-X yang
tersusun periodik dalam kristal, gelombang
membawa informasi distribusi elektron dalam
material.
Gelombang yang terdifraksikan dari atomatom berbeda dapat saling mengganggu dan
distribusi intensitas resultannya termodulasi
kuat oleh interaksi ini. Syarat terjadinya
difraksi harus memenuhi hukum Bragg 2d sin
θ = n λ. Jika atom-atom terdifraksi akan
terdiri dari interferensi maksimun tajam
(peak) yang simetri, peak yang terjadi
berhubungan dengan jarak antar atom.
Untuk mencari paramater kisi struktur
kristal tetragonal berlaku persamaan (Cullity,
2001)
(
)
(2)
sin 2 θ = A h + k
+ Cl 2
hkl = bidang pantul/indeks Miller ; θ =sudut
difraksi sinar-X ;
(4)
Transmitans adalah fraksi dari radiasi
datang yang diteruskan oleh sampel dan
dirumuskan dengan [19].
T=
I
I0
(5)
Sedangkan absorbans merupakan kebalikan
dari transmitans yaitu fraksi dari radiasi
datang yang diserap oleh sampel dan
dinyatakan dengan persamaan, untuk R yang
sangat kecil
A = log
I
1
= log 0 = − log T
T
I
(6)
Dari persamaan (4) dan (6) didapatkan
persamaan [17].
⎡I ⎤
log ⎢ 0 ⎥ = αd = A
⎣I ⎦
(7)
2
λ = panjang gelombang
Karakterisasi BFST dengan spektroskopi
UV-VIS
Pada penelitian ini karakterisasi dengan
spektroskopi UV-VIS dilakukan untuk
mengamati sifat optik dari sampel yang
diperoleh, sifat optik yang dihitung pada
penelitian
ini
meliputi
pengamatan
transmitansi dan perhitungan celah energi
optik.
Radiasi yang diserap oleh sampel
ditentukan dengan membandingkan intensitas
dari berkas radiasi yang diteruskan bila zat
penyerap tidak ada dengan intensitas yang
diteruskan bila zat penyerap ada. Hal ini
dinyatakan oleh rumus dibawah ini [Hukum
Beer-Lambert]
I = I 0 exp(− εdc )
(3)
merupakan
Koefisien absorpsi ( α )
karakteristik molekul penyerap tertentu dan
pada panjang gelombang tertentu pula,
sehingga persamaan (7) dapat ditulis sebagai
Aλ = α λ d
(8)
Berdasarkan persamaan (6) dan (8),
hubungan transmitans dan absorbans sebagai
fungsi panjang gelombang dapat dinyatakan
dengan persamaan
αλ =
⎡ 100 ⎤
1
log ⎢
⎥
d
⎣ T (% ) ⎦
(9)
Absorpsi yang terjadi pada bahan – bahan
semikonduktor
menyebabkan
terjadinya
eksitasi elektron dari pita valensi ke pita
konduksi. Untuk menentukan celah energi
berlaku persamaan [17].
6
α (hv ) = C (hv − Eg )n
(10)
α
= koefisien absorpsi; C = konstanta ; hv =
energi foton ; E g = energi celah; dan nilai n
=1/2, hal ini dikarenakan celah energi optik
dari film tipis Ba0.5Sr0.5TiO3 doping Fe2O3
memiliki transisi langsung dimana nilai
minimum dari pita konduksi dan nilai
maksimum pita valensi bertemu pada satu
harga momentum yang sama.
BAHAN DAN METODE
Bahan dan alat
Bahan yang digunakan pada penelitian ini
adalah :
1. [Ba(CH3COO)2]
2. [Sr(CH3COO)2]
3. [Ti(C12O4H28)]
4. H3COCH2CH2OH
5. Fe2O3
6. Substrat corning
Alat yang digunakan pada penelitian ini
adalah :
1. Timbangan sartonius model BL 6100
2. Seperangkat alat reaktor spin coating
3. Gas Hidrogen
4. Mortal
5. Pipet
6. Spatula
7. Pinset
8. Tissue
9. Gelas ukur pyrek 10 ml
10. Corong pyrek
11. Tabung reaksi 2 buah
12. Kompressor
13. Gunting
14. Kertas saringan
15. Isolasi
16. Stop watch
17. Multimeter
18. Sarung tangan karet
19. Masker
Metode Penelitian
Metode penelitian ini dilakukan dengan
eksperimen murni laboraturium. Metode
penelitian ini terdiri dari tiga tahap. Tahap
pertama, pembuatan larutan dengan metode
chemical solution deposition, tahap kedua,
melakukan eksperimen pembuatan film tipis
dengan bantuan alat spin coating, tahap
ketiga, karakterisasi struktur mikro serta sifat
optik. Tahapan penelitian tercantum pada
diagram alur dalam gambar 8.
Deposisi lapisan Ba0.5Sr0.5TiO3doping Fe2O3
Penelitian ini menggunakan metode
chemical
solution
deposition
yaitu
pendeposisian larutan kimia diatas substrat.
Dengan metode chemical solution deposition
dan tehnik spin coating diharapkan
pendeposisian lapisan tipis Ba0.5Sr0.5TiO3
doping Fe2O3 diatas substrat corning memiliki
ketebalan yang baik dan merata sehingga akan
dihasilkan absorpivitas dan nilai transmitans
yang baik juga. Dalam penelitian ini,
disiapkan bahan-bahan yang digunakan yaitu,
barium acetate, strontium acetate, titanium
isopropoxide, ferrum oxide dan metoksi
etanol.
Preparasi sampel
Membuat larutan BFST 1 M :
1. Senyawa [Ba(CH3COO)2] 0.2553 g
2. Senyawa [Sr(CH3COO)2] 0.2056 g
3. Senyawa [Ti(C12O4H28)] 0.5660 g
4. Pendadah Fe2O3 0.047 g
5. Pelarut H3COCH2CH2OH 2 ml
Membuat film tipis BFST 1 M :
1. Kocok larutan BFST selama 1 jam
2. Saring larutan sampai tak bersisa.
3. Teteskan larutan diatas substrat
kemudian di spin selama 30 detik.
4. Kemudian dikeringkan selama 1
menit
5. Lakukan langkah 4 & 5 lima kali
Memanaskan sampel BFST 1 M :
1. Sampel dipanaskan dengan kenaikan
suhu 100oC/ jam sampai suhu
annealing yang diinginkan kemudian
ditahan selama delapan jam.
2. Suhu annealing yang diinginkan ada
tiga yaitu 300oC, 400oC dan 500oC.
Karakterisasi dengan XRD
Alat XRD yang digunakan Shimadzu
XRD 610.
Preparasi sample XRD:
1. Disiapkan sampel yang sudah
panaskan sebanyak 1 buah..
2. Kemudian
sampel
dimasukan
kedalam holder yang berukuran 2 x 2
cm2.
3. Holder berisi sampel dikait pada
diffraktometer.
4. Pada komputer di set nama sampel,
sudut awal, sudut akhir, dan
kecepatan analisa. Sudut awal pada
5o dan sudut akhir pada 85o
kecepatan baca di set 2o per menit
7
5.
Setelah itu di run
Karakterisasi dengan SEM
Alat SEM yang digunakan SEM JEOL
Preparasi sampel SEM:
1. Sampel
diletakan
pada
plat
aluminium yang memiliki dua sisi.
2. Kemudian dilapisi dengan lapisan
emas setebal 48 nm.
3. Sampel yang telah dilapisi diamati
menggunakan SEM dengan tegangan
22 kV dan perbesaran 20.000 kali.
Karakterisasi Spektroskopi UV-Vis
Alat UV-Vis yang digunakan adalah
Hewlet Packard 8452 A.
Gambar 7. Diagram proses annealing
Preparasi sampel UV-Vis:
1. Sampel dimasukan kedalam kuvet.
2. Sampel berupa corning murni
diletakan lurus dengan sinar.
3. Siap diukur dengan spektroskopi
UV-Vis
pada
range
panjang
gelombang 190 – 820 nm.
Sumber
Celah Lensa
Lensa
Celah Lensa
Lensa
Koil
Detekto
Lensa akhir
Sinyal
Sampel
Holder
Gambar 6. Skema SEM
(__. 2002. Scanning Electron Microscope.
Oxford Univ[10].
15 jam
Tann
100oC/jam
To
Penelusuran literatur dan
Penyususnan proposal
8
barium asetat
[Ba(CH3COO)2,
99%]
strontium
asetat
[Sr(CH3COO)
2, 99%]
titanium
isopropoksida
[Ti(C12O4H28),
99,999%]
bahan
pendadah
Fe2O3
2metoksietanol
[H3COCH2CH2
OH, 99%]
Dikocok selama 1 jam
Dipanaskan
5 menit
Disaring
spin coating pada 3000 rpm selama 30 detik diatas corning yang berukuran 15 mm x 10 mm
sebanyak lima kali pengulangan
annealing pada suhu
300, 400 dan 500oC
waktu 15 jam
Film tipis
BFST
karakterisasi dengan XRD.
UV-VIS dan SEM
Pengolahan dan analisis
Penyusunan laporan
Gambar 8. Diagram alir penelitian
9
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembuatan Film Tipis BFST
Telah dibuat film tipis Ba0.5Sr0.5TiO3
dengan doping Fe2O3.
dengan metoda
Chemical
Solution
Deposition
yang
dipreparasi dengan spin coating
dengan
kecepatan putar 3000 rpm dan variasi suhu
annealing 300 oC, 400 oC dan 500 oC.
Pada saat annealing penurunan suhu
sampel dibiarkan tanpa tenggat waktu sampai
kembali ke suhu ruangan. Hal ini dilakukan
untuk mencegah terjadinya cracking pada film
yang diakibatkan oleh perubahan suhu yang
ekstrim.
Morfologi dan mementukan Ketebalan
Film dengan SEM
Hasil analisa SEM untuk melihat
permukaan dan penampang BFST dapat
dilihat pada Gambar 9 dan 10.
