Pengaruh suhu pemanasan terhadap sifat optik lapisan tipis MnS yang ditumbuhkan dengan metode chemical bath deposition
PENGARUH SUHU PEMANASAN TERHADAP SIFAT OPTIK
LAPISAN TIPIS MnS YANG DITUMBUHKAN DENGAN
METODE CHEMICAL BATH DEPOSITION
DHONI SAPUTRA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2006
PENGARUH SUHU PEMANASAN TERHADAP SIFAT OPTIK
LAPISAN TIPIS MnS YANG DITUMBUHKAN DENGAN
METODE CHEMICAL BATH DEPOSITION
DHONI SAPUTRA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2006
One sighted
You'll never understand
to be the followers of a truth that never come
in a flashing light
seek the wrong from right
and stuck with one sight
close your eyes
receive the lies
every little child
has a chance to live to hope and die
and even if we die
we don’t know what we want and what to try
close your eyes
and receive the lies
you will never understand
we are the eyes
you will never understand
we are the eyes
Eyeliner, Trancesectional
2006
DHONI SAPUTRA. Pengaruh Suhu Pemanasan Terhadap Sifat Optik Lapisan Tipis MnS Yang
Ditumbuhkan Dengan Metode Chemical Bath Deposition.
Pembimbing : Akhiruddin Maddu, M.Si
ABSTRAK
Mangan Sulfida (MnS) adalah bahan semikonduktor paduan yang telah lama dikenali dan
diteliti. Bahan ini terutama digunakan dalam aplikasi optoelektronik. Dalam beberapa tahun
terakhir, penelitian terhadap bahan MnS mendapat banyak perhatian, karena bahan ini dapat
digunakan untuk pencampuran dengan Zn dan Cd untuk membentuk (Zn, Mn)S dan (Cd, Mn)S
yang memiliki sifat magneto optik yang menonjol. MnS merupakan bahan semikonduktor
senyawa VII-VI. MnS pada penggunaannya selain berguna untuk perangkat opto-elektronik,
perangkat sel surya sebagai material buffer dan juga merupakan komponen terpenting dalam
teknologi pembuatan baja.
Teknik Chemical Bath Deposition merupakan salah satu dari berbagai macam jenis teknik
deposisi yang sudah lazim digunakan dan banyak dipakai untuk mendapatkan semikonduktor yang
baik. CBD merupakan teknik dimana lapisan tipis semikonduktor dideposisikan pada substrat yang
dicelupkan dalam larutan yang mengandung ion-ion logam dan sumber-sumber ion hidroksida,
sulfida, atau selenida [10]. Metode CBD merupakan metode yang sederhana dan murah serta
dilakukan pada suhu yang rendah (25°C - 90°C). Dengan metode ini juga berbagai lapisan tipis
dapat dibuat. Pada tahun 1991 dilaporkan bahwa lebih dari 35 bahan senyawa yang dapat dibuat
dengan metode ini [10].
Sampel
MnS-1
MnS-2
MnS-3
A
0.661
0.652
1.273
T (%)
66.68
77.62
73.11
n
2.7
2.8
4.51
Eg (eV)
2.7
2.6
2.5
R (%)
31.09
31.2
51.93
Pengaruh suhu annealing lapisan ternyata sangat mempengaruhi beberapa sifat optik
material seperti absorbansi, transmitansi, reflektansi dan indeks bias. Nilai energi celah yang di
dapat adalah antara 2.5 – 2.7 eV sedangkan nilai energi celah bahan semikonduktor MnS adalah
antara 2.6 – 3.9 eV [3].
PENGARUH SUHU PEMANASAN TERHADAP SIFAT OPTIK
LAPISAN TIPIS MnS YANG DITUMBUHKAN DENGAN
METODE CHEMICAL BATH DEPOSITION
DHONI SAPUTRA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
Pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2006
Judul : Pengaruh Suhu Pemanasan Terhadap Sifat Optik Lapisan Tipis MnS
Yang Ditumbuhkan Dengan Metode Chemical Bath Deposition.
Nama : Dhoni Saputra
NRP : G07400036
Menyetujui,
Pembimbing
Akhiruddin Maddu, MSi
NIP 132206239
Mengetahui,
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS
NIP 131473999
Tanggal Lulus: ..............................
PRAKATA
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT (SANG ASA), karena
hanya berkat rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyeleaikan penulisan laporan
penenlitian ini. Laporan penelitian yang berjudul “Pengaruh Suhu pemanasan Terhadap Sifat
optik Lapisan Tipis MnS Yang Ditumbuhkan dengan Metode Chemical Bath Deposition” ini
disusun sebagai persembahan saya bagi SANG ASA, sebagai sedekah yang semoga bermanfaat
bagi dunia dan sebagai pelengkap untuk meraih gelar Sarjana Sains di Departemen Fisika FMIPA
IPB.
Untuk semua dukungan, semangat dan bantuan, penulis ingin menyampaikan terimakasih
sebesar-besarnya kepada:
1. Akhiruddin Maddu, MSi., sebagai pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan
bimbingan, saran dan kepercayaan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Semua Staf di Departemen Fisika FMIPA IPB terutama Pak Yani, Bu Grace, Pak Maulana,
Pak Mus, Pak Firman, Pak Parman, Bu Grace, Pak Toni untuk semua ide , bantuan, arahan,
saran dan informasinya. Pak Sulis dan Pak Bambang dari P3IB-BATAN, Serpong atas segala
niat baiknya.
3. Ir. Hanedi Darmasetiawan, MS. Atas bimbingan dan bantuannya. Pak Nur Indro, Bang Umar,
Pak Irmansyah, Ibu Mersi Kurniati atas dukungan moral dan masukannya.
4. Alm. Mama atas usahanya untuk membesarkan saya dan memberikan dukungan moral yang
tiada batas sampai akhir hayatnya. Untuk Papa dan Mama di Batu Ampar atas nasehatnya
selama saya kuliah. Keluarga Besar HM.Mansyur, keluarga Besar Alm.Hastimar, keluarga
besar Palayu 53, keluarga besar Hasvarani, keluarga besar saya di Paninjauan, Solok.
5. Dhani, Destri, Dhandy, Dina dan Dela atas senyum dan kasih yang kalian berikan kepada
kakak.
6. Mee atas sayang, harapan, kebahagiaan dan tawa yang selalu memberikan semangat bagiku.
Ini untukmu.
7. MAFIA 37(Ami, Reza, Fahd, Kun, Sofyan, Izzu, Kristin, Ina, Apit, Ifa, Leli, Henny, Ias, Esti,
Reni] Ex 37 Bambang dan keponakan-keponakanku dari Ifa n Reni, Schro Catz [Enkz, Cepy,
Fati, Rey, Tongkang, Mance, Fuad, Iwan, Ewing, Iqin, Kun, yerri] atas waktu yang kita
habiskan bersama dalam suka maupun duka. Ciwaluya 9 [wiwid, kaka, monique, rifky], Walet
dan anak-anak Informatika 37 atas waktunya, MAFIA 34, 35, 36, 38
8. Keluarga besar Eyeliner [Subnet6, Fu Kocha and Levi] Blacksmith a.k.a ChePhe dan e|Org
Management, all indie movement, britpop culture, dark wave. Semua orang besar yang
menginspirasikan saya terutama Nabi Muhammad SAW, Jesús Christ, Siddharta Gautama,
Yubal keturunan Adam AS [Bapak semua orang yang memainkan kecapi dan suling] dan
Brian Molko.
