Electrical and Optical Properties of Photodetector Based On BST Thin Film Doped Ta2O5 as Color Sensor.

1

UJI SIFAT LISTRIK DAN SIFAT OPTIK FOTODETEKTOR
BERBASIS FILM TIPIS BST DIDADAH Ta2O5 SEBAGAI
SENSOR WARNA

INNA NOVIANTY

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011

2

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI

Dengan ini menyatakan bahwa tesis Uji Sifat Listrik dan Sifat Optik
Fotodetektor Berbasis Film Tipis BST Didadah Ta2O5 sebagai Sensor Warna
adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan

dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun yang tidak diterbitkan
dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar
Pustaka di bagian akhir tesis ini.

Bogor, Juli 2011

Inna Novianty
NRP G751090031

3

ABSTRACT
INNA NOVIANTY. Electrical and Optical Properties of Photodetector Based On
BST Thin Film Doped Ta2O5 as Color Sensor. Under direction of IRZAMAN and
AKHIRUDDIN MADDU.
Ba0,5Sr0,5TiO3 (BST) thin films have been prepared on Si (100) p-type
substrates using a chemical solution depotition (CSD) methode, using Ta2O5
(BSTT) with variation of doping content (0%, 2,5%, 5%, 7,5%, and 10%).
Chemical Solution Deposition Method (CSD) used the spin coating technique at a

speed of around 3000 rpm for 30 seconds. BST thin films annealed at a
temperature 850oC, then characterized by spectrophotometer for optical properties
characterization, LCR meter for electrical conductivity characterization and
Shimadzu-7000 X-ray diffractometer for XRD characterization. The result shows
that optical absorption has smaller reflectance with increasing Ta2O5 dopant.
This resulted in a decreased refractive index and bandgap energy of BST thin
films. From current-voltage (I-V) characterization, we can conclude that BST thin
film has a good response to color and light source. Electrical conductivity and
dielectric constant value of BST and BSTT thin films are in the range
semiconductor materials and electrical conductivity values obtained increased
when the higher intensity light is used whereas resistance value could decrease if
the light intensity is increased. The addition of tantalum pentaoxide dopant will
increases electrical conductivity value of BST and BSTT thin films. X-Ray
diffraction showed that BST thin film has a tetragonal crystal structure. Then,
SEM-EDX characterization showed that BST thin film with Ta2O5 dopant have
been made successfully, we can see that grain size of BST thin film will decrease
with increasing Ta2O5 dopant.
Keywords : BST thin film, Ba0,5Sr0,5TiO3, Si type-p substrate, Chemical Solution
Deposition (CSD), absorbance, reflectance, electrical conductivity,
dielectric constant, XRD,SEM-EDX, Ta2O5, color sensor.


4

RINGKASAN
INNA NOVIANTY. Uji Sifat Listrik dan Sifat Optik Fotodetektor Berbasis Film
Tipis BST Didadah Ta2O5. Dibimbing oleh IRZAMAN dan AKHIRUDDIN
MADDU.
Kajian material ferroelektrik semakin banyak dilakukan dan
dikembangkan oleh para ilmuwan. Salah satu material ferroelektrik yang banyak
dikembangkan adalah Barium Strontium Titanate (BST). Barium Strontium
titanate (BST) thin film banyak diaplikasikan sebagai Non Volatile Memory
Device, Dynamic random Acces Memory (DRAM), voltage tunable device, Infra
Red (IR), sensor kelembaban, sensor cahaya dan sensor gula. Selain itu, BST thin
film dapat diaplikasikan sebagai fotodetektor. Salah satu jenis fotodetektor yang
pernah dibuat adalah ZnSe metal–insulator–semikonductor (MIS). Fotodetektor
ini disintesis pada substrat ZnSe yang dilapisi oleh BST (Ba0.25Sr0.75TiO3) dan
SiO2. Selain itu terdapat pula fotodetektor berbasis GaN. Fotodetektor ini dibuat
dari material yang memiliki energi bandgap yang lebar. Hal ini menyebabkan
terbentuknya fotodetektor yang sensitif pada daerah panjang gelombang sinar
ultra violet. Hal ini menimbulkan munculnya ide pembuatan fotodetektor berbasis