Pada gambar 9a terlihat penampang lapisan
film yang yang tidak terlalu rata. Hal ini
diakibatkan adanya penggumpalan pada saat
proses spin coating Pada gambar 9b. tebal
lapisan sudah seragam. Hal ini juga terlihat
pada gambar 9c. Dimana terlihat jelas batas
antara film tipis dan substrat
Pada gambar permukaan terlihat bintik
putih yang semakin terlihat jelas dengan
bertambahnya suhu annealing. Bintik putih
tersebut
timbul
dikarenakan
tidak
tercampurnya larutan secara merata sehingga
menimbulkan gumpalan – gumpalan pengotor
seperti bintik putih tersebut.
b
c
Gambar 9. Gambar penampang film tipis
BFST dengan perbesaran 20.000X
a
Tabel 2. Tebal film tipis BFST terhadap suhu
Tebal Film (um)
Suhu (oC)
300
0.0979
400
0.4184
500
0.2500
a
b
10
terlihat bahwa koefisien absorpsi maksimum
terdapat pada panjang gelombang 218 nm
untuk film tipis BFST 300oC dan berturut
turut pada suhu 400oC dan 500oC pada
panjang gelombang 250 nm dan 248 nm.
c
Gambar 10. Gambar permukaan film tipis
BFST dengan perbesaran 20.000X
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
180
dan
3.50E+07
3.00E+07
2.50E+07
-1
α (m )
Transmitance
Menentukan Nilai Transmitansi
Koefisien Absorpsi Dengan UV-Vis
Menentukan Celah Eergi Optik (Eg)
Dari gambar 13 terlihat bahwa untuk
menghitung besar energi celah optik film tipis
dapat digunakan hubungan Tauc-Plot.
Gambar 14 menunjukan αhv sebagai
fungsi dari hv pada film tipis BFST. Seperti
yang diharapkan dari persamaan (10), nilai Eg
dapat diperoleh dengan mengekstrapolasi
grafik pada gambar 14.
(a)
2.00E+07
(b)
1.50E+07
(a)
(c)
1.00E+07
(b)
5.00E+06
(c)
0.00E+00
0
1
2
3
4
5
6
7
E (hv)
280
380
480
580
680
780
880
Wavelength (nm)
Gambar 11. Pengukuran transmitansi sebagai
fungsi dari panjang gelombang. (a) film tipis
BFST 300oC, (b) film tipis BFST 400oC, (c)
film tipis BFST 500oC
Gambar 13. Pengukuran koefisien absorpsi
sebagai
fungsi dari energi. (a) film tipis
BFST 300oC, (b) film tipis BFST 400oC, (c)
film tipis BFST 500oC
.
14000
3.00E+07
-1
α (m )
2.50E+07
(a)
2.00E+07
(b)
1.50E+07
(α hv) 1/ 2 (eV /m ) 1 /2 .
12000
3.50E+07
(c)
10000
8000
6000
4000
2000
1.00E+07
0
5.00E+06
0
0.00E+00
0
200
400
600
800
1
2
3
4
5
6
7
energi (eV)
1000
lambda (nm)
Gambar 12. Pengukuran koefisien absorpsi
sebagai fungsi dari panjang gelombang. . (a)
film tipis BFST 300oC, (b) film tipis BFST
400oC, (c) film tipis BFST 500oC
Gambar 14. Grafik akar koefisien absorpsi
energi sebagai fungsi energi film BFST 300oC
12000
Pengukuran transmitansi dan koefisien
absorpsi dengan menggunakan UV-Vis dapat
dilihat pada gambar 11 dan gambar 12. Pada
film 300 oC terlihat bahwa transmitansi
meningkat tajam pada panjang gelombang 304
nm – 352 nm. Sedang kan pada suhu 400 oC
dan 500 oC berturut-turut 302 nm – 344 nm
dan 302 nm – 354 nm.
Koefisien absorpsi sebagai fungsi dari
panjang gelombang dari film tipis BFST
diplot pada gambar 12. Dari gambar 12
(αhv)1/2 (eV/m) 1/2
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
energi (eV)
Gambar 15. Grafik akar koefisien absorpsi
energi sebagai fungsi energi film BFST 400oC
11
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
energi (eV)
Gambar 16. Grafik akar koefisien absorpsi
energi sebagai fungsi energi film BFST 500oC
Dari hasil ekstrapolasi grafik pada gambar 14
diperoleh nilai Eg 3.11 eV untuk BFST
dengan suhu annealing 300oC, Eg 3.51 eV
untuk BFST dengan suhu annealing 400oC
dan 3.46 eV untuk BFST dengan suhu
annealing 500oC.
Dari data diatas terlihat bahwa nilai Eg
film BFST untuk suhu 400oC paling besar .
Hal ini dikarenakan oleh perbedaan ketebalan
yang dimiliki oleh setiap sampel, film BFST
pada suhu 400oC memiliki Eg yang lebih
tinggi dari sampel yang lain. Sehingga secara
fisis menunjukan untuk film BFST dengan
suhu 400oC diperlukan energi yang lebih
besar pada elektron untuk tereksitasi dari pita
valensi ke pita konduksi.
Dari tabel 2 terlihat bahwa ketebalan film
bervariasi, hal ini disebabkan oleh beberapa
faktor. Pertama faktor suhu substrat, proses
terjadinya film tipis disebabkan atom berdifusi
disekitar substrat yang dipengaruhi temperatur
substrat. Ketika suhu substrat mencapai suhu
optimum, atom yang terbentuk dapat loncat
atau pindah kesamping yang meningkatkan
laju penumbuhan film. Sedangkan ketika
suhu substrat melewati suhu optimumnya,
atom yang terbentuk dapat loncat keluar
permukaan (evaporasi) yang menyebabkan
laju penumbuhan film menurun [5]. Kedua,
metode Chemical Solution Desposition (CSD)
bergantung pada keterampilan penetesan
larutan diatas spin coating, sehingga
ketebalan film yang dihasilkan pun akan
berbeda. Hal lain yang juga mempengarui
ketebalan film adalah ketika pemanasan
sampel. Ketiga, Dari hasil percobaan yang
dilakukan, ada beberapa bagian dari film yang
menjadi kering dan lepas dari substrat
sehingga mengurangi ketebalan awal film
Analisis Struktur Kristal Dengan XRD
Dari hasil analisis pada suhu 300oC film
tipis BFST masih bersifat amorf, hal ini dapat
250
200
I (intensitas)
10000
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
Sudut 2 θ/o
Gambar 17. Pola difraksi film BFST pada
suhu annealing 300oC
300
250
I (intensitas)
(α hv)1/2 (eV/m ) 1/2
12000
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
Sudut 2θ / o
Gambar 18. Pola difraksi film BFST pada
suhu annealing 400oC
300
250
I (intensitas)
14000
dilihat pada gambar 17. Pada Suhu 400oC dan
500oC film tipis BFST juga masih bersifat
amorf. Hal ini terlihat dengan tidak
munculnya puncak untuk film tipis BFST. Hal
lain yang berpengaruh pada penumbuhan
kristal pada film tipis BFST adalah
pemanasan tidak dilakukan pada suhu
optimum terbentuknya kristal pada BFST
yaitu 600oC – 800oC.
Gambar 20 merupakan pola difraksi film
tipis BST pada suhu 650 oC, 700 oC, 750 oC
dan 800 oC. Pada daerah suhu tersebut terlihat
bahwa film tipis BST sudah menunjukan
struktur kristal.
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
Sudut 2θ/o
Gambar 19. Pola difraksi film BFST pada
suhu annealing 500oC
12
Gambar 20. Pola XRD film BST pada suhu
650 oC, 700 oC, 750 oC dan 800 oC (wu, et. Al.
2004)
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Telah dilakukan pembuatan fim tipis
Ba0.5Sr0.5TiO3 yang didoping Fe2O3 dengan
konsentrasi larutan 1 M yang diannealing
selama 15 jam dengan variasi suhu 300 oC,
400 oC dan 500 oC.
Dari hasil XRD terlihat bahwa semua
sampel
tidak
menunjukan
adanya
pembentukan kristal. Hal ini disebabkan
pemanasan sampel tidak dilakukan pada suhu
optimum dimana film akan menunjukan
pembentukan kristal.
Untuk pengukuran Eg diperoleh hasil
berturut – turut untuk suhu 300 oC, 400 oC dan
500 oC adalah 3.11 eV, 3.51 eV dan 3.46 eV.
Dari grafik hubungan Eg(eV) vs T (oC)
terlihat hasil bahwa celah energi optik
berubah ketika temperatur meningkat
Saran
Bagi yang akan melanjutkan penelitian ini
diharapkan untuk menggunakan substrat yang
lebih tahan terhadap suhu tinggi karena
diharapkan film akan membentuk struktur
kristalin serta dapat memvariasikan kadar
doping yang ditambahkan sehingga dapat
melihat besar perubahan celah energi optik
yang terbentuk. Selain tu dapat juga
menambah jumlah untuk divariasikan
terhadap suhu.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Aparna, M T. Bhimasankaram, S.V.
Suryanarayana, G. Prasad, G.S. Kumar.
2001. Effect of Lantanum Doping on
Electrikal
and
Electromechanical
Properties of Ba1-xLaxTiO3. Bull Mater
Sci, Vol 24, No, 5 Page 497-504.
[2] Cole, M. W., R. G. Geyer. 2004. Novel
Tunable Acceptor Doped BST Thin Film
for High QualityMicrowaves Device.
Revista Mexicana de Fisica Vol 50(3)
Page 232-238.
[3] Craciun, V.J.
M. Howard.,
E.S.
Lambers,
R. K. Singh. 2000. Low
Temperature growth of Barium Strontium
Titanate Films by Ultraviolet Assisted
Pulsed Laser Depoasition. Mat. Res. Soc.
Symp. Vol 617. Materials Reserch
Society.
[4] Giridharan,
N. V.,
et al.
2001.