9. Terima kasih atas semua dukungan dan harapan teman – teman yang tak tersebut kepada saya
dan permohonan maaf sebesar-besarnya kepada SANG ASA.
Bogor, September 2006
ttd
Penyusun
[Konstanta]
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 22 Desember 1982 dari bapak Muhammad Ridho
Suryadianil dan ibu Dharma Aini. Penulis merupakan putera pertama dari enam bersaudara. Tahun
2000 penulis lulus dari SMA Negeri 54 Jakarta Timur dan lulus seleksi masuk IPB melalui jalur
Ujian Masuk perguruan Tinggi Negeri (UMPTN). Penulis diterima pada program studi Fisika,
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum mata kuliah Fisika
Dasar I dan II serta Fisika Umum tahun 2002-2004. Selain itu penulis juga merupakan vocalist
dari sebuah band indie terkenal di Bogor. Disamping itu penulis juga aktif di lembaga
kemahasiswaan, diantaranya yaitu sebagai anggota HIMAFI dan Himpunan Mahasiswa Islam
(HMI) komisariat FMIPA IPB Bogor.
DAFTAR ISI
Halaman
PRAKATA.........................................................................................................................................i
DAFTAR ISI.................................................................................................................................... ii
DAFTAR TABEL........................................................................................................................... iii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................................................iv
PENDAHULUAN
Latar Belakang ...........................................................................................................................1
Tujuan Penelitian .......................................................................................................................1
TINJAUAN PUSTAKA
Teori Semikonduktor .................................................................................................................1
Material Mangan Sulfida (MnS) ................................................................................................1
Teknik Chemical Bath Deposition (CBD) .................................................................................2
Sifat Optik Bahan.......................................................................................................................3
Absorbansi ..........................................................................................................................3
Transmitansi .......................................................................................................................3
Indeks Bias..........................................................................................................................3
Reflektansi...........................................................................................................................4
Energi Gap..........................................................................................................................4
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat Penelitian ....................................................................................................4
Alat dan Bahan...........................................................................................................................4
Metode Penelitian ......................................................................................................................4
Deposisi Lapisan MnS dengan Metode CBD .....................................................................4
Karakterisasi Lapisan MnS ........................................................................................................5
Karakterisasi XRD..............................................................................................................5
Karakterisasi Optik .............................................................................................................5
Diagram Alur Penelitian ............................................................................................................6
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Deposisi Lapisan MnS......................................................................................................6
Ketebalan Lapisan MnS .............................................................................................................6
Karakterisasi XRD .....................................................................................................................7
Sifat Optik..................................................................................................................................7
Absorbansi ..........................................................................................................................7
Pengaruh Suhu Annealing pada Absorbansi...........................................................7
Transmitansi .......................................................................................................................8
Pengaruh Suhu Annealing pada Transmitansi........................................................8
Absorbansi ..........................................................................................................................7
Pengaruh Suhu Annealing pada Absorbansi...........................................................7
Reflektansi...........................................................................................................................9
Pengaruh Suhu Annealing pada Reflektansi ...........................................................9
Indeks bias ........................................................................................................................10
Energi Gap (Eg) ................................................................................................................11
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan ..............................................................................................................................11
Saran ........................................................................................................................................12
DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................................................12
LAMPIRAN....................................................................................................................................13
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Struktur Kristal MnS alabandite, zinc blend dan wurtzite .......................................................2
Skema Proses Deposisi ..............................................................................................................2
Pembiasan Berkas Cahaya .........................................................................................................3
Bagan pengaturan alat untuk uji sifat optik................................................................................5
Diagram Alur Kerja Penelitian...................................................................................................6
Kurva XRD MnS .......................................................................................................................7
Kurva Absorbansi vs panjang gelombang dari MnS-1...............................................................7
Kurva Absorbansi vs panjang gelombang dari MnS-2...............................................................8
Kurva Absorbansi vs panjang gelombang dari MnS-3...............................................................8
Kurva Transmitansi vs panjang gelombang dari MnS-1............................................................8
Kurva Transmitansi vs panjang gelombang dari MnS-2............................................................8
Kurva Transmitansi vs panjang gelombang dari MnS-3............................................................9
Kurva Reflektansi vs panjang gelombang dari MnS-1...............................................................9
Kurva Reflektansi vs panjang gelombang dari MnS-2...............................................................9
Kurva Reflektansi vs panjang gelombang dari MnS-3.............................................................10
Kurva indeks Bias vs panjang gelombang dari MnS-1 ............................................................10
Kurva indeks Bias vs panjang gelombang dari MnS-2 ............................................................10
Kurva indeks Bias vs panjang gelombang dari MnS-3 ............................................................10
Kurva Band Gap MnS-1 ..........................................................................................................11
Kurva Band Gap MnS-2 ..........................................................................................................11
Kurva Band Gap MnS-3 ..........................................................................................................11
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Perlakuan Suhu Annealing Pada Sampel MnS .............................................................................6
2. Nilai Absorbansi Tertinggi Pada Sampel MnS .............................................................................8
3. Nilai Transmitansi (%) Tertinggi Pada Sampel MnS....................................................................9
4. Nilai Reflektansi (%) Tertinggi Pada Sampel MS.........................................................................9
5. Nilai Indeks Bias Tertinggi Pada Sampel MnS...........................................................................10
6. Nilai Band Gap (Ev) Tertinggi Pada Sampel MnS......................................................................11
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Data Pengukuran Nilai A dan Perhitungan Nilai T(%), α, (αhv)2, hv, R(%), n, Sampel MnS ...13
2. Data Pengukuran Ketebalan Lapisan Tipis MnS dengan Menggunakan Metode Gravimetri .....22
3. Spesifikasi Alat “Ocean Optic USB 2000 Fiber Optic Spectrometer”........................................22
4. Prosedur Pengambilan Data Nilai Absorbansi ............................................................................24
5. Foto Alat-alat yang Digunakan ...................................................................................................26
6. Data Intensitas dan 2θ XRD........................................................................................................26
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Dalam beberapa dekade terakhir ini,
penelitian mengenai semikonduktor paduan
menjadi semakin luas dan melibatkan
berbagai disiplin ilmu. Penelitian ini terus
berkembang karena adanya kemungkinan
terbentuknya material baru yang bersifat
optik, magnetik dan sifat lainnya yang baru.
Pengkajian akan sifat-sifat ini akan
membawa pada perkembangan aplikasi
teknologinya.
Mangan Sulfida (MnS) adalah bahan
semikonduktor paduan yang telah lama
dikenali dan diteliti. Bahan ini terutama
digunakan dalam aplikasi optoelektronik.
Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian
terhadap bahan MnS mendapat banyak
perhatian, karena bahan ini dapat digunakan
untuk pencampuran dengan Zn dan Cd
untuk membentuk (Zn, Mn)S dan (Cd,
Mn)S. Paduan ini memiliki sifat magneto
optic yang menonjol. Telah banyak teknik
yang dikembangkan dalam pendeposisian
lapisan MnS seperti Chemical Bath
Deposition (CBD), Chemical Vapour
Deposition (CVD), Sputtering, Evaporasi
Termal dan lain-lain [1].
Dalam penelitian ini, teknik deposisi
lapisan MnS dilakukan dengan metode
Chemical Bath Depositon (CBD), karena
proses pembuatannya relatif mudah serta
murah.
Tujuan Penelitian
Menumbuhkan lapisan MnS pada
substrat kaca dengan metode Chemical Bath
Deposition dan menguji sifat optiknya.
TINJAUAN PUSTAKA
Teori Semikonduktor
Semikonduktor merupakan bahan
padat yang mempunyai pita valensi yang
berenergi rendah dan pita konduksi yang
berenergi lebih tinggi. Pada suhu nol mutlak,
pita valensi terisi penuh oleh elektron dan
pita konduksi tidak terisi dengan elektron
(kosong), sehingga pada suhu nol mutlak
material ini menjadi isolator sempurna.
Terjadinya perpindahan elektron dari
pita valensi ke pita konduksi diakibatkan
oleh pengaruh suhu dan penyinaran. Tetapi
secara alami pada suhu di atas nol mutlak,
sebagian elektron telah berada di pita
konduksi. Elektron dapat berpindah bila
energinya lebih besar atau sama dengan
celah energi yang ada di atasnya. Elektron
yang berpindah ke pita konduksi akan
menjadi elektron bebas dan akan
meninggalkan sejumlah kekosongan di pita
valensi yang disebut sebagai lubang (hole)
yang nantinya akan berekombinasi kembali
dengan elektron. Elektron dan hole inilah
yang menjadi penghantar arus listrik pada
material semikonduktor.
Berdasarkan asal muatan pembawa,
semikonduktor dibedakan menjadi dua
kelompok yaitu semikonduktor instrinsik
dan
semikonduktor
ekstrinsik.
Semikonduktor instrinsik hanya terdiri dari
sebuah unsur atau senyawa, elektron
ataupun hole berasal dari atom itu sendiri.
Pada semikonduktor ekstrinsik, elektron
maupun hole-nya tidak hanya dari bahan
utamanya saja melainkan juga berasal dari
atom-atom
pengotornya.
Pemberian
pengotor pada bahan semikonduktor disebut
sebagai doping. Dengan adanya doping,
bahan semikonduktor mengalami perubahan
jumlah pembawa muatan, konduktivitasnya
bertambah dan resistansinya menurun.
Berdasarkan mayoritas pembawa
muatannya semikonduktor digolongkan
menjadi
semikonduktor
tipe-p
dan
semikonduktor tipe-n. Pada semikonduktor
tipe-n atom pengotornya kelebihan elektron
(atom donor) sehingga semikonduktor ini
bermuatan
negatif,
sedangkan
pada
semikonduktor tipe-p atom pengotornya
kekurangan elektron (atom akseptor)
sehingga semikonduktor ini bermuatan
positif dengan pembawa mayoritas adalah
hole.
Jika disinari, bahan semikonduktor
akan mengalami efek fotovoltaik, yaitu
penyerapan cahaya sehingga menaikkan
energi elektron sehingga tereksitasi ke level
energi yang lebih tinggi dan menghasilkan
arus listrik.
Material Mangan Sulfida (MnS)
MnS
merupakan
bahan
semikonduktor senyawa VII-VI. Mangan
Sulfida pada penggunaannya selain berguna
untuk perangkat opto-elektronik, perangkat
sel surya sebagai material buffer dan juga
2
merupakan komponen terpenting dalam
teknologi pembuatan baja.
Selain dari keuntungannya sebagai
material semikonduktor, MnS juga terkait
dalam penelitian dari campuran logam
campuran semimagnetik yang mengandung
Mn dan S. Pada umumnya, MnS memiliki
bentuk amorf dan kristal, pada bentuk amorf
material ini tidak memiliki keteraturan pada
susunan atom-atomnya. Dalam bentuk
kristal, material ini memiliki tiga fase. Fase
α-MnS (alabandite) oktahedral dengan
struktur rock-salt, struktur tetragonal yaitu
-MnS (zinc-blend type) dan
-MnS
(wurtzite) dengan struktur hexagonal yang
dapat dilihat pada Gambar 1. Fase -MnS
dapat dibentuk pada suhu rendah tetapi akan
berubah menjadi α-MnS di atas 200 0C. Fase
α-MnS dapat bertahan pada semua suhu [2].
α-MnS
-MnS
yang berat dan hasilnya sedikit jarang
ditemui. Teknik CBD telah menghasilkan
lapisan amorf dan nanokristalin (merupakan
material yang memiliki ukuran dalam orde
nanometer), sedangkan teknik Thermal
Evaporation
menghasilkan
sampel
polikristalin yang terdiri dari beberapa
kristalit kecil; meskipun struktur tetrahedral
atau oktahedral, bergantung pada temperatur
substrat [2].
Teknik Chemical Bath Deposition (CBD)
CBD merupakan salah satu dari
berbagai macam jenis teknik deposisi yang
sudah lazim digunakan. CBD merupakan
teknik dimana lapisan semikonduktor
dideposisikan pada substrat yang dicelupkan
dalam larutan yang mengandung ion-ion
logam dan sumber-sumber ion hidroksida,
dan sulfida [6].
Metode CBD merupakan metode
yang sederhana dan murah serta dilakukan
pada suhu yang rendah (25°C - 90°C).
Dengan metode ini juga berbagai lapisan
dapat dibuat. Pada tahun 1991 dilaporkan
bahwa lebih dari 35 bahan senyawa yang
dapat dibuat dengan metode ini [6].
CBD berasal dari klasifikasi yang
sama dengan proses deposisi dari larutan
dengan Electroless Deposition (ELD) yang
secara luas digunakan untuk deposisi logam
dalam artian proses kimia yang tidak
melibatkan pertukaran elektron dengan
bahan penghantar seperti dalam teknik
elektrodeposisi [7].
Keuntungan utama dari penggunaan
teknik CBD adalah dapat mendeposisi
senyawa-senyawa yang sukar larut.
Substrat Kaca
Larutan Kompleks
-MnS
Gambar 1.
Struktur Kristal MnS alabandite,
Blend dan wurtzite
Stirrer
Zinc
Lapisan MnS memiliki pita celah
optik dengan rentang antara 2,6 - 3,9 eV [3]
dan memiliki hambatan listrik yang berkisar
antara 105 sampai 106 Ω.cm dengan
konduktivitas listrik bertipe-p [4] yang
berpotensial untuk diaplikasikan pada
aplikasi optoelektronik seperti solar
selective coatings, solar cells, sensors dan
photoconductors. Pembuatan lapisan MnS
dengan kualitas tinggi telah menjadi tugas
Hot Plate
Gambar 2.