film tipis BST yang dibuat pada substrat silikon. Fotodetektor ini sensitif pada
daerah panjang gelombang sinar tampak dan infra merah. Sehingga dapat
diaplikasikan sebagai sensor warna yang membutuhkan sensor yang peka pada
daerah panjang gelombang cahaya tampak.
BST thin film didadah Ta2O5 dibuat dengan variasi persentase Ta2O5, yaitu
0%, 2.5%, 5%, 7.5%, 10% dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD).
Proses penumbuhan film tipis dilakukan dengan menggunakan reaktor spin
coating. Kemudian reaktor spin coating diputar dengan kecepatan 3000 rpm
selama 30 detik. Proses penetesan dilakukan sebanyak 3 kali. Film tipis BST di
annealing pada suhu 850oC selama 15 jam.
Hasil sintesis film tipis BST di karakterisasi arus-tegangan (I-V),
konduktivitas listrik, sifat optik mencakup absorbansi dan reflektansi, indeks bias,
energi gap, konstanta dielektrik dan analisis mikrostruktur BST thin film berupa
XRD dan SEM-EDX. Berdasarkan hasil karakterisasi I-V terlihat adanya
pergeseran pada masing-masing kurva I-V. Sehingga dapat disimpulkan bahwa
film tipis BST memiliki respon terhadap panjang gelombang sinar tampak
sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor warna. Karakterisasi optik film tipis
menunjukkan bahwa semakin besar persentase pendadah, maka semakin kecil
nilai persen absorbansi film tipis. Hal ini berkaitan dengan energi gap film tipis
yang akan semakin menurun seiring dengan bertambahnya persentase pendadah.

Penurunan energi gap ini disebabkan oleh munculnya level baru diantara level
valensi dan level konduksi yang dibentuk oleh pendadah Ta2O5 sehingga
memudahkan elektron naik ke level konduksi. Indeks bias film tipis BST
meningkat hingga panjang gelombang 440 nm kemudian cenderung menurun
seiring dengan bertambah besarnya panjang gelombang, dan mulai meningkat lagi
membentuk hiperbolik. Nilai indeks bias cenderung menurun dengan
bertambahnya persentase pendadah Ta2O5. Penambahan pendadah akan
menyebabkan bertambahnya nilai konstanta dielektrik. Pendadah Ta2O5 akan

5

menyebabkan meningkatnya donor doping. Hal ini menyebabkan meningkatnya
konsentrasi pembawa muatan negatif, sehingga medan listrik internal meningkat,
daerah deplesi bertambah besar dan molekul dielektrik akan bertambah besar pula.
Peningkatan intensitas yang jatuh pada film tipis meningkatkan arus pada film
tipis, akhirnya akan menaikkan konduktivitas listrik film tipis. Secara umum
penambahan doping Ta2O5 meningkatkan konduktivitas film tipis akibat doping
atom pentavalen menghasilkan banyak elektron pada pita konduksi. Berdasarkan
hasil uji konduktivitas, film tipis BST berada pada rentang konduktivitas
semikonduktor. Hasil XRD dan SEM-EDX menunjukkan bahwa film tipis BST

yang ditumbuhkan diatas substrat silikon berhasil dibuat.
Kata kunci : film tipis BST, Ba0,5Sr0,5TiO3, substrat Si tipe-p, Chemical Solution
Deposition (CSD), absorbansi, reflektansi, konduktivitas listrik,
konstanta dielektrik, XRD,SEM-EDX, Ta2O5, sensor warna.

6

\

© Hak Cipta Milik IPB, tahun 2011
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan
kependidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan
kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan
kepentingan yang wajar IPB
Dilarang mengunumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
dalam bentuk apa pun tanpa ijin IPB

7


UJI SIFAT LISTRIK DAN SIFAT OPTIK FOTODETEKTOR BERBASIS
FILM TIPIS BST DIDADAH Ta2O5 SEBAGAI SENSOR WARNA

INNA NOVIANTY

Tesis
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Biofisika

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011

8

Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Agus Kartono, M.Si


9

Judul Penelitian
Nama
NRP

: Uji Sifat Listrik dan Sifat Optik Fotodetektor Berbasis
Film Tipis BST Didadah Ta2O5 sebagai Sensor Warna
: Inna Novianty
: G751090031

Disetujui
Komisi Pembimbing

Dr.Ir. Irzaman, M.Si
Ketua

Dr. Akhiruddin Maddu,S.Si, M.Si
Anggota


Diketahui

Ketua Program Studi
Biofisika

Dekan Sekolah Pascasarjana

Dr. Agus Kartono, M.Si

Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr

Tanggal Ujian : 25 Juli 2011

Tanggal Lulus :

10

Tulisan ini saya persembahkan untuk
Orang Tua tercinta
Suami dan anakku tersayang