Structural,
morphological
and
Electrical Studies on Barium Strontium
Titanate Thin Film Prepared by Sol-Gel
Technique. Crystal Research Technology
Vol 36(1) Page 65-72.
[5] Irzaman. 2005. Studi Lapisan Tipis
Pyroelektik PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT) yang
Didadah Tantalum dan Penerapanya
Sebagai Detektor Inframerah [Disertasi].
[6] Kotecki et al,. 1999.
( BaSr)TiO3
Dielectric fo r Future Stacked-Capasitor
DRAM. IBM journal of Reserch and
Development. Volume 43. No 3.
[7] Lide, David R. 1962. Handbook of
Chemistry and Physics 71st Edition.
Chemichal Rubber Publishing Company.
USA
[8] Supriyatman. 2004. Uji Sifat Listrik
Struktur Kapasitor Film Tipis Bahan
PbZrxTi1-xO3 Doping In2O3 [Skripsi].
Bogor: Institut Pertanian Bogor
[9] __.2005.
Introduction
to
X-ray
Diffraction.
Materials
Research
Laboratory. University of California
http://www.mrl.ucsb.edu/mrl/index.html
[25 Februari 2005]
[10] __. 2002. Scanning Electron Microscope.
Oxford Univ.
http://www.unl.edu/CMRAcfem/semoptic
.htm [20 Desember 2005]
[11] Adem, Umut. 2003. Preparation of BST
Thin Film By Chemical Solution
Desposition And Their Electrical
Characterization. The Middle East
Technical University. [21 Mei 2005]
[12] Cari, A. Supriyanto, Suparmi, J.D
Malago, Irzaman, T. Sumardi, M. Hikam,
I. Usman, A. Sapu. 2004. Optical
Properties of Gallium Oxide and
Tantalum Oxide Doped BaTio3 Thin
Films. Prosiding Pertemuna Ilmiah Ilmu
Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2004.
13
[13] J.D Malago, Syamsu, A. Supriyanto, F.S.
Arsyad, W.W. Wenas, T. Winata, dan M.
Barmawi. 1999. Proceeding, Industrial
Electronic Seminar 1999 (IES’99).
[14]Rong Wu, Piyi Du, Wenjian Weng,
Gaorong Han. 2004. Preparation and
Preparations and Dielectric properties of
Ba0.80Sr0.20TiO3/PbO–B2O3 Thick Films.
www.sciencedirect.com[ 7 Agustus 2005]
[15]Ari, Chandra. 2002. Penumbuhan Lapisan
ZnO dengan Metode Chemical Solution
Deposition (CSD) dan Bantuan Alat Spin
Coating [Skripsi]
[16]Cullity. D.B. 2001. Element of X-Ray
Diffraction, Third Edition, New Jersey,
Prentince Hall Inc.
[17]K. Karin, Roos. Arne. 2002. Optical
Characterization of Nanostructure ZnO
and TiO2. Journal of Optical Materials.
Vol. 20 hal 35-42
[18]Hodes, Gray and Calzaferri, Gion. 2002.
Chenical Solution Desposition of Silver
Halide Film Advance Function Material.
Vol. 8 hal. 501-505
[19]D.C. William Jr. 1997. Material Scince
and Engeneering, Forth Edition, Canada,
Jhon Wiley and Sons Inc.
[20]M. Jahya. 1997. Penentuan Koefisien
Absorpsi Optis Semikonduktor Amorf
dan Mikrokristalin Silikon Karbon.
Skripsi. Jurusan Fisika . Fakultas MIPA.
Universitas Indonesia,
14
LAMPIRAN
15
Lampiran 1 Pola XRD film tipis BFST dengan variasi suhu
250
I (intensitas)
200
150
100
50
0
0
20
40
Sudut 2 θ /
60
80
100
80
100
o
BFST 300oC
300
I (intensitas)
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
Sudut 2θ /o
BFST 400oC
16
300
I (intensitas)
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
Sudut 2θ /
80
100
o
BFST 500oC
300
Intensitas
250
200
300
150
400
500
100
50
0
0
20
40
sudut 2θ /
60
o
Pola difraksi gabungan tiga suhu
80
100
17
Lampiran 2. Grafik transmitansi film BFST sebagai fungsi panjang gelombang dengan variasi
suhu
90.0000
80.0000
Transmitance
70.0000
60.0000
50.0000
40.0000
30.0000
20.0000
10.0000
0.0000
180
280
380
480
580
680
780
880
Wavelength (nm)
Transmitance
BFST 300oC
100.0000
90.0000
80.0000
70.0000
60.0000
50.0000
40.0000
30.0000
20.0000
10.0000
0.0000
0
200
400
600
Wavelength (nm)
BFST 400oC
800
1000
transmitance
18
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
lambda (nm)
Transmitance
BFST 500oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
180
300
400
500
280
380
480
580
680
Wavelength (nm)
Grafik gabungan tiga suhu
780
880
19
Lampiran 3. Grafik
αhv
film BFST sebagai fungsi energi (hv) dengan variasi suhu
14000
(α hv)1/ 2 (eV /m ) 1/ 2 .
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
energi (eV)
Film BFST 300oC
12000
(α hv)1/2 (eV/m) 1/2
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
energi (eV)
Film BFST 400oC
5
6
7
20
14000
(α hv)1/2 (eV/m ) 1/2
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
energi (eV)
Film BFST 500oC
14000
(α hv)1/2 (eV/m) 1/2.
12000
10000
300
8000
400
6000
500
4000
2000
0
0
1
2
3
4
energi (eV)
Garfik gabungan tiga suhu
5
6
7
21
Lampiran 4. Morfologi permukaan film BFST dengan variasi suhu
Film BFST 300oC
Film BFST 400oC
Film BFST 500oC
22
Lampiran 5. Morfologi penampang film BFST dengan variasi suhu
Film BFST 300oC
Film BFST 400oC
Film BFST 500oC
23
Oleh :
ANANTO YUDI HENDRAWAN
G74102029
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2006
ABSTRAK
ANANTO YUDI HENDRAWAN. Sifat Optik Film Tipis Ba0.5Sr0.5TiO3
dibimbing oleh MERSI KURNIATI, M.Si
Doping Fe2O3
Telah dilakukan penumbuhan film Ba0.5Sr0.5TiO3 1 M doping Fe2O3 10 % diatas gelas Corning
dengan metode Chemical Solution Desposition (CSD). Karakterisasi film dilakukan untuk
menentukan besar celah optik dengan variasi suhu 300 oC, 400 oC dan 500 oC. Hasil karakterisasi
X-Ray Diffraction (XRD) memperlihatkan bahwa film belum menunjukan struktur mikrokristalin
untuk semua variasi suhu hal ini dikarenakan film Ba0.5Sr0.5TiO3 baru akan maksimal terbentuk
struktur mikrokristalin sempurna pada suhu 800 oC. Hasil karakterisasi Scanning Electron
Microscope(SEM) memperlihatkan tebal film tipis untuk suhu 300 oC, 400 oC dan 500 oC 0.097
μm , 0.418 μm dan 0.25 μm . Besar celah energi optik yang terbentuk sebesar 3.11 eV untuk
BFST dengan suhu annealing 300oC, Eg 3.51 eV untuk BFST dengan suhu annealing 400oC dan
3.46 eV untuk BFST dengan suhu annealing 500oC.
.
Kata kunci : CSD, Annealing
SIFAT OPTIK FILM TIPIS Ba0.5Sr0.5TiO3 DOPING Fe2O3
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Oleh :
ANANTO YUDI HENDRAWAN
G74102029
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2006
Judul Skripsi : SIFAT OPTIK FILM TIPIS Ba0.5Sr0.5TiO3 DOPING Fe2O3
Nama
: ANANTO YUDI HENDRAWAN
NRP
: G74102029
Menyetujui :
Pembimbing I
Mersi Kurniati, M.Si
NIP. 132 206 237
Mengetahui :
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS
NIP. 131473999
Tanggal Lulus :
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 5 Agustus 1983 sebagai anak pertama dari dua
bersaudara dari pasangan Juwani dan Sudarmi S.Pd.
Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD Negeri Ciluar IV pada tahun 1996, pendidikan
menengah tingkat pertama di SMP Negeri 1 Bogor tahun 1999, dan melanjutkan ke SMA Negeri 2
Bogor.
Pada tahun 2002, penulis diterima di Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan
Seleksi Masuk IPB (USMI) sebagai mahasiswa di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama kuliah penulis aktif diberbagai kegiatan organisasi mahasiswa antara lain sekretaris
Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) tahun 2003-2004, Ketua Umum BEM FMIPA IPB tahun
2004-2005, Menteri Pendidikan BEM KM IPB 2005-2006 , dan Event Organizer (EO) Tingkat
Nasional diantaranya Pesta Sains 2003, Sains Expo 2003, Pelatihan Kewirausahaan 2003,
Kompetisi Fisika 2004 dan Ketua Masa Perkenalan Fakultas MIPA 2004
PRAKATA
Segala puji kepada Allah SWT tuhan semesta alam yang telah melimpahkan nikmat Iman dan
nikmat Islam, Sholawat serta Salam semoga tetap tercurah kepada suri tauladan ummat Rasulullah
Muhammad SAW.
Suatu rasa syukur yang sangat besar, pada akhirnya dengan penuh kesabaran serta
ketekunan karya ini dapat diselesaikan dengan baik. Skripsi ini berjudul SIFAT OPTIK FILM
TIPIS Ba0.5Sr0.5TiO3 DOPING Fe2O3.
Merupakan kebanggaan bagi penulis, dan patutlah penulis haturkan terima kasih kepada :
1. Alloh SWT yang telah memberikan kesabaran serta nikmat untuk menyelesaikan tugas ini.
2. Ayah dan Ibu tercinta yang dengan sabar terus memberikan doa dan dukungan kepada
anakmu ini.
3. Mersi Kurniati, M.Si selaku pembimbing I yang dengan penuh kesabaran menjawab
pertannyaan – pertannyaan yang kami ajukan.