Skema Proses Deposisi
Substrat kaca yang akan dideposisi,
dicelupkan secara vertikal ke dalam larutan
kompleks.
Selama
proses
deposisi
berlangsung, temperatur diatur pada nilai
yang diinginkan dan pengaduk (stirrer) terus
berputar hingga selesainya proses deposisi.
3
Skema
instalasi
teknik
deposisi
diperlihatkan pada Gambar di atas.
Sifat Optik Bahan
Transmitansi (T)
Didefinisikan sebagai rasio antara
intensitas cahaya yang ditransmisikan
dengan intensitas cahaya yang menuju
sampel.[11],[12]
Bila suatu radiasi berinteraksi dengan
bahan maka dapat diperoleh informasi
tentang karakteristik bahan tersebut.
Interaksi antara radiasi dan materi dapat
berupa refleksi, refraksi dan difraksi. Selain
itu, ketika radiasi berinteraksi dengan bahan
maka akan terjadi proses absorbsi,
pemendaran (luminenscence), emisi atau
penghamburan (scattering), tergantung pada
sifat materi. [8]
Dengan
melakukan
substitusi
persamaan (1) dan (4), didapatkan hubungan
antara absorbansi dan transmitansi sebagai
berikut : [13]
(5)
A = − log T
Absorbansi (A)
Indeks Bias (n)
Absorbsi meliputi transisi dari tingkat
dasar ke tingkat yang lebih tinggi, yakni
tingkat tereksitasi. Dengan menelaah
frekuensi bahan yang tereksitasi maka dapat
diidentifikasi dan dianalisis karakteristik
dari sebuah bahan. [9]
Pada
bahan
semikonduktor,
kemampuan dalam menyerap radiasi disebut
sebagai absorbsitivitas dimana masingmasing bahan semikonduktor memilki nilai
absorbsitivitas dengan rentang panjang
gelombang yang berbeda-beda.
Absorbansi dapat didefinisikan
sebagai [6],[10] :
Ketika cahaya melewati medium
yang, secara optik, “renggang” menuju
medium “rapat”, cahaya akan dibiaskan
dengan sudut bias r, (yaitu sudut yang
dibentuk antara berkas sinar yang dibiaskan
dengan garis yang tegak lurus permukaan)
yang lebih kecil dibandingkan sudut datang
i, seperti pada Gambar 3.
A = Log
I0
I
T=
I
I0
(4)
(1)
Karena untuk lapisan tipis berlaku :
Gambar 3.
I0
= eαd
I
(2)
maka :
α = 2.303
dengan :
A
d
α = koefisien absorbsi
d = ketebalan lapisan
I0 = intensitas
cahaya yang
menuju sampel
(awal)
I = intensitas
cahaya yang
keluar dari
sampel.
(3)
Pembiasan berkas cahaya ketika datang
dari medium lebih renggang menuju
medium lebih rapat. nvac mewakili indeks
bias vakum (udara) dan nmed mewakili
indeks bias medium. Sedangkan cvac
mewakili cepat rambat cahaya di vakum
(udara) dan nmed mewakili cepat rambat
cahaya di medium
Fenomena ini digunakan untuk
mendefinisikan kekuatan pembiasan suatu
material dan dikenal sebagai hukum Snellius,
[11],[12]
sin i ci ni
= = = nmed
sin r cr nr
(6)
Indeks bias berhubungan dengan
reflektansi, dengan hubungan sebagai
berikut {untuk cahaya yang tegak lurus
dengan bidang batas}[12], [6]
4
R=
(n − 1)2
(n + 1)2
Alat dan Bahan
(7)
Atau dapat dituliskan kembali sebagai
berikut
n=
1+ R
(8)
1− R
Reflektansi (R)
Didefinisikan sebagai rasio antara
intensitas cahaya yang dipantulkan, Ig,
dengan intensitas cahaya awal, I0. [11], [12]
R=
Ig
(9)
I0
Reflektansi berhubungan dengan
transmitansi dan koefisien absorbsi dengan
hubungan sebagai berikut : [12]
1 (1 − R )
α = ln
d
T
2
(10)
Atau dapat dituliskan kembali sebagai
berikut
⎡1 ⎤
R = T exp ⎢ αd ⎥
⎣2 ⎦
(11)
Energi Gap (Eg)
Penentuan nilai energi gap (celah
energi) semikonduktor dapat dilakukan
dengan membuat grafik hubungan antara
(αhυ)2 terhadap hυ berdasarkan persamaan :
αhυ = C(hυ – Eg)n/2
dengan :
Bahan-bahan yang digunakan dalam
penelitian ini adalah substrat kaca preparat,
Larutan 20 ml 1 M MnCl2.4H2O, 20 ml 1 M
NH4OH, 15 ml 1 M Thiourea dan 25 ml
Akuades.
Alat yang digunakan adalah neraca
elektronik, gelas ukur, gelas erlenmayer,
pengaduk, hot plate, gelas pyrex, penjepit,
furnace, sumber cahaya polikromatis,
seperangkat komputer, USB 2000 VIS-NIR
Spectrophotometer dan
Difraktometer
Sinar-X (XRD) merk Shimadzu tipe XD610.
(12)
C = konstanta
n = bilangan yang bergantung
sifat transisi
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada
bulan Februari 2005 sampai dengan Juli
2006, bertempat di Laboratorium Fisika
Material, Departemen Fisika, Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Institut Pertanian Bogor.
Metode Penelitian
Deposisi Lapisan MnS dengan metode CBD
Pembersihan substrat memainkan
peranan yang sangat penting dalam
pendeposisian lapisan. Sebelum proses
pendeposisian
dilangsungkan,
substrat
dicelupkan ke dalam Ultrasonic Bath yang
telah diisi dengan Ethanol 90% selama 30
menit lalu dicelupkan menggunakan akuades
lalu dikeringkan
Lapisan MnS (Mangan Sulfid) dibuat
dengan metode CBD. Proses deposisi ini
merupakan deposisi kimia larutan yang
mengandung ion-ion Mn2+ dan ion-ion S2-.
Sebagai sumber ion Mn2+ adalah larutan
MnCl2.4H2O, sedangkan sumber ion S2adalah Thiourea.
Pada
penelitian-penelitian
yang
dilakukan oleh peneliti sebelumnya ,
penumbuhan MnS dilakukan dengan
menggunakan bahan Mn(CH3COO)2 sebagai
sumber Mn2+ dan Thioacetamide sebagai
sumber S2- Dalam penelitian ini, bahan
pereaksi tersebut diganti dengan maksud
melihat perbedaan hasil lapisan MnS yang
didapatkan.
Dengan tujuan untuk mendapatkan
hasil yang optimum pada deposisi lapisan
MnS. Pengaruh konsentrasi dari bahan
pereaksi, suhu bath dan waktu deposisi dari
penumbuhan dan kualitas lapisan MnS.