Keluarga besar di Bogor dan Bintaro

11

PRAKATA
Asslamu’alalikum Wr.Wb
Alhamdulillahi rabbil ‘alamin. Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah
SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan penelitian
yang berjudul Uji Sifat Listrik dan Sifat Optik Fotodetektor Berbasis Film Tipis
BST Didadah Ta2O5 sebagai Sensor Warna. Penelitian dilaksanakan sejak bulan
Novemberr 2010 hingga Mei 2011 di Lab Biofisika Departemen Fisika IPB,
Bogor. Penelitian ini sebagai salah satu syarat kelulusan program pascasarjana di
Departemen Fisika Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor.
Terima kasih penulis ucapkan kepada bapak Dr. Ir. Irzaman, M.Si dan
Dr.Akhiruddin Maddu, S.Si, M.Si

selaku

komisi pembimbing yang selalu


memberikan motivasi dan bantuan selama penulis menjalankan studi dan
menyelesaikan penelitian ini. Penghargaan sebesar-besarnya kepada Biro
Perencanaan Kerja sama Luar Negeri (BPKLN) Kemendiknas atas Beasiswa
Unggulan yang diberikan kepada penulis sehingga penulis mendapatkan bantuan
dana pendidikan dan penelitian. Ucapan terima kasih tak terhingga penulis
sampaikan kepada Arief Nugroho Nur Prasetyo, Anisah Arienna NP, keluarga
kecilku yang senantiasa menemani perjuangan penulis menyelesaikan tesis ini.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada ibu dan bapak atas kegigihan dan
semangat pantang menyerah. Juga kepada keluarga penulis di Bintaro, mama, dan
kakak tercinta atas segala kasih sayang, doa dan dukungan. Terima kasih kepada
teman-teman mahasiswa Mayor Biofisika Sekolah Pascasarjana IPB, keluarga
ketigaku, Mba Weni, Mba Desi, Mba Dila, Mba Ika, Mba Diah, Mba Manda,
Nidia, Mba Novi, Rina, Ratih, Weni, Agis, Nur, Bu Irma, Bu Gusni, teman
HIMMPAS IPB dan semua pihak yang telah memberikan bantuannya baik secara
langsung maupun tidak selama penelitian hingga selesai tesis ini.
Akhir kata, semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat untuk kita semua.
Kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan untuk kemajuan
aplikasi material yang sedang dikembangkan.
Bogor, Juli 2011

Penulis

12

RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 19 November 1986 dari pasangan
Bapak Encep Sukatma dan Ibu Cicih. Penulis merupakan putri kedua dari tiga
bersaudara. Penulis menempuh pendidikan di SDN Gunung Batu 1 Bogor pada
tahun 1992-1998, SLTP N 1 Bogor pada tahun 1998-2001, SMU N 1 Bogor pada
tahun 2001-2004 dan pada tahun yang sama penulis diterima sebagai mahasiswa
IPB melalui jalur SPMB di jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu
Penegetahuan Alam. Penulis menyelesaikan studi strata satu (S1) pada tahun
2008.
Tahun 2008 penulis menjadi pengajar di SDIT Al Yasmin hingga Tahun
2009. Tahun 2009 penulis mendapat beasiswa dari Biro Perencanaan Kerja sama
Luar Negeri (BPKLN) Kemendiknas berupa Beasiswa Unggulan untuk
melanjutkan pendidikan ke Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor
Program Mayor Biofisika.

13

DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................xii
DAFTAR TABEL............................................................................................xiv
DAFTAR LAMPIRAN..................................................................................... xv
PENDAHULUAN.............................................................................................. 1
Latar Belakang........................................................................................ 1
Tujuan Penelitian .................................................................................. 3
Perumusan Masalah ................................................................................3
TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................... 5
Bahan Ferroelektrik.................................................................................5
Bahan Barium Stronsium Titanat............................................................5
Bahan Pendadah Tantalum Pentaoksida (Ta2O5)....................................6
Fotodetektor ............................................................................................9
Kapasitansi dan Dielektrik Bahan ........................................................ 12
Sifat Optik ........................................................................................... 14
Difraksi Sinar-X .................................................................................. 16
Morfologi Lapisan Tipis ..................................................................... 17
METODOLOGI PENELITIAN .................................................................... 19
Tempat dan Waktu Penelitian ...............................................................19
Bahan dan Alat......................................................................................19
Prosedur Penelitian................................................................................19
Metode Chemical Solution Deposition (CSD).............................. 19
Pembuatan Film Tipis ................................................................... 19
Persiapan Substrat Si Tipe-p.................................................... 20
Pembuatan Larutan BST dan BSTT......................................... 21
Proses Penumbuhan Film Tipis................................................21
Proses Annealing ..................................................................... 22
Pembuatan Kontak pada Film Tipis......................................... 22
Karakterisasi Film Tipis........................................................................24
Karakterisasi Kuat Arus Tegangan (I-V)...................................... 24
Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis ............................................. 24
Karakterisasi Sifat Dielektrik........................................................24
Karakterisasi Konduktivitas Listrik Film Tipis ............................ 25
Karakterisasi Difraksi Sinar-X (XRD) ......................................... 25
Karakterisasi Scanning Electron Microscope (SEM).................... 26