4. Dr. Irzaman, M.Si yang memberikan masukan kepada kami
5. Akhiruddin Maddu, M.Si sebagai dosen penguji pada seminar usul, seminar hasil dan sidang
sarjana untuk segala masukan dan motivasinya yang telah diberikan.
6. Ir. Irmansyah, M.Si sebagai dosen penguji pada seminar hasil dan sidang sarjana
7. Ir. Hanedi Darmasetiawan, M.S terima kasih atas masukannya.
8. Departemen Fisika khususnya Bapak Firman atas segala perhatian dan bantuannya kepada
penulis.
9. Bapak Bambang Sugeng, Bapak Sulistyo Giat dan Bapak Wisnu (BATAN) atas bantuannya
dalam karakterisasi XRD.
10. Bapak Ida Usman (ITB) atas bantuannya dalam karakterisasi I-V dan Ferroelektrik .
11. Bapak Wikanda PPGL Bandung atas bantuannya dalam karakterisasi SEM.
12. Teman seperjuangan dalam penelitian ini “Cucu, Tyo, Eko S, Rhian”.
13. Adikku yang imut dirumah.
14. Penjahat ELVO : Niko “Bakabon”, Sonny “Jhintol”, Lutfan “Thoghe”, Arif “Komti”,
Marwan ”Tulang” , Eko “ Jhambie”, Tedi , Ryan, Anam, Eko “Kofir”dan No2.
15. Rekan-rekan seperjuangan FISIKA ’39 yang di ELVO, Kos Bravo, Salsabila, dan Kos-kosan
yang lainnya (Erus, Budi Teguh) . Terima kasih atas segala bantuan dan kerjasamanya,
semoga kita tetap menjaga silaturahmi sampai tua nanti.
16. Rekan-rekan FISIKA ’37, FISIKA ’38, FISIKA ’40, FISIKA ’41, INSTEK ’39, dan ELTEK
’40 atas dukungan serta bantuannya kepada penulis.
17. Rekan-rekan seperjuangan di HIMAFI 2002-2003 & 2003-2004. Terima kasih atas dukungan,
keceriaannya, dan rasa kebersamaannya.
18. Rekan-rekan seperjuangan di BEM FMIPA IPB 2004-2005 yang telah menunjukan
semangatnya dalam bekerja
19. Rekan-rekan seperjuangan di BEM KM IPB 2005-2006 (mas Jenal, Hanif “endut”, Cep
Hilman, Fadhli, Yunus, Teguh dan Abud)
Semoga karya ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Bogor, November 2006
Ananto Yudi Hendrawan
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ........................................................................................................................... viii
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................................... viii
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................................................... viii
PENDAHULUAN ..............................................................................................................................
Latar Belakang ............................................................................................................................
Tujuan Penelitian ........................................................................................................................
Waktu dan Tempat Penelitian .....................................................................................................
1
1
1
1
TINJAUAN PUSTAKA....................................................................................................................... 1
Sifat Optik Semikonduktor ........................................................................................................... 1
Bahan Barium Stronsium Titanat (BST) ...................................................................................... 2
Bahan Pendadah ............................................................................................................................ 2
Ferrium Oksida (Fe2O3) ................................................................................................................ 2
Metode Chemical Solution Deposition (CSD) ............................................................................. 3
Spin Coating .................................................................................................................................. 3
Karakterisasi BFST dengan XRD................................................................................................. 4
Karakterisasi BFST dengan Spektroskopi Uv-Vis ....................................................................... 5
BAHAN DAN METODE .................................................................................................................. 6
Bahan dan Alat ............................................................................................................................ 6
Metode Penelitian ....................................................................................................................... 6
Deposisi lapisan Ba0.5Sr0.5TiO3 doping Fe2O3 ...................................................................... 6
Preparasi sample .................................................................................................................. 6
Karakterisasi dengan XRD ................................................................................................... 6
Karakterisasi dengan SEM .................................................................................................. 7
Karakterisasi dengan Spektroskopi UV-Vis ....................................................................... 7
HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................................................................... 9
Pembuatan film tipis BFST........................................................................................................... 9
Morfologi dan menentukan ketebalan film dengan SEM ............................................................ 9
Menentukan nilai transmitansi dan koefisien absorpsi dengan Uv-Vis..................................... 10
Menentukan celah energi optik (Eg) .......................................................................................... 10
Analisis struktur kristal dengan XRD......................................................................................... 11
SIMPULAN DAN SARAN ............................................................................................................. 12
Simpulan ................................................................................................................................... 12
Saran .......................................................................................................................................... 12
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................................... 12
LAMPIRAN ..................................................................................................................................... 14
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Kelebihan dan kekurangan pembuatan film tipis BST ................................................................. 3
2. Tebal film tipis BFST terhadap suhu ........................................................................................... 9
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Kurva koefisien absorpsi optis semikonduktor amorf.................................................................. 2
2. Perubahan parameter kisi Ba0.5Sr0.5TiO3 berdasarkan komposisi Sr ........................................... 2
3. Struktur kristal BaxSr1-xTiO3 ......................................................................................................... 3
4. Proses Spin Coating ...................................................................................................................... 4
5. Proses terjadinya difraksi oleh kisi kristal .................................................................................... 5
6. Skema SEM .................................................................................................................................... 7
7. Diagram proses annealing ............................................................................................................ 7
8. Diagram alir penelitian ................................................................................................................ 8
9. Penampang film BFST dengan perbesaran 20.000X ................................................................... 9
10. Permukaan film BFST dengan perbesaran 20.000X .................................................................... 9
11. Pengukuran transmitansi sebagai fungsi dari panjang gelombang ............................................ 10
12. Pengukuran koefisien absorbsi sebagai fungsi dari panjang gelombang .................................. 10
13. Pengukuran koefisien absorpsi sebagai fungsi dari energi ...................................................... 10
14. Menentukan celah energi optik (Eg) suhu 300oC ....................................................................... 10
15. Menentukan celah energi optik (Eg) suhu 400oC ........................................................................ 10
16. Menentukan celah energi optik (Eg) suhu 500oC ....................................................................... 11
17. Pola difraksi film BFST suhu 300oC .......................................................................................... 11
18. Pola difraksi film BFST suhu 400oC ........................................................................................... 11
19. Pola difraksi film BFST suhu 500oC ........................................................................................... 11
20. Pola XRD film tipis BFSTsuhu 650 oC, 700 oC, 750 oC, 800 oC ................................................. 12
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Pola XRD film tipis BFST dengan variasi suhu ........................................................................ 15
2. Grafik transmitansi film BFST sebagai fungsi panjang gelombang dengan variasi suhu ........ 17
3. Grafik αhv film BFST sebgai fungsi energi (hv) dengan variasi suhu ................................ 19
4. Morfologi permukaan film BFST dengan variasi suhu .............................................................. 21
5. Morfologi penampang film BFST dengan variasi suhu ............................................................. 22
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perkembangan sains senantiasa selalu
melahirkan sesuatu yang baru dan sangat
dinantikan manfaatnya untuk kepentingan
serta kesejahteraan manusia. Bidang fisika
merupakan salah satu cabang ilmu yang
berperan besar dalam perkembangan sains dan
teknologi sekarang ini khususnya teknologi
bahan yang mendorong mahasiswa untuk
terus memacu diri dalam menguasai ilmu
tentang bahan dalam hal ini tentang film tipis.
Salah satu penelitian yang sedang
berkembang saat ini adalah pemanfaatan
bahan – bahan pyroelektrik dan ferroelektrik
seperti BaTiO3, PbTiO3, PbZrO3, BaxSr1-xTiO3
(BST) yang digunakan untuk peralatan
elektronik dan optoelektronik.
Aplikasi divais optoelektronik seperti sel
surya, fotoresepsor, sensor warna dan thin film
light emitting diode (TFLED). Untuk sel surya
celah pita optik yang lebar digunakan sebagai
lapisan-p untuk meningkatkan absopsi cahaya
kedalam lapisan-I sebagai lapisan aktif. Pada
fotoreseptor, celah pita optik lebar dapat
digunakan sebagai top pasivasion layer dan
bottom blocking layer untuk meningkatkan
besarnya tegangan permukaan divais. Pada
devais sensor warna, diperlukan celah pita
optik lebar untuk mengontrol warna cahaya
yang dikehendaki. Kemudian untuk TFLED,
celah pita lebar (>2,0 eV) diperlukan sebagai
luminescent layer untuk mengontrol warna
emisi dan divais (Malago. dkk. 2003).
Dalam penelitian ini disintesis lapisan tipis
yang
bahan ferroelektrik Ba0.5Sr0.5TiO3
didoping Fe2O3 menggunakan metode
chemical solution deposition (CSD) dengan
spin coating.
Salah satu keuntungan pembuatan lapisan
tipis bahan Ba0.5Sr0.5TiO3 doping Fe2O3 adalah
dapat dilakukan dengan suatu cara yang tidak
memerlukan peralatan dan material yang
kompleks, biaya produksi yang lebih murah
dan mudah dalam pembuatan.
Studi mengenai lapisan tipis bahan
Ba0.5Sr0.5TiO3 doping Fe2O3 ini adalah suatu
hal yang baru dalam bidang material sehingga
diharapkan akan diperoleh sesuatu yang baru
dari hasil karakterisasi bahan tersebut.
Tujuan Penelitian
1. Melakukan pembuatan film tipis
BFST.
2. Mempelajari sifat optik dari lapisan
tipis dengan mempelajari celah pita
energinya.
Waktu dan tempat penelitian
Pembuatan sampel
dilakukan di
laboraturium Fisika Material Departemen
Fisika IPB, untuk karakterisasi dilakukan di
laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika
FMIPA ITB, Laboraturium Kimia FMIPA
ITB, PPGL Bandung dan Pusat Teknologi
Bahan Industri Nuklir Badan Tenaga Nuklir
Nasional dari bulan Juli 2005 sampai bulan
Juli 2006.