Penelitian-penelitian
sebelumnya
telah
menyimpulkan bahwa pengaruh konsentrasi
ion Mn dan S (
LAPISAN TIPIS MnS YANG DITUMBUHKAN DENGAN
METODE CHEMICAL BATH DEPOSITION
DHONI SAPUTRA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2006
PENGARUH SUHU PEMANASAN TERHADAP SIFAT OPTIK
LAPISAN TIPIS MnS YANG DITUMBUHKAN DENGAN
METODE CHEMICAL BATH DEPOSITION
DHONI SAPUTRA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2006
One sighted
You'll never understand
to be the followers of a truth that never come
in a flashing light
seek the wrong from right
and stuck with one sight
close your eyes
receive the lies
every little child
has a chance to live to hope and die
and even if we die
we don’t know what we want and what to try
close your eyes
and receive the lies
you will never understand
we are the eyes
you will never understand
we are the eyes
Eyeliner, Trancesectional
2006
DHONI SAPUTRA. Pengaruh Suhu Pemanasan Terhadap Sifat Optik Lapisan Tipis MnS Yang
Ditumbuhkan Dengan Metode Chemical Bath Deposition.
Pembimbing : Akhiruddin Maddu, M.Si
ABSTRAK
Mangan Sulfida (MnS) adalah bahan semikonduktor paduan yang telah lama dikenali dan
diteliti. Bahan ini terutama digunakan dalam aplikasi optoelektronik. Dalam beberapa tahun
terakhir, penelitian terhadap bahan MnS mendapat banyak perhatian, karena bahan ini dapat
digunakan untuk pencampuran dengan Zn dan Cd untuk membentuk (Zn, Mn)S dan (Cd, Mn)S
yang memiliki sifat magneto optik yang menonjol. MnS merupakan bahan semikonduktor
senyawa VII-VI. MnS pada penggunaannya selain berguna untuk perangkat opto-elektronik,
perangkat sel surya sebagai material buffer dan juga merupakan komponen terpenting dalam
teknologi pembuatan baja.
Teknik Chemical Bath Deposition merupakan salah satu dari berbagai macam jenis teknik
deposisi yang sudah lazim digunakan dan banyak dipakai untuk mendapatkan semikonduktor yang
baik. CBD merupakan teknik dimana lapisan tipis semikonduktor dideposisikan pada substrat yang
dicelupkan dalam larutan yang mengandung ion-ion logam dan sumber-sumber ion hidroksida,
sulfida, atau selenida [10]. Metode CBD merupakan metode yang sederhana dan murah serta
dilakukan pada suhu yang rendah (25°C - 90°C). Dengan metode ini juga berbagai lapisan tipis
dapat dibuat. Pada tahun 1991 dilaporkan bahwa lebih dari 35 bahan senyawa yang dapat dibuat
dengan metode ini [10].
Sampel
MnS-1
MnS-2
MnS-3
A
0.661
0.652
1.273
T (%)
66.68
77.62
73.11
n
2.7
2.8
4.51
Eg (eV)
2.7
2.6
2.5
R (%)
31.09
31.2
51.93
Pengaruh suhu annealing lapisan ternyata sangat mempengaruhi beberapa sifat optik
material seperti absorbansi, transmitansi, reflektansi dan indeks bias. Nilai energi celah yang di
dapat adalah antara 2.5 – 2.7 eV sedangkan nilai energi celah bahan semikonduktor MnS adalah
antara 2.6 – 3.9 eV [3].
PENGARUH SUHU PEMANASAN TERHADAP SIFAT OPTIK
LAPISAN TIPIS MnS YANG DITUMBUHKAN DENGAN
METODE CHEMICAL BATH DEPOSITION
DHONI SAPUTRA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
Pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2006
Judul : Pengaruh Suhu Pemanasan Terhadap Sifat Optik Lapisan Tipis MnS
Yang Ditumbuhkan Dengan Metode Chemical Bath Deposition.
Nama : Dhoni Saputra
NRP : G07400036
Menyetujui,
Pembimbing
Akhiruddin Maddu, MSi
NIP 132206239
Mengetahui,
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS
NIP 131473999
Tanggal Lulus: ..............................
PRAKATA
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT (SANG ASA), karena
hanya berkat rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyeleaikan penulisan laporan
penenlitian ini. Laporan penelitian yang berjudul “Pengaruh Suhu pemanasan Terhadap Sifat
optik Lapisan Tipis MnS Yang Ditumbuhkan dengan Metode Chemical Bath Deposition” ini
disusun sebagai persembahan saya bagi SANG ASA, sebagai sedekah yang semoga bermanfaat
bagi dunia dan sebagai pelengkap untuk meraih gelar Sarjana Sains di Departemen Fisika FMIPA
IPB.
Untuk semua dukungan, semangat dan bantuan, penulis ingin menyampaikan terimakasih
sebesar-besarnya kepada:
1. Akhiruddin Maddu, MSi., sebagai pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan
bimbingan, saran dan kepercayaan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Semua Staf di Departemen Fisika FMIPA IPB terutama Pak Yani, Bu Grace, Pak Maulana,
Pak Mus, Pak Firman, Pak Parman, Bu Grace, Pak Toni untuk semua ide , bantuan, arahan,
saran dan informasinya. Pak Sulis dan Pak Bambang dari P3IB-BATAN, Serpong atas segala
niat baiknya.
3. Ir. Hanedi Darmasetiawan, MS. Atas bimbingan dan bantuannya. Pak Nur Indro, Bang Umar,
Pak Irmansyah, Ibu Mersi Kurniati atas dukungan moral dan masukannya.
4. Alm. Mama atas usahanya untuk membesarkan saya dan memberikan dukungan moral yang
tiada batas sampai akhir hayatnya. Untuk Papa dan Mama di Batu Ampar atas nasehatnya
selama saya kuliah. Keluarga Besar HM.Mansyur, keluarga Besar Alm.Hastimar, keluarga
besar Palayu 53, keluarga besar Hasvarani, keluarga besar saya di Paninjauan, Solok.
5. Dhani, Destri, Dhandy, Dina dan Dela atas senyum dan kasih yang kalian berikan kepada
kakak.
6. Mee atas sayang, harapan, kebahagiaan dan tawa yang selalu memberikan semangat bagiku.
Ini untukmu.
7. MAFIA 37(Ami, Reza, Fahd, Kun, Sofyan, Izzu, Kristin, Ina, Apit, Ifa, Leli, Henny, Ias, Esti,
Reni] Ex 37 Bambang dan keponakan-keponakanku dari Ifa n Reni, Schro Catz [Enkz, Cepy,
Fati, Rey, Tongkang, Mance, Fuad, Iwan, Ewing, Iqin, Kun, yerri] atas waktu yang kita
habiskan bersama dalam suka maupun duka. Ciwaluya 9 [wiwid, kaka, monique, rifky], Walet
dan anak-anak Informatika 37 atas waktunya, MAFIA 34, 35, 36, 38
8. Keluarga besar Eyeliner [Subnet6, Fu Kocha and Levi] Blacksmith a.k.a ChePhe dan e|Org
Management, all indie movement, britpop culture, dark wave. Semua orang besar yang
menginspirasikan saya terutama Nabi Muhammad SAW, Jesús Christ, Siddharta Gautama,
Yubal keturunan Adam AS [Bapak semua orang yang memainkan kecapi dan suling] dan
Brian Molko.