14

HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................................... 27
Analisis Arus Tegangan (I-V) Film Tipis ............................................. 27
Analisis Sifat Optik Film Tipis............................................................. 32
Analisis Konstanta Dielektrik Film Tipis ............................................ 37
Analisis Konduktivitas Listrik Film Tipis ............................................ 40
Analisis Difraksi Sinar-X ..................................................................... 41
Analisis SEM-EDX .............................................................................. 45
KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................................... 51
Kesimpulan ........................................................................................... 51
Saran ..................................................................................................... 52
DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 53

15

DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Aplikasi BST berupa RAM.............................................................................. 2
2 Lambang skematis fotodioda ........................................................................... 2
3 Kurva histerisis................................................................................................. 6
4 Chip kapasitor BST .......................................................................................... 7
5 Struktur Ba0.5Sr0.5TiO3 didadah Tantalum Pentaoksida .................................. 9
6 Penampang melintang Fotodioda.................................................................. 10
7 Keadaan fotodioda persambungan p-n.......................................................... 10
8 Grafik karakteristik diode ideal silikon......................................................... 11
9 Rangkaian pengisi muatan pada kapasitor .................................................... 14
10 Absorpsi optik .............................................................................................. 15
11 Prinsip dasar analisis struktur Kristal menggunakan difraksi sinar-X ......... 17
12 Skema Scanning Electron Microscope (SEM) ............................................ 18
13 Hubungan ketebalan film tipis terhadap (a) kecepatan spin coating
(b) lama spin coating (c) Exhause volume. (d) exhause volume
terhadap keseragaman ketebalan film tipis ................................................ 20
14 Proses spin coating....................................................................................... 23
15 Proses Annealing.......................................................................................... 23
16 Prototipe sel Fotovoltaik (BST/Si) tampak atas........................................... 23
17 Rangkaian RC untuk mengukur kapasitansi film tipis................................. 25
18 (a) Kurva I-V Film tipis BST tanpa doping. (b) Kurva I-V
Film tipis BST dengan doping Ta2O5 2,5%. (c) Kurva I-V
Film tipis BST dengan doping Ta2O5 5%. (d) Kurva I-V
Film tipis BST dengan doping Ta2O57,5%. (e) Kurva I-V
Film tipis BST dengan doping Ta2O5 10% ................................................. 29
19 (a) Kurva I-V Film tipis BST tanpa doping. (b) Kurva I-V
Film tipis BST dengan doping Ta2O5 2,5%. (c) Kurva I-V
Film tipis BST dengan doping Ta2O5 5%. (d) Kurva I-V
Film tipis BST dengan doping Ta2O57,5%. (e) Kurva I-V
Film tipis BST dengan doping Ta2O5 10% ................................................. 31
20 Kurva Absorbansi Film Tipis BST dengan Doping Ta2O5 .......................... 33
21 Kurva Reflektansi Film Tipis BST dengan Doping Ta2O5 .......................... 33
22 {ln(R-Rmin)/(Rmax-Rmin)}2 sebagai fungsi hƲ dan Plot Tauc
untuk Film Tipis BST: (a) Tanpa Doping. (b) Doping 2,5%.
(c) Doping 5%. (d) Doping 7,5%. (e) Doping 10%.
(f) Hubungan Energi Gap terhadap persen doping Ta2O5 ........................... 35
23 Kurva hubungan indeks bias terhadap panjang gelombang......................... 36
24 (a) Hasil Sinyal Osiloskop BST tanpa doping.
(b) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta2O5 2,5%.
(c) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta2O5 5%.
(d) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta2O5 7,5%.
(e) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta2O5 10 % ..................... 39
25 Hubungan variasi doping Ta2O5 terhadap konstanta dielektrik ................... 40
26 Grafik hubungan konduktivitas listrik terhadap intensitas cahaya............... 41
27 Kristalografi Ba0.5Sr0.5TiO3 (a). Murni. (b) Doping Ta2O5 2,5 %.
(c) Doping Ta2O5 5 % (d) Doping Ta2O5 7,5 %.