TINJAUAN PUSTAKA
Sifat Optik Semikonduktor
Sifat optik zat padat berhubungan dengan
keadaan atom - atom dan elektron - elektron.
Pada beberapa bahan semikonduktor, sifat
optik didaerah spektrum cahaya tampak dan
ultraviolet berhubungan dengan transisi
elektron dari pita valensi ke pita konduksi
sehingga informasi mengenai keadaan keadaan elektron pada kedua pita tersebut
menjadi sangat penting untuk diketahui.
Keadaan - keadaan elektron pada suatu materi
digambarkan dengan struktur pita energi atau
kurva densitas keadaan elektron (Density of
States) material tersebut.
Pada semikonduktor kristal intrinsik
"optical absorption edge" tidak terlalu sulit
untuk ditentukan secara eksperimen. Energi
gap semikonduktor kristal dapat dapat
ditentukan dari kurva absorpsi yaitu harga
energi pada saat kurva absorpsi meningkat
dengan tajam. Pada semikonduktor amorf
optical absorption edge sangat sulit ditentukan
secara eksperimen.
Menurut Cody, Street dan Biegelsen dan
Ley kurva absorpsi optis semikonduktor
amorf dapat dibagi kedalam tiga daerah
seperti terlihat pada gambar 1:
1. Daerah
A,
Merupakan
daerah
"absorption tail" untuk α ≤ 1 cm-1
2. Daerah B, disebut daerah Urbach atau
daerah eksponensial, pada daerah ini
alpha mengikuti hukum eksponensial
terhadap energi untuk 1 cm-1 ≤ α ≤ 103
cm-1
3. Daerah C, disebut daerah pangkat,
alpha daerah ini mengikuti hukum
pangkat atau α (hυ ) = (hυ − Ego )n , untuk
α ≥ 103 cm-1
Transisi optik pada daerah C telah
diselesaikan oleh Tauch, energi gap optis
dapat ditentukan dengan membuat plot linear
dari kurva alpha terhadap energi. Pendekatan
yang diberikan oleh Tauc berlaku untuk
beberapa semikonduktor amorf [20]
2
Gambar 2. Perubahan parameter kisi
Ba0.5Sr0.5TiO3 berdasarkan komposisi Sr
[11]
Gambar 1. Kurva koefisien absorpsi optis
semikonduktor amorf [20]
Bahan Barium Stronsium Titanat (BST)
Film tipis BST telah menjadi perhatian
sejumlah peneliti sejak 15 tahun yang lalu,
kira – kita pada tahun 90-an. Beberapa hal
menarik dari film tipis BST adalah konstanta
dielektrik yang tinggi, low dielectric loss, high
dielectric breakdown dan temperature Curie
bergantung
pada
komposisi
yang
memungkinkan
bahan
memiliki
sifat
paraelektrik sebaik seperti sifat ferroelektrik.
Semua hal diatas menjadikan bahan BST
sebagai kandidat untuk menggantikan SiO2
sebagai penyimpan muatan dielektrik untuk
DRAMs
(Dynamic
Random
Access
Memories). Sekarang ini penelitian tentang
BST juga terkonsentrasi pada aplikasi detektor
inframerah yang tidak didinginkan dan
aplikasi microwave monolithic integrated
circuit [11].
Komposisi film BST dengan konsentrasi
Ba yang tinggi mengakibatkan bahan tersebut
menjadi ferroelektrik jika BST berada
dibawah suhu Curienya yaitu pada suhu
ruang. Untuk % mol Sr ≤ 0.25, struktur BST
adalah ferroelektrik tetragonal perovskite.
Untuk komposisi yang lain untuk % Sr ≥
0.25, struktur berubah ke paraelektrik kubik
perovskite. Gambar 2 menunjukan perubahan
berdasarkan
parameter kisi BaxSr1-xTiO3
komposisi Sr (Adem. 2003).
Menurut ICDD (International Center for
Diffraction Data), BST memiliki sistem
kristal kubik dengan konstanta kisi, a = 3,947
o
untuk konsentrasi 30 % stronsium.
Dari penelitian yang telah dilakukan
sampai saat ini, lapisan tipis BST biasanya
memiliki konstanta dielektrik yang jauh lebih
rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya.
Stuktur mikro butir yang baik, tingkat tekanan
yang tinggi, kekosongan oksigen, formasi
lapisan interfacial, dan oksidasi pada bottom
electrode atau Si dipercaya menjadi faktor
yang menyebabkan penurunan sifat listrik
material tersebut [3].
Bahan Pendadah
Penambahan
sedikit
dopan
dapat
menyebabkan perubahan parameter kisi,
konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat
elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari
keramik dan film tipis [Supriyatman, 2004].
Bahan
pendadah
pada
material
ferroelektrik dibedakan menjadi dua jenis,
yaitu soft doping dan hard doping. Ion soft
doping
dapat
menghasilkan
material
ferroelektrik menjadi lebih soften. Seperti
koefisien elastis lebih tinggi, sifat medan
koersif yang lebih rendah, faktor kualitas
mekanik yang lebih rendah dan kualitas listrik
lebih rendah. Soft doping disebut juga dengan
istilah donor doping karena menyumbang
valensi yang berlebih pada struktur kristal
BST [5].
Ion hard doping dapat menghasilkan
material ferroelektrik menjadi lebih hardness,
seperti loss dielectric yang rendah, bulk
resistivitas yang rendah, sifat medan koersif
lebih tinggi, faktor kualitas mekanik yang
lebih tinggi dan kualitas listrik lebih tinggi.
Hard doping disebut juga dengan istilah
acceptor doping karena menerima valensi
yang berlebih didalam struktur kristal BST [2]
Α untuk konsentrasi stronsium 50% dan a =
o
3,965 Α untuk konsentrasi stronsium 40 %.
Girindharan.dkk., Mendapatkan BST dengan
o
konstanta kisi a = 3,97 Α .
Ferrium Oksida (Fe2O3)
Material ferium oksida (Fe2O3) merupakan
material pendadah ion akseptor (acceptor
doping) Fe3+ [5]. Fe2O3 memiliki struktur
3
Tabel 1. Kelebihan dan kekurangan dalam
pembuatan film tipis BST [11]
Method
Chemical
Solution
Desposition
/Sr2+
Pulsed Laser
Desposition
Gambar 3. Struktur kristal BaxSr1-xTiO3
Advantages
- Inexpensive,
- Rapid
sampling of
materials
- Homogeneity
- Low
processing
temperatures
- Rapid
sampling of
materials
- Quickly
produce new
materials
kristal rombohedral dengan konstanta kisi a =
Limitations
- Phase control
- Morphology
- Reproducibility
- Morphology
- Point defect
concentration
- Scalability
(small areas
only)
- Uniformity
- High residual
stress
o
5,0329 ± 0,001 Α dan b = 13,7492 ±
o
0.001 Α . Densitas Fe2O3 adalah 5,24 gr/ml dan
titik lelehnya adalah 1565 oC [7]. Fe2O3 tidak
larut dalam air namun dapat larut dalam asam
[6]. Penambahan ion Fe3+ akan membentuk
ruang kosong diposisi ion O2-. Ion dopan Fe3+
memiliki valensi lebih dari 4+, maka
kekurangan muatan positif (+) akan terjadi
pada struktur perovskite dan terbentuk ruang
kosong diposisi ion oksigen sebagai
kompensasi untuk menjaga kenetralan muatan
(electroneutral balance). Semakin banyak
maka
akan
penambahan
ion
Fe3+
menyebabkan semakin banyaknya ion oksigen
terlepas [5].
Metode Chemical Solution Deposition
(CSD)
Chemical solution deposition telah dikenal
sebagai suatu metode deposisi film
semikonduktor sejak 1869 ketika mendeposisi
PbS dan PbSe (Hodes. G, 2002). Metode
chemical solution deposition merupakan suatu
cara
pembuatan
film
tipis
dengan
pendeposisian larutan kimia diatas substrat
kemudian dipreparasi dengan spin coating
dengan
kecepatan
putar
tertentu
(Darmasetiawan dan kawan-kawan didalam
Sumardi. T, 2004). Dalam proses kimia pada
chemical
solution
deposition
dicoba
digunakan larutan garam sederhana seperti
asetat bukan dengan metal alkoksida untuk
mendapatkan sol. Penambahan asam pada
chemical solution deposition digunakan
sebagai katalis dan pengontrol hidrolisis.
Masalah utama dalam proses chemical
solution deposition adalah kestabilan sol,
terkadang
terjadi
endapan
selama
penyimpanan atau penggunaan bergantung
Sputtering
MOCVD
- Cost
- Uniformity
- Scalability
- Standard IC
processing
- Low growth
temperatures
- Uniformity
- Morphology
- Small
- Scalability
- Point defect
Concentration
- Residual stresses
- Stoichiometry
control
- Slow deposition
rate for
oxides
- Immature
technology
- Precursor
stability
- Precursor
availability
- Expensive
dari pelarut yang digunakan, volume air, asam
dan temperatur.
Perbandingan metode CSD dengan metode
lain dalam pembuatan film tipis BST dapat
dilihat pada tabel 1.
Spin Coating
Proses spin coating dibagi menjadi empat
tahap yaitu tahap deposisi, spin-up, spin-off
dan evaporasi. (Borside et al 1987, didalam
Brinker dan Scherrer 1990). Tahap-tahap
ditunjukan pada gambar 4.
Tahap pertama dimulai dari diteteskan atau
dialirkannya cairan bahan pelapis berupa gel
diatas substrat. Pada tahap desposisi substrat
belum diputar. Kemudian pada pada tahap
berikutnya, tahap spin-up, substrat mulai
diputar. Akibatnya gaya sentrifugal cairan
akan tersebar secara radial keluar dari pusat
putaran. Besar percepatan sudut pada tahap
spin-up tidak sama dengan nol, artinya
substrat mengalami percepatan, sedangkan
pada kedua tahap berikutnya laju putaran
mulai konstan sehingga tidak ada percepatan
sudut pada substrat Pada tahap spin off
4
sebagian cairan yang berlebih akan menuju
tepi substrat membentuk tetesan – tetesan.