9. Terima kasih atas semua dukungan dan harapan teman – teman yang tak tersebut kepada saya
dan permohonan maaf sebesar-besarnya kepada SANG ASA.
Bogor, September 2006
ttd
Penyusun
[Konstanta]
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 22 Desember 1982 dari bapak Muhammad Ridho
Suryadianil dan ibu Dharma Aini. Penulis merupakan putera pertama dari enam bersaudara. Tahun
2000 penulis lulus dari SMA Negeri 54 Jakarta Timur dan lulus seleksi masuk IPB melalui jalur
Ujian Masuk perguruan Tinggi Negeri (UMPTN). Penulis diterima pada program studi Fisika,
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum mata kuliah Fisika
Dasar I dan II serta Fisika Umum tahun 2002-2004. Selain itu penulis juga merupakan vocalist
dari sebuah band indie terkenal di Bogor. Disamping itu penulis juga aktif di lembaga
kemahasiswaan, diantaranya yaitu sebagai anggota HIMAFI dan Himpunan Mahasiswa Islam
(HMI) komisariat FMIPA IPB Bogor.
DAFTAR ISI
Halaman
PRAKATA.........................................................................................................................................i
DAFTAR ISI.................................................................................................................................... ii
DAFTAR TABEL........................................................................................................................... iii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................................................iv
PENDAHULUAN
Latar Belakang ...........................................................................................................................1
Tujuan Penelitian .......................................................................................................................1
TINJAUAN PUSTAKA
Teori Semikonduktor .................................................................................................................1
Material Mangan Sulfida (MnS) ................................................................................................1
Teknik Chemical Bath Deposition (CBD) .................................................................................2
Sifat Optik Bahan.......................................................................................................................3
Absorbansi ..........................................................................................................................3
Transmitansi .......................................................................................................................3
Indeks Bias..........................................................................................................................3
Reflektansi...........................................................................................................................4
Energi Gap..........................................................................................................................4
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat Penelitian ....................................................................................................4
Alat dan Bahan...........................................................................................................................4
Metode Penelitian ......................................................................................................................4
Deposisi Lapisan MnS dengan Metode CBD .....................................................................4
Karakterisasi Lapisan MnS ........................................................................................................5
Karakterisasi XRD..............................................................................................................5
Karakterisasi Optik .............................................................................................................5
Diagram Alur Penelitian ............................................................................................................6
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Deposisi Lapisan MnS......................................................................................................6
Ketebalan Lapisan MnS .............................................................................................................6
Karakterisasi XRD .....................................................................................................................7
Sifat Optik..................................................................................................................................7
Absorbansi ..........................................................................................................................7
Pengaruh Suhu Annealing pada Absorbansi...........................................................7
Transmitansi .......................................................................................................................8
Pengaruh Suhu Annealing pada Transmitansi........................................................8
Absorbansi ..........................................................................................................................7
Pengaruh Suhu Annealing pada Absorbansi...........................................................7
Reflektansi...........................................................................................................................9
Pengaruh Suhu Annealing pada Reflektansi ...........................................................9
Indeks bias ........................................................................................................................10
Energi Gap (Eg) ................................................................................................................11
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan ..............................................................................................................................11
Saran ........................................................................................................................................12
DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................................................12
LAMPIRAN....................................................................................................................................13
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Struktur Kristal MnS alabandite, zinc blend dan wurtzite .......................................................2
Skema Proses Deposisi ..............................................................................................................2
Pembiasan Berkas Cahaya .........................................................................................................3
Bagan pengaturan alat untuk uji sifat optik................................................................................5
Diagram Alur Kerja Penelitian...................................................................................................6
Kurva XRD MnS .......................................................................................................................7
Kurva Absorbansi vs panjang gelombang dari MnS-1...............................................................7
Kurva Absorbansi vs panjang gelombang dari MnS-2...............................................................8
Kurva Absorbansi vs panjang gelombang dari MnS-3...............................................................8
Kurva Transmitansi vs panjang gelombang dari MnS-1............................................................8
Kurva Transmitansi vs panjang gelombang dari MnS-2............................................................8
Kurva Transmitansi vs panjang gelombang dari MnS-3............................................................9
Kurva Reflektansi vs panjang gelombang dari MnS-1...............................................................9
Kurva Reflektansi vs panjang gelombang dari MnS-2...............................................................9
Kurva Reflektansi vs panjang gelombang dari MnS-3.............................................................10
Kurva indeks Bias vs panjang gelombang dari MnS-1 ............................................................10
Kurva indeks Bias vs panjang gelombang dari MnS-2 ............................................................10
Kurva indeks Bias vs panjang gelombang dari MnS-3 ............................................................10
Kurva Band Gap MnS-1 ..........................................................................................................11
Kurva Band Gap MnS-2 ..........................................................................................................11
Kurva Band Gap MnS-3 ..........................................................................................................11
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Perlakuan Suhu Annealing Pada Sampel MnS .............................................................................6
2. Nilai Absorbansi Tertinggi Pada Sampel MnS .............................................................................8
3. Nilai Transmitansi (%) Tertinggi Pada Sampel MnS....................................................................9
4. Nilai Reflektansi (%) Tertinggi Pada Sampel MS.........................................................................9
5. Nilai Indeks Bias Tertinggi Pada Sampel MnS...........................................................................10
6. Nilai Band Gap (Ev) Tertinggi Pada Sampel MnS......................................................................11
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1. Data Pengukuran Nilai A dan Perhitungan Nilai T(%), α, (αhv)2, hv, R(%), n, Sampel MnS ...13
2. Data Pengukuran Ketebalan Lapisan Tipis MnS dengan Menggunakan Metode Gravimetri .....22
3. Spesifikasi Alat “Ocean Optic USB 2000 Fiber Optic Spectrometer”........................................22
4. Prosedur Pengambilan Data Nilai Absorbansi ............................................................................24
5. Foto Alat-alat yang Digunakan ...................................................................................................26
6. Data Intensitas dan 2θ XRD........................................................................................................26
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Dalam beberapa dekade terakhir ini,
penelitian mengenai semikonduktor paduan
menjadi semakin luas dan melibatkan
berbagai disiplin ilmu. Penelitian ini terus
berkembang karena adanya kemungkinan
terbentuknya material baru yang bersifat
optik, magnetik dan sifat lainnya yang baru.
Pengkajian akan sifat-sifat ini akan
membawa pada perkembangan aplikasi
teknologinya.
Mangan Sulfida (MnS) adalah bahan
semikonduktor paduan yang telah lama
dikenali dan diteliti. Bahan ini terutama
digunakan dalam aplikasi optoelektronik.
Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian
terhadap bahan MnS mendapat banyak
perhatian, karena bahan ini dapat digunakan
untuk pencampuran dengan Zn dan Cd
untuk membentuk (Zn, Mn)S dan (Cd,
Mn)S. Paduan ini memiliki sifat magneto
optic yang menonjol. Telah banyak teknik
yang dikembangkan dalam pendeposisian
lapisan MnS seperti Chemical Bath
Deposition (CBD), Chemical Vapour
Deposition (CVD), Sputtering, Evaporasi
Termal dan lain-lain [1].
Dalam penelitian ini, teknik deposisi
lapisan MnS dilakukan dengan metode
Chemical Bath Depositon (CBD), karena
proses pembuatannya relatif mudah serta
murah.
Tujuan Penelitian
Menumbuhkan lapisan MnS pada
substrat kaca dengan metode Chemical Bath
Deposition dan menguji sifat optiknya.
TINJAUAN PUSTAKA
Teori Semikonduktor
Semikonduktor merupakan bahan
padat yang mempunyai pita valensi yang
berenergi rendah dan pita konduksi yang
berenergi lebih tinggi. Pada suhu nol mutlak,
pita valensi terisi penuh oleh elektron dan
pita konduksi tidak terisi dengan elektron
(kosong), sehingga pada suhu nol mutlak
material ini menjadi isolator sempurna.
Terjadinya perpindahan elektron dari
pita valensi ke pita konduksi diakibatkan
oleh pengaruh suhu dan penyinaran. Tetapi
secara alami pada suhu di atas nol mutlak,
sebagian elektron telah berada di pita
konduksi. Elektron dapat berpindah bila
energinya lebih besar atau sama dengan
celah energi yang ada di atasnya. Elektron
yang berpindah ke pita konduksi akan
menjadi elektron bebas dan akan
meninggalkan sejumlah kekosongan di pita
valensi yang disebut sebagai lubang (hole)
yang nantinya akan berekombinasi kembali
dengan elektron. Elektron dan hole inilah
yang menjadi penghantar arus listrik pada
material semikonduktor.
Berdasarkan asal muatan pembawa,
semikonduktor dibedakan menjadi dua
kelompok yaitu semikonduktor instrinsik
dan
semikonduktor
ekstrinsik.
Semikonduktor instrinsik hanya terdiri dari
sebuah unsur atau senyawa, elektron
ataupun hole berasal dari atom itu sendiri.
Pada semikonduktor ekstrinsik, elektron
maupun hole-nya tidak hanya dari bahan
utamanya saja melainkan juga berasal dari
atom-atom
pengotornya.
Pemberian
pengotor pada bahan semikonduktor disebut
sebagai doping. Dengan adanya doping,
bahan semikonduktor mengalami perubahan
jumlah pembawa muatan, konduktivitasnya
bertambah dan resistansinya menurun.
Berdasarkan mayoritas pembawa
muatannya semikonduktor digolongkan
menjadi
semikonduktor
tipe-p
dan
semikonduktor tipe-n. Pada semikonduktor
tipe-n atom pengotornya kelebihan elektron
(atom donor) sehingga semikonduktor ini
bermuatan
negatif,
sedangkan
pada
semikonduktor tipe-p atom pengotornya
kekurangan elektron (atom akseptor)
sehingga semikonduktor ini bermuatan
positif dengan pembawa mayoritas adalah
hole.
Jika disinari, bahan semikonduktor
akan mengalami efek fotovoltaik, yaitu
penyerapan cahaya sehingga menaikkan
energi elektron sehingga tereksitasi ke level
energi yang lebih tinggi dan menghasilkan
arus listrik.
Material Mangan Sulfida (MnS)
MnS
merupakan
bahan
semikonduktor senyawa VII-VI. Mangan
Sulfida pada penggunaannya selain berguna
untuk perangkat opto-elektronik, perangkat
sel surya sebagai material buffer dan juga
2
merupakan komponen terpenting dalam
teknologi pembuatan baja.
Selain dari keuntungannya sebagai
material semikonduktor, MnS juga terkait
dalam penelitian dari campuran logam
campuran semimagnetik yang mengandung
Mn dan S. Pada umumnya, MnS memiliki
bentuk amorf dan kristal, pada bentuk amorf
material ini tidak memiliki keteraturan pada
susunan atom-atomnya. Dalam bentuk
kristal, material ini memiliki tiga fase. Fase
α-MnS (alabandite) oktahedral dengan
struktur rock-salt, struktur tetragonal yaitu
-MnS (zinc-blend type) dan
-MnS
(wurtzite) dengan struktur hexagonal yang
dapat dilihat pada Gambar 1. Fase -MnS
dapat dibentuk pada suhu rendah tetapi akan
berubah menjadi α-MnS di atas 200 0C. Fase
α-MnS dapat bertahan pada semua suhu [2].
α-MnS
-MnS
yang berat dan hasilnya sedikit jarang
ditemui. Teknik CBD telah menghasilkan
lapisan amorf dan nanokristalin (merupakan
material yang memiliki ukuran dalam orde
nanometer), sedangkan teknik Thermal
Evaporation
menghasilkan
sampel
polikristalin yang terdiri dari beberapa
kristalit kecil; meskipun struktur tetrahedral
atau oktahedral, bergantung pada temperatur
substrat [2].
Teknik Chemical Bath Deposition (CBD)
CBD merupakan salah satu dari
berbagai macam jenis teknik deposisi yang
sudah lazim digunakan. CBD merupakan
teknik dimana lapisan semikonduktor
dideposisikan pada substrat yang dicelupkan
dalam larutan yang mengandung ion-ion
logam dan sumber-sumber ion hidroksida,
dan sulfida [6].
Metode CBD merupakan metode
yang sederhana dan murah serta dilakukan
pada suhu yang rendah (25°C - 90°C).
Dengan metode ini juga berbagai lapisan
dapat dibuat. Pada tahun 1991 dilaporkan
bahwa lebih dari 35 bahan senyawa yang
dapat dibuat dengan metode ini [6].
CBD berasal dari klasifikasi yang
sama dengan proses deposisi dari larutan
dengan Electroless Deposition (ELD) yang
secara luas digunakan untuk deposisi logam
dalam artian proses kimia yang tidak
melibatkan pertukaran elektron dengan
bahan penghantar seperti dalam teknik
elektrodeposisi [7].
Keuntungan utama dari penggunaan
teknik CBD adalah dapat mendeposisi
senyawa-senyawa yang sukar larut.
Substrat Kaca
Larutan Kompleks
-MnS
Gambar 1.
Struktur Kristal MnS alabandite,
Blend dan wurtzite
Stirrer
Zinc
Lapisan MnS memiliki pita celah
optik dengan rentang antara 2,6 - 3,9 eV [3]
dan memiliki hambatan listrik yang berkisar
antara 105 sampai 106 Ω.cm dengan
konduktivitas listrik bertipe-p [4] yang
berpotensial untuk diaplikasikan pada
aplikasi optoelektronik seperti solar
selective coatings, solar cells, sensors dan
photoconductors. Pembuatan lapisan MnS
dengan kualitas tinggi telah menjadi tugas
Hot Plate
Gambar 2.