16

(e) Doping Ta2O5 10 %. (f) Pola difraksi BST dan BSTT ......................... 43
28 Pola difraksi dari film tipis Ba1-xSrxTiO3 ..................................................... 44
29 Hubungan parameter kisi terhadap komposisi Ba1-xSrxTiO3 ....................... 44
30 Penampang melintang sampel BST :(a) murni, (b) doping Ta2O5
7.5%, (c) doping Ta2O5 10% ....................................................................... 45
31 Foto SEM film tipis BST dengan perbesaran 30000x : (a) murni,
(b) doping Ta2O5 7.5%, (c) doping Ta2O5 10%......................................... 46
32 Hasil EDX film tipis BST:(a) murni, (b) doping Ta2O5 7.5%,
(c) doping Ta2O5 10% ................................................................................ 49

17

DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1 Kapasitansi dan konstanta dielektrik film tipis BST............................. 40
Tabel 2 Nilai konduktivitas listrik film tipis BST.............................................. 41
Tabel 3 Nomor puncak dan orientasi BST/BSTT pada bidang kristal............... 43
Tabel 4 Parameter kisi BST dan BSTT struktur tetragonal ............................... 44
Tabel 5 Ukuran kristal (crystalline size) partikel BST ...................................... 45
Tabel 6 Ketebalan film tipis di atas substrat silikon tipe-p terhadap
variasi doping Ta2O5 ........................................................................... 46

18

DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1 Pembuatan Film Tipis........................................................................ 57
Lampiran 2 Data Ketebalan Film Tipis BST dengan Metode Volumetrik ........... 58
Lampiran3 Data dan Perhitungan Konduktivitas Listrik Film Tipis BST
Dan BSTT ......................................................................................... 60
Lampiran 4 Olah data XRD .................................................................................. 62
Lampiran 5 Peralatan yang digunakan dalam penelitian ..................................... 65

19

PENDAHULUAN

Latar Belakang
Kajian

material

ferroelektrik

semakin

banyak

dilakukan

dan

dikembangkan oleh para ilmuwan. Beberapa material ferroelektrik yang sering
digunakan adalah : Barium Strontium Titanate (BST), Lead Zirconium titanate
(PZT), Strontium Titanate (STO). Barium Strontium titanate (BST) thin film
banyak diaplikasikan sebagai Non Volatile Memory Device, Dynamic random
Acces Memory (DRAM), voltage tunable device, Infra Red (IR), sensor
kelembaban, sensor cahaya dan sensor gula. Karakteristik sifat kelistrikan dan
material lapisan tipis BST tergantung pada metode pembuatan film, jenis material
doping, suhu annealing, dan ukuran grain. Metode pembuatan BST thin film
diantaranya adalah Pulsed Laser Deposition (PLD), Metal organic Solution
Deposition (MOSD), Sol-Gel Process dan RF Magnetron Sputtering. Pada
penelitian ini, akan disintesa film tipis BST (Ba0.5Sr0.5TiO3) menggunakan metode
Chemical Solution Deposition (CSD) (Azizahwati, 2002). Salah satu aplikasi
material ferroelektrik ditunjukkan pada Gambar 1.
Fotodioda adalah salah satu contoh fotodetektor, yaitu sebuah alat
optoelektronika yang dapat mengubah cahaya datang menjadi besaran listrik.
Menurut Miles, efek fotodetektor berupa konversi energi foton menjadi energi
listrik secara langsung. Si berbasis fotodetektor sensitif didaerah cahaya tampak
dan infra merah. Respon Si berbasis fotodetektor rendah pada daerah ultraviolet
karena energi bandgapnya yang kecil ( 1.1 eV pada suhu ruang) (Lin et al., 2006).
Beberapa fotodetektor yang telah dikembangkan adalah ZnSe metal–insulator–
semiconductor (MIS). Fotodetektor ini sensitif pada daerah UV karena
bandgapnya yang lebar. Selain itu, fotodetektor merupakan sensor cahaya atau
sensor energi elektromagnetik lainnya yang dapat mendeteksi dan mengukur
output laser atau jenis sumber lainnya. Fotodetektor adalah devais yang dapat
memberikan