Semakin menipis lapisan yang terbentuk
semakin berkurang tetesan – tetesan yang
terbuang. Hal ini karena semakin tipis lapisan
hambatan alirnya semakin besar. Selain itu
viskositas juga semakin besar. Bertambahnya
viskositas ini sebanding dengan meningkatnya
konsentrasi komponen cairan yang tidak
menguap (nonvolatile). Tahap yang terakhir,
evaporasi, merupakan mekanisme utama dari
proses penipisan lapisan. Salah satu kelebihan
metode spin coating adalah ketebalan lapisan
yang terbentuk cenderung seragam (uniform)
selama tahap spin off, viskositas juga seragam,
tidak bergantung pada jarak dari pusat
putaran. Hal ini dimungkinkan oleh adanya
keseimbangan antara gaya utama yang
berperan dalam spin coating. Kedua gaya
tersebut adalah gaya sentrifugal, yang
menyebabkan cairan mengalir keluar secara
radial dari pusat putaran, dan gaya viskos
(gesekan) yang arahnya menuju ke pusat
putaran (Brinker and Scherer, 1990).
Ketebalan lapisan yang terbentuk ditentukan
oleh dua parameter utama yaitu viskositas dan
laju putaran (angular speed) disamping
parameter lainnya selain waktu yang singkat.
Akan tetapi parameter tersebut dapat
berpengaruh pada keseragaman lapisan.
Gambar 4. Proses Spin Coating [14]
Karakterisasi BFST dengan XRD
Fungsi XRD adalah untuk menentukan
sistem kristal (kubus, tetragonal, orthorombik,
rombohedral, heksagonal), mencari parameter
kisi, diameter kristal, analisa kimia (Cullity
2001)
Difraksi sinar-X oleh atom-atom yang
tersusun didalam kristal akan menghasilkan
pola yang berbeda bergantung pada
konfigurasi atom-atom pembentuk kristal.
Elektron yang dipancarkan dengan
tegangan sangat tinggi menumbuk target (Cu,
Cr, Fe, Co, Mo dan W). Energi kinetik
elektron yang menumbuk target diantaranya
berubah menjadi panas dan sinar-X, sinar-X
yang dipancarkan dalam peristiwa ini
terdistribusi secara kontinu dengan λ yang
berbeda.
Tumbukan antara elektron yang dipercepat
dengan atom target bersifat inelastik. Jika
energi elektron yang datang memiliki energi
yang cukup maka akan mementalkan elektron
pada kulit K, sehingga atom dalam keadaan
tereksitasi dan diisi oleh elektron dari kulit L
atau M. Proses transisi ini diikuti oleh
pelepasan energi berupa radiasi sinar-X .
dengan panjang gelombang tertentu dan
disebut dengan berkas sinar-x karakterisasi
Kα dan Kβ. Gambar 5 memperlihatkan proses
tumbukan antara elekton yang dipercepat dan
atom dimana peristiwa tersebut memenuhi
hukum Bragg.
Sinar-X ditembakan pada material
sehingga terjadi interaksi dengan elektron
dalam
atom.
Ketika
foton
sinar-X
bertumbukan elektron, beberapa foton hasil
tumbukan akan mengalami pembelokan dari
arah datang awal. Jika panjang gelombang
2d sin θ = λn
(1)
5
dengan ; I 0 = intensitas radiasi datang ; I =
intensitas radiasi yang diteruskan ; ε =
absorptivitas (kadar) zat penyerap.
Untuk sampel yang berbentuk padat
dirumuskan
I = I 0 exp(−αd )
Gambar 5. Proses terjadinya difraksi oleh kisi
kristal [9]
hamburan sinar-X tidak berubah (foton sinar-x
tidak kehilangan banyak energi) dinamakan
hamburan elastik (hamburan Thompson) dan
terjadi transfer momentun dalam proses
hamburan. Sinar-X ini yang digunakan untuk
pengukuran sebagai hamburan sinar-X yang
tersusun periodik dalam kristal, gelombang
membawa informasi distribusi elektron dalam
material.
Gelombang yang terdifraksikan dari atomatom berbeda dapat saling mengganggu dan
distribusi intensitas resultannya termodulasi
kuat oleh interaksi ini. Syarat terjadinya
difraksi harus memenuhi hukum Bragg 2d sin
θ = n λ. Jika atom-atom terdifraksi akan
terdiri dari interferensi maksimun tajam
(peak) yang simetri, peak yang terjadi
berhubungan dengan jarak antar atom.
Untuk mencari paramater kisi struktur
kristal tetragonal berlaku persamaan (Cullity,
2001)
(
)
(2)
sin 2 θ = A h + k
+ Cl 2
hkl = bidang pantul/indeks Miller ; θ =sudut
difraksi sinar-X ;
(4)
Transmitans adalah fraksi dari radiasi
datang yang diteruskan oleh sampel dan
dirumuskan dengan [19].
T=
I
I0
(5)
Sedangkan absorbans merupakan kebalikan
dari transmitans yaitu fraksi dari radiasi
datang yang diserap oleh sampel dan
dinyatakan dengan persamaan, untuk R yang
sangat kecil
A = log
I
1
= log 0 = − log T
T
I
(6)
Dari persamaan (4) dan (6) didapatkan
persamaan [17].
⎡I ⎤
log ⎢ 0 ⎥ = αd = A
⎣I ⎦
(7)
2
λ = panjang gelombang
Karakterisasi BFST dengan spektroskopi
UV-VIS
Pada penelitian ini karakterisasi dengan
spektroskopi UV-VIS dilakukan untuk
mengamati sifat optik dari sampel yang
diperoleh, sifat optik yang dihitung pada
penelitian
ini
meliputi
pengamatan
transmitansi dan perhitungan celah energi
optik.
Radiasi yang diserap oleh sampel
ditentukan dengan membandingkan intensitas
dari berkas radiasi yang diteruskan bila zat
penyerap tidak ada dengan intensitas yang
diteruskan bila zat penyerap ada. Hal ini
dinyatakan oleh rumus dibawah ini [Hukum
Beer-Lambert]
I = I 0 exp(− εdc )
(3)
merupakan
Koefisien absorpsi ( α )
karakteristik molekul penyerap tertentu dan
pada panjang gelombang tertentu pula,
sehingga persamaan (7) dapat ditulis sebagai
Aλ = α λ d
(8)
Berdasarkan persamaan (6) dan (8),
hubungan transmitans dan absorbans sebagai
fungsi panjang gelombang dapat dinyatakan
dengan persamaan
αλ =
⎡ 100 ⎤
1
log ⎢
⎥
d
⎣ T (% ) ⎦
(9)
Absorpsi yang terjadi pada bahan – bahan
semikonduktor
menyebabkan
terjadinya
eksitasi elektron dari pita valensi ke pita
konduksi. Untuk menentukan celah energi
berlaku persamaan [17].
6
α (hv ) = C (hv − Eg )n
(10)
α
= koefisien absorpsi; C = konstanta ; hv =
energi foton ; E g = energi celah; dan nilai n
=1/2, hal ini dikarenakan celah energi optik
dari film tipis Ba0.5Sr0.5TiO3 doping Fe2O3
memiliki transisi langsung dimana nilai
minimum dari pita konduksi dan nilai
maksimum pita valensi bertemu pada satu
harga momentum yang sama.
BAHAN DAN METODE
Bahan dan alat
Bahan yang digunakan pada penelitian ini
adalah :
1. [Ba(CH3COO)2]
2. [Sr(CH3COO)2]
3. [Ti(C12O4H28)]
4. H3COCH2CH2OH
5. Fe2O3
6. Substrat corning
Alat yang digunakan pada penelitian ini
adalah :
1. Timbangan sartonius model BL 6100
2. Seperangkat alat reaktor spin coating
3. Gas Hidrogen
4. Mortal
5. Pipet
6. Spatula
7. Pinset
8. Tissue
9. Gelas ukur pyrek 10 ml
10. Corong pyrek
11. Tabung reaksi 2 buah
12. Kompressor
13. Gunting
14. Kertas saringan
15. Isolasi
16. Stop watch
17. Multimeter
18. Sarung tangan karet
19. Masker
Metode Penelitian
Metode penelitian ini dilakukan dengan
eksperimen murni laboraturium. Metode
penelitian ini terdiri dari tiga tahap. Tahap
pertama, pembuatan larutan dengan metode
chemical solution deposition, tahap kedua,
melakukan eksperimen pembuatan film tipis
dengan bantuan alat spin coating, tahap
ketiga, karakterisasi struktur mikro serta sifat
optik. Tahapan penelitian tercantum pada
diagram alur dalam gambar 8.
Deposisi lapisan Ba0.5Sr0.5TiO3doping Fe2O3
Penelitian ini menggunakan metode
chemical
solution
deposition
yaitu
pendeposisian larutan kimia diatas substrat.
Dengan metode chemical solution deposition
dan tehnik spin coating diharapkan
pendeposisian lapisan tipis Ba0.5Sr0.5TiO3
doping Fe2O3 diatas substrat corning memiliki
ketebalan yang baik dan merata sehingga akan
dihasilkan absorpivitas dan nilai transmitans
yang baik juga. Dalam penelitian ini,
disiapkan bahan-bahan yang digunakan yaitu,
barium acetate, strontium acetate, titanium
isopropoxide, ferrum oxide dan metoksi
etanol.
Preparasi sampel
Membuat larutan BFST 1 M :
1. Senyawa [Ba(CH3COO)2] 0.2553 g
2. Senyawa [Sr(CH3COO)2] 0.2056 g
3. Senyawa [Ti(C12O4H28)] 0.5660 g
4. Pendadah Fe2O3 0.047 g
5. Pelarut H3COCH2CH2OH 2 ml
Membuat film tipis BFST 1 M :
1. Kocok larutan BFST selama 1 jam
2. Saring larutan sampai tak bersisa.
3. Teteskan larutan diatas substrat
kemudian di spin selama 30 detik.