Skema Proses Deposisi
Substrat kaca yang akan dideposisi,
dicelupkan secara vertikal ke dalam larutan
kompleks.
Selama
proses
deposisi
berlangsung, temperatur diatur pada nilai
yang diinginkan dan pengaduk (stirrer) terus
berputar hingga selesainya proses deposisi.
3
Skema
instalasi
teknik
deposisi
diperlihatkan pada Gambar di atas.
Sifat Optik Bahan
Transmitansi (T)
Didefinisikan sebagai rasio antara
intensitas cahaya yang ditransmisikan
dengan intensitas cahaya yang menuju
sampel.[11],[12]
Bila suatu radiasi berinteraksi dengan
bahan maka dapat diperoleh informasi
tentang karakteristik bahan tersebut.
Interaksi antara radiasi dan materi dapat
berupa refleksi, refraksi dan difraksi. Selain
itu, ketika radiasi berinteraksi dengan bahan
maka akan terjadi proses absorbsi,
pemendaran (luminenscence), emisi atau
penghamburan (scattering), tergantung pada
sifat materi. [8]
Dengan
melakukan
substitusi
persamaan (1) dan (4), didapatkan hubungan
antara absorbansi dan transmitansi sebagai
berikut : [13]
(5)
A = − log T
Absorbansi (A)
Indeks Bias (n)
Absorbsi meliputi transisi dari tingkat
dasar ke tingkat yang lebih tinggi, yakni
tingkat tereksitasi. Dengan menelaah
frekuensi bahan yang tereksitasi maka dapat
diidentifikasi dan dianalisis karakteristik
dari sebuah bahan. [9]
Pada
bahan
semikonduktor,
kemampuan dalam menyerap radiasi disebut
sebagai absorbsitivitas dimana masingmasing bahan semikonduktor memilki nilai
absorbsitivitas dengan rentang panjang
gelombang yang berbeda-beda.
Absorbansi dapat didefinisikan
sebagai [6],[10] :
Ketika cahaya melewati medium
yang, secara optik, “renggang” menuju
medium “rapat”, cahaya akan dibiaskan
dengan sudut bias r, (yaitu sudut yang
dibentuk antara berkas sinar yang dibiaskan
dengan garis yang tegak lurus permukaan)
yang lebih kecil dibandingkan sudut datang
i, seperti pada Gambar 3.
A = Log
I0
I
T=
I
I0
(4)
(1)
Karena untuk lapisan tipis berlaku :
Gambar 3.
I0
= eαd
I
(2)
maka :
α = 2.303
dengan :
A
d
α = koefisien absorbsi
d = ketebalan lapisan
I0 = intensitas
cahaya yang
menuju sampel
(awal)
I = intensitas
cahaya yang
keluar dari
sampel.
(3)
Pembiasan berkas cahaya ketika datang
dari medium lebih renggang menuju
medium lebih rapat. nvac mewakili indeks
bias vakum (udara) dan nmed mewakili
indeks bias medium. Sedangkan cvac
mewakili cepat rambat cahaya di vakum
(udara) dan nmed mewakili cepat rambat
cahaya di medium
Fenomena ini digunakan untuk
mendefinisikan kekuatan pembiasan suatu
material dan dikenal sebagai hukum Snellius,
[11],[12]
sin i ci ni
= = = nmed
sin r cr nr
(6)
Indeks bias berhubungan dengan
reflektansi, dengan hubungan sebagai
berikut {untuk cahaya yang tegak lurus
dengan bidang batas}[12], [6]
4
R=
(n − 1)2
(n + 1)2
Alat dan Bahan
(7)
Atau dapat dituliskan kembali sebagai
berikut
n=
1+ R
(8)
1− R
Reflektansi (R)
Didefinisikan sebagai rasio antara
intensitas cahaya yang dipantulkan, Ig,
dengan intensitas cahaya awal, I0. [11], [12]
R=
Ig
(9)
I0
Reflektansi berhubungan dengan
transmitansi dan koefisien absorbsi dengan
hubungan sebagai berikut : [12]
1 (1 − R )
α = ln
d
T
2
(10)
Atau dapat dituliskan kembali sebagai
berikut
⎡1 ⎤
R = T exp ⎢ αd ⎥
⎣2 ⎦
(11)
Energi Gap (Eg)
Penentuan nilai energi gap (celah
energi) semikonduktor dapat dilakukan
dengan membuat grafik hubungan antara
(αhυ)2 terhadap hυ berdasarkan persamaan :
αhυ = C(hυ – Eg)n/2
dengan :
Bahan-bahan yang digunakan dalam
penelitian ini adalah substrat kaca preparat,
Larutan 20 ml 1 M MnCl2.4H2O, 20 ml 1 M
NH4OH, 15 ml 1 M Thiourea dan 25 ml
Akuades.
Alat yang digunakan adalah neraca
elektronik, gelas ukur, gelas erlenmayer,
pengaduk, hot plate, gelas pyrex, penjepit,
furnace, sumber cahaya polikromatis,
seperangkat komputer, USB 2000 VIS-NIR
Spectrophotometer dan
Difraktometer
Sinar-X (XRD) merk Shimadzu tipe XD610.
(12)
C = konstanta
n = bilangan yang bergantung
sifat transisi
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada
bulan Februari 2005 sampai dengan Juli
2006, bertempat di Laboratorium Fisika
Material, Departemen Fisika, Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Institut Pertanian Bogor.
Metode Penelitian
Deposisi Lapisan MnS dengan metode CBD
Pembersihan substrat memainkan
peranan yang sangat penting dalam
pendeposisian lapisan. Sebelum proses
pendeposisian
dilangsungkan,
substrat
dicelupkan ke dalam Ultrasonic Bath yang
telah diisi dengan Ethanol 90% selama 30
menit lalu dicelupkan menggunakan akuades
lalu dikeringkan
Lapisan MnS (Mangan Sulfid) dibuat
dengan metode CBD. Proses deposisi ini
merupakan deposisi kimia larutan yang
mengandung ion-ion Mn2+ dan ion-ion S2-.
Sebagai sumber ion Mn2+ adalah larutan
MnCl2.4H2O, sedangkan sumber ion S2adalah Thiourea.
Pada
penelitian-penelitian
yang
dilakukan oleh peneliti sebelumnya ,
penumbuhan MnS dilakukan dengan
menggunakan bahan Mn(CH3COO)2 sebagai
sumber Mn2+ dan Thioacetamide sebagai
sumber S2- Dalam penelitian ini, bahan
pereaksi tersebut diganti dengan maksud
melihat perbedaan hasil lapisan MnS yang
didapatkan.
Dengan tujuan untuk mendapatkan
hasil yang optimum pada deposisi lapisan
MnS. Pengaruh konsentrasi dari bahan
pereaksi, suhu bath dan waktu deposisi dari
penumbuhan dan kualitas lapisan MnS.
Penelitian-penelitian
sebelumnya
telah
menyimpulkan bahwa pengaruh konsentrasi
ion Mn dan S (