4. Kemudian dikeringkan selama 1
menit
5. Lakukan langkah 4 & 5 lima kali
Memanaskan sampel BFST 1 M :
1. Sampel dipanaskan dengan kenaikan
suhu 100oC/ jam sampai suhu
annealing yang diinginkan kemudian
ditahan selama delapan jam.
2. Suhu annealing yang diinginkan ada
tiga yaitu 300oC, 400oC dan 500oC.
Karakterisasi dengan XRD
Alat XRD yang digunakan Shimadzu
XRD 610.
Preparasi sample XRD:
1. Disiapkan sampel yang sudah
panaskan sebanyak 1 buah..
2. Kemudian
sampel
dimasukan
kedalam holder yang berukuran 2 x 2
cm2.
3. Holder berisi sampel dikait pada
diffraktometer.
4. Pada komputer di set nama sampel,
sudut awal, sudut akhir, dan
kecepatan analisa. Sudut awal pada
5o dan sudut akhir pada 85o
kecepatan baca di set 2o per menit
7
5.
Setelah itu di run
Karakterisasi dengan SEM
Alat SEM yang digunakan SEM JEOL
Preparasi sampel SEM:
1. Sampel
diletakan
pada
plat
aluminium yang memiliki dua sisi.
2. Kemudian dilapisi dengan lapisan
emas setebal 48 nm.
3. Sampel yang telah dilapisi diamati
menggunakan SEM dengan tegangan
22 kV dan perbesaran 20.000 kali.
Karakterisasi Spektroskopi UV-Vis
Alat UV-Vis yang digunakan adalah
Hewlet Packard 8452 A.
Gambar 7. Diagram proses annealing
Preparasi sampel UV-Vis:
1. Sampel dimasukan kedalam kuvet.
2. Sampel berupa corning murni
diletakan lurus dengan sinar.
3. Siap diukur dengan spektroskopi
UV-Vis
pada
range
panjang
gelombang 190 – 820 nm.
Sumber
Celah Lensa
Lensa
Celah Lensa
Lensa
Koil
Detekto
Lensa akhir
Sinyal
Sampel
Holder
Gambar 6. Skema SEM
(__. 2002. Scanning Electron Microscope.
Oxford Univ[10].
15 jam
Tann
100oC/jam
To
Penelusuran literatur dan
Penyususnan proposal
8
barium asetat
[Ba(CH3COO)2,
99%]
strontium
asetat
[Sr(CH3COO)
2, 99%]
titanium
isopropoksida
[Ti(C12O4H28),
99,999%]
bahan
pendadah
Fe2O3
2metoksietanol
[H3COCH2CH2
OH, 99%]
Dikocok selama 1 jam
Dipanaskan
5 menit
Disaring
spin coating pada 3000 rpm selama 30 detik diatas corning yang berukuran 15 mm x 10 mm
sebanyak lima kali pengulangan
annealing pada suhu
300, 400 dan 500oC
waktu 15 jam
Film tipis
BFST
karakterisasi dengan XRD.
UV-VIS dan SEM
Pengolahan dan analisis
Penyusunan laporan
Gambar 8. Diagram alir penelitian
9
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembuatan Film Tipis BFST
Telah dibuat film tipis Ba0.5Sr0.5TiO3
dengan doping Fe2O3.
dengan metoda
Chemical
Solution
Deposition
yang
dipreparasi dengan spin coating
dengan
kecepatan putar 3000 rpm dan variasi suhu
annealing 300 oC, 400 oC dan 500 oC.
Pada saat annealing penurunan suhu
sampel dibiarkan tanpa tenggat waktu sampai
kembali ke suhu ruangan. Hal ini dilakukan
untuk mencegah terjadinya cracking pada film
yang diakibatkan oleh perubahan suhu yang
ekstrim.
Morfologi dan mementukan Ketebalan
Film dengan SEM
Hasil analisa SEM untuk melihat
permukaan dan penampang BFST dapat
dilihat pada Gambar 9 dan 10.
Pada gambar 9a terlihat penampang lapisan
film yang yang tidak terlalu rata. Hal ini
diakibatkan adanya penggumpalan pada saat
proses spin coating Pada gambar 9b. tebal
lapisan sudah seragam. Hal ini juga terlihat
pada gambar 9c. Dimana terlihat jelas batas
antara film tipis dan substrat
Pada gambar permukaan terlihat bintik
putih yang semakin terlihat jelas dengan
bertambahnya suhu annealing. Bintik putih
tersebut
timbul
dikarenakan
tidak
tercampurnya larutan secara merata sehingga
menimbulkan gumpalan – gumpalan pengotor
seperti bintik putih tersebut.
b
c
Gambar 9. Gambar penampang film tipis
BFST dengan perbesaran 20.000X
a
Tabel 2. Tebal film tipis BFST terhadap suhu
Tebal Film (um)
Suhu (oC)
300
0.0979
400
0.4184
500
0.2500
a
b
10
terlihat bahwa koefisien absorpsi maksimum
terdapat pada panjang gelombang 218 nm
untuk film tipis BFST 300oC dan berturut
turut pada suhu 400oC dan 500oC pada
panjang gelombang 250 nm dan 248 nm.
c
Gambar 10. Gambar permukaan film tipis
BFST dengan perbesaran 20.000X
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
180
dan
3.50E+07
3.00E+07
2.50E+07
-1
α (m )
Transmitance
Menentukan Nilai Transmitansi
Koefisien Absorpsi Dengan UV-Vis
Menentukan Celah Eergi Optik (Eg)
Dari gambar 13 terlihat bahwa untuk
menghitung besar energi celah optik film tipis
dapat digunakan hubungan Tauc-Plot.
Gambar 14 menunjukan αhv sebagai
fungsi dari hv pada film tipis BFST. Seperti
yang diharapkan dari persamaan (10), nilai Eg
dapat diperoleh dengan mengekstrapolasi
grafik pada gambar 14.
(a)
2.00E+07
(b)
1.50E+07
(a)
(c)
1.00E+07
(b)
5.00E+06
(c)
0.00E+00
0
1
2
3
4
5
6
7
E (hv)
280
380
480
580
680
780
880
Wavelength (nm)
Gambar 11. Pengukuran transmitansi sebagai
fungsi dari panjang gelombang. (a) film tipis
BFST 300oC, (b) film tipis BFST 400oC, (c)
film tipis BFST 500oC
Gambar 13. Pengukuran koefisien absorpsi
sebagai
fungsi dari energi. (a) film tipis
BFST 300oC, (b) film tipis BFST 400oC, (c)
film tipis BFST 500oC
.
14000
3.00E+07
-1
α (m )
2.50E+07
(a)
2.00E+07
(b)
1.50E+07
(α hv) 1/ 2 (eV /m ) 1 /2 .
12000
3.50E+07
(c)
10000
8000
6000
4000
2000
1.00E+07
0
5.00E+06
0
0.00E+00
0
200
400
600
800
1
2
3
4
5
6
7
energi (eV)
1000
lambda (nm)
Gambar 12. Pengukuran koefisien absorpsi
sebagai fungsi dari panjang gelombang. . (a)
film tipis BFST 300oC, (b) film tipis BFST
400oC, (c) film tipis BFST 500oC
Gambar 14. Grafik akar koefisien absorpsi
energi sebagai fungsi energi film BFST 300oC
12000
Pengukuran transmitansi dan koefisien
absorpsi dengan menggunakan UV-Vis dapat
dilihat pada gambar 11 dan gambar 12. Pada
film 300 oC terlihat bahwa transmitansi
meningkat tajam pada panjang gelombang 304
nm – 352 nm. Sedang kan pada suhu 400 oC
dan 500 oC berturut-turut 302 nm – 344 nm
dan 302 nm – 354 nm.
Koefisien absorpsi sebagai fungsi dari
panjang gelombang dari film tipis BFST
diplot pada gambar 12. Dari gambar 12
(αhv)1/2 (eV/m) 1/2
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
energi (eV)
Gambar 15. Grafik akar koefisien absorpsi
energi sebagai fungsi energi film BFST 400oC
11
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
energi (eV)
Gambar 16. Grafik akar koefisien absorpsi
energi sebagai fungsi energi film BFST 500oC
Dari hasil ekstrapolasi grafik pada gambar 14
diperoleh nilai Eg 3.11 eV untuk BFST
dengan suhu annealing 300oC, Eg 3.51 eV
untuk BFST dengan suhu annealing 400oC
dan 3.46 eV untuk BFST dengan suhu
annealing 500oC.
Dari data diatas terlihat bahwa nilai Eg
film BFST untuk suhu 400oC paling besar .
Hal ini dikarenakan oleh perbedaan ketebalan
yang dimiliki oleh setiap sampel, film BFST
pada suhu 400oC memiliki Eg yang lebih
tinggi dari sampel yang lain. Sehingga secara
fisis menunjukan untuk film BFST dengan
suhu 400oC diperlukan energi yang lebih
besar pada elektron untuk tereksitasi dari pita
valensi ke pita konduksi.
Dari tabel 2 terlihat bahwa ketebalan film
bervariasi, hal ini disebabkan oleh beberapa
faktor. Pertama faktor suhu substrat, proses
terjadinya film tipis disebabkan atom berdifusi
disekitar substrat yang dipengaruhi temperatur
substrat. Ketika suhu substrat mencapai suhu
optimum, atom yang terbentuk dapat loncat
atau pindah kesamping yang meningkatkan
laju penumbuhan film. Sedangkan ketika
suhu substrat melewati suhu optimumnya,
atom yang terbentuk dapat loncat keluar
permukaan (evaporasi) yang menyebabkan
laju penumbuhan film menurun [5]. Kedua,
metode Chemical Solution Desposition (CSD)
bergantung pada keterampilan penetesan
larutan diatas spin coating, sehingga
ketebalan film yang dihasilkan pun akan
berbeda. Hal lain yang juga mempengarui
ketebalan film adalah ketika pemanasan
sampel. Ketiga, Dari hasil percobaan yang
dilakukan, ada beberapa bagian dari film yang
menjadi kering dan lepas dari substrat
sehingga mengurangi ketebalan awal film
Analisis Struktur Kristal Dengan XRD
Dari hasil analisis pada suhu 300oC film
tipis BFST masih bersifat amorf, hal ini dapat
250
200
I (intensitas)
10000
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
Sudut 2 θ/o
Gambar 17. Pola difraksi film BFST pada
suhu annealing 300oC
300
250
I (intensitas)
(α hv)1/2 (eV/m ) 1/2
12000
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
Sudut 2θ / o
Gambar 18. Pola difraksi film BFST pada
suhu annealing 400oC
300
250
I (intensitas)
14000
dilihat pada gambar 17. Pada Suhu 400oC dan
500oC film tipis BFST juga masih bersifat
amorf. Hal ini terlihat dengan tidak
munculnya puncak untuk film tipis BFST. Hal
lain yang berpengaruh pada penumbuhan
kristal pada film tipis BFST adalah
pemanasan tidak dilakukan pada suhu
optimum terbentuknya kristal pada BFST
yaitu 600oC – 800oC.
Gambar 20 merupakan pola difraksi film
tipis BST pada suhu 650 oC, 700 oC, 750 oC
dan 800 oC. Pada daerah suhu tersebut terlihat
bahwa film tipis BST sudah menunjukan
struktur kristal.
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
Sudut 2θ/o
Gambar 19. Pola difraksi film BFST pada
suhu annealing 500oC
12
Gambar 20. Pola XRD film BST pada suhu
650 oC, 700 oC, 750 oC dan 800 oC (wu, et. Al.
2004)
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Telah dilakukan pembuatan fim tipis
Ba0.5Sr0.5TiO3 yang didoping Fe2O3 dengan
konsentrasi larutan 1 M yang diannealing
selama 15 jam dengan variasi suhu 300 oC,
400 oC dan 500 oC.
Dari hasil XRD terlihat bahwa semua
sampel
tidak
menunjukan
adanya
pembentukan kristal. Hal ini disebabkan
pemanasan sampel tidak dilakukan pada suhu
optimum dimana film akan menunjukan
pembentukan kristal.
Untuk pengukuran Eg diperoleh hasil
berturut – turut untuk suhu 300 oC, 400 oC dan
500 oC adalah 3.11 eV, 3.51 eV dan 3.46 eV.
Dari grafik hubungan Eg(eV) vs T (oC)
terlihat hasil bahwa celah energi optik
berubah ketika temperatur meningkat
Saran
Bagi yang akan melanjutkan penelitian ini
diharapkan untuk menggunakan substrat yang
lebih tahan terhadap suhu tinggi karena
diharapkan film akan membentuk struktur
kristalin serta dapat memvariasikan kadar
doping yang ditambahkan sehingga dapat
melihat besar perubahan celah energi optik
yang terbentuk. Selain tu dapat juga
menambah jumlah untuk divariasikan
terhadap suhu.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Aparna, M T. Bhimasankaram, S.V.
Suryanarayana, G. Prasad, G.S. Kumar.
2001. Effect of Lantanum Doping on
Electrikal
and
Electromechanical
Properties of Ba1-xLaxTiO3. Bull Mater
Sci, Vol 24, No, 5 Page 497-504.
[2] Cole, M. W., R. G. Geyer. 2004. Novel
Tunable Acceptor Doped BST Thin Film
for High QualityMicrowaves Device.
Revista Mexicana de Fisica Vol 50(3)
Page 232-238.
[3] Craciun, V.J.
M. Howard.,
E.S.
Lambers,
R. K. Singh. 2000. Low
Temperature growth of Barium Strontium
Titanate Films by Ultraviolet Assisted
Pulsed Laser Depoasition. Mat. Res. Soc.
Symp. Vol 617. Materials Reserch
Society.
[4] Giridharan,
N. V.,
et al.
2001.
Structural,
morphological
and
Electrical Studies on Barium Strontium
Titanate Thin Film Prepared by Sol-Gel
Technique. Crystal Research Technology
Vol 36(1) Page 65-72.
[5] Irzaman. 2005. Studi Lapisan Tipis
Pyroelektik PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT) yang
Didadah Tantalum dan Penerapanya
Sebagai Detektor Inframerah [Disertasi].
[6] Kotecki et al,. 1999.
( BaSr)TiO3
Dielectric fo r Future Stacked-Capasitor
DRAM. IBM journal of Reserch and
Development. Volume 43. No 3.
[7] Lide, David R. 1962. Handbook of
Chemistry and Physics 71st Edition.
Chemichal Rubber Publishing Company.
USA
[8] Supriyatman. 2004. Uji Sifat Listrik
Struktur Kapasitor Film Tipis Bahan
PbZrxTi1-xO3 Doping In2O3 [Skripsi].
Bogor: Institut Pertanian Bogor
[9] __.2005.
Introduction
to
X-ray
Diffraction.
Materials
Research
Laboratory. University of California
http://www.mrl.ucsb.edu/mrl/index.html
[25 Februari 2005]
[10] __. 2002. Scanning Electron Microscope.
Oxford Univ.
http://www.unl.edu/CMRAcfem/semoptic
.htm [20 Desember 2005]
[11] Adem, Umut. 2003. Preparation of BST
Thin Film By Chemical Solution
Desposition And Their Electrical
Characterization. The Middle East
Technical University. [21 Mei 2005]
[12] Cari, A. Supriyanto, Suparmi, J.D
Malago, Irzaman, T. Sumardi, M. Hikam,
I. Usman, A. Sapu. 2004. Optical
Properties of Gallium Oxide and
Tantalum Oxide Doped BaTio3 Thin
Films. Prosiding Pertemuna Ilmiah Ilmu
Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2004.
13
[13] J.D Malago, Syamsu, A. Supriyanto, F.S.
Arsyad, W.W. Wenas, T. Winata, dan M.
Barmawi. 1999. Proceeding, Industrial
Electronic Seminar 1999 (IES’99).
[14]Rong Wu, Piyi Du, Wenjian Weng,
Gaorong Han. 2004. Preparation and
Preparations and Dielectric properties of
Ba0.80Sr0.20TiO3/PbO–B2O3 Thick Films.
www.sciencedirect.com[ 7 Agustus 2005]
[15]Ari, Chandra. 2002. Penumbuhan Lapisan
ZnO dengan Metode Chemical Solution
Deposition (CSD) dan Bantuan Alat Spin
Coating [Skripsi]
[16]Cullity. D.B. 2001. Element of X-Ray
Diffraction, Third Edition, New Jersey,
Prentince Hall Inc.
[17]K. Karin, Roos. Arne. 2002. Optical
Characterization of Nanostructure ZnO
and TiO2. Journal of Optical Materials.
Vol. 20 hal 35-42
[18]Hodes, Gray and Calzaferri, Gion. 2002.
Chenical Solution Desposition of Silver
Halide Film Advance Function Material.
Vol. 8 hal. 501-505
[19]D.C. William Jr. 1997. Material Scince
and Engeneering, Forth Edition, Canada,
Jhon Wiley and Sons Inc.
[20]M. Jahya. 1997. Penentuan Koefisien
Absorpsi Optis Semikonduktor Amorf
dan Mikrokristalin Silikon Karbon.
Skripsi. Jurusan Fisika . Fakultas MIPA.
Universitas Indonesia,
14
LAMPIRAN
15
Lampiran 1 Pola XRD film tipis BFST dengan variasi suhu
250
I (intensitas)
200
150
100
50
0
0
20
40
Sudut 2 θ /
60
80
100
80
100
o
BFST 300oC
300
I (intensitas)
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
Sudut 2θ /o
BFST 400oC
16
300
I (intensitas)
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
Sudut 2θ /
80
100
o
BFST 500oC
300
Intensitas
250
200
300
150
400
500
100
50
0
0
20
40
sudut 2θ /
60
o
Pola difraksi gabungan tiga suhu
80
100
17
Lampiran 2. Grafik transmitansi film BFST sebagai fungsi panjang gelombang dengan variasi
suhu
90.0000
80.0000
Transmitance
70.0000
60.0000
50.0000
40.0000
30.0000
20.0000
10.0000
0.0000
180
280
380
480
580
680
780
880
Wavelength (nm)
Transmitance
BFST 300oC
100.0000
90.0000
80.0000
70.0000
60.0000
50.0000
40.0000
30.0000
20.0000
10.0000
0.0000
0
200
400
600
Wavelength (nm)
BFST 400oC
800
1000
transmitance
18
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
200
400
600
800
1000
lambda (nm)
Transmitance
BFST 500oC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
180
300
400
500
280
380
480
580
680
Wavelength (nm)
Grafik gabungan tiga suhu
780
880
19
Lampiran 3. Grafik
αhv
film BFST sebagai fungsi energi (hv) dengan variasi suhu
14000
(α hv)1/ 2 (eV /m ) 1/ 2 .
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
energi (eV)
Film BFST 300oC
12000
(α hv)1/2 (eV/m) 1/2
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
energi (eV)
Film BFST 400oC
5
6
7
20
14000
(α hv)1/2 (eV/m ) 1/2
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
energi (eV)
Film BFST 500oC
14000
(α hv)1/2 (eV/m) 1/2.
12000
10000
300
8000
400
6000
500
4000
2000
0
0
1
2
3
4
energi (eV)
Garfik gabungan tiga suhu
5
6
7
21
Lampiran 4. Morfologi permukaan film BFST dengan variasi suhu
Film BFST 300oC
Film BFST 400oC
Film BFST 500oC
22
Lampiran 5. Morfologi penampang film BFST dengan variasi suhu
Film BFST 300oC
Film BFST 400oC
Film BFST 500oC
23