respon

listrik

yang

bermanfaat

untuk

mengukur

radiasi

elektromagnetik yang datang. Fungsi fotodetektor diantaranya adalah devais

20

Gambar 1. Aplikasi BST berupa RAM

penting pada hampir seluruh sistem listrik-optik dan laser. Fotodetektor menerima
cahaya datang dan mengubahnya menjadi respon yang dapat diukur sehinga
dibutuhkan pengukuran intensitas atau iradians dari cahaya datang.
Fotodetektor sering digunakan bersama laser pada hampir seluruh aplikasi
teknologi laser. Sebagai contoh, fotodetektor digunakan untuk mengukur dan
mengontrol daya output laser pada aplikasi kerja logam. Selain itu, fotodetektor
dibutuhkan untuk mengukur posisi dan gerak tepi interferensi dalam aplikasi
pengukuran jarak. Selain itu, fotodetektor bertugas sebagai penerima dalam
komunikasi optik. Fotodetektor dapat menghasilkan respon listrik berupa arus
listrik atau tegangan.
Sifat yang dimiliki fotodetektor diantaranya adalah respon yang tinggi pada
suatu panjang gelombang untuk dideteksi, nilai noise yg kecil dan kecepatan yang
cukup untuk mengikuti variasi sinyal optik yang akan dideteksi.
Gambar 2 menunjukkan lambang skematis fotodioda. Panah yang mengarah
ke dalam melambangkan cahaya yang datang. Sumber dan tahanan seri
memberikan prategangan balik pada fotodioda. Bila cahaya makin cerah maka
arus balik naik. Dalam fotodioda yang lazim arus balik tersebut besarnya sekitar
puluhan mikroampere.
Penelitian ini akan membuat film tipis BST yang didadah tantalum dengan
berbagai variasi doping. Film tipis yang dihasilkan akan diaplikasikan pada
rangkaian elektronik sensor warna terkait dengan kemampuannya menjadi
fotodetektor.

Gambar 2. Lambang skematis fotodioda

21

Tujuan Penelitian
1. Mensintesis film tipis BST dan film tipis BST didadah Ta2O5 dengan
variasi persentase Ta2O5, yaitu 0%, 2.5%, 5%, 7.5%, 10%.
2. Membahas mengenai sifat fotodetektor dari film tipis BST didadah Ta2O5
yang ditumbuhkan dengan metode CSD.
3. Mengamati pengaruh doping Ta2O5 terhadap sifat listrik fotodetektor film
tipis. Film tipis BST dan BSTT yang dihasilkan akan di karakterisasi arustegangan (I-V), konduktivitas listrik, sifat optik mencakup absorbansi dan
reflektansi, indeks bias, energi gap, dan mikrostruktur BST.

Perumusan Masalah
Salah satu jenis fotodetektor yang pernah dibuat adalah ZnSe metal–
insulator–semikonduktor (MIS). Fotodetektor ini disintesis pada substrat ZnSe
yang dilapisi oleh BST (Ba0.25Sr0.75TiO3) dan SiO2. Selain itu terdapat pula
fotodetektor berbasis GaN. Fotodetektor ini dibuat dari material yang memiliki
energi bandgap yang lebar. Hal ini menyebabkan terbentuknya fotodetektor yang
sensitif pada daerah panjang gelombang sinar ultra violet. Hal ini menimbulkan
munculnya ide pembuatan fotodetektor berbasis film tipis BST yang dibuat pada
substrat silikon. Fotodetektor ini sensitif pada daerah panjang gelombang sinar
tampak dan infra merah. Sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor warna yang
membutuhkan sensor yang peka pada daerah panjang gelombang cahaya tampak.

22

23

TINJAUAN PUSTAKA

Bahan Ferroelektrik
Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara
spontan pada material akibat penerapan medan listrik yang mengakibatkan adanya
ketidaksimetrisan

struktur

kristal

pada

suatu

material

ferroelektrik.

Ferroelektrifitas merupakan fenomena yang ditunjukkan oleh kristal dengan suatu
polarisasi spontan dan efek histerisis yang berkaitan dengan perubahan dielektrik
dalam menanggapi penerapan medan listrik. Sifat histerisis dan konstanta
dielektrik yang tinggi dapat diaplikasikan pada sel memori Dynamic Random
Acess Memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melebihi 1 Gbit seperti
yang ditunjukkan pada Gambar 2. Sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai
mikroaktuator dan sensor, sifat polaryzability dapat digunakan sebagai Non
Volatile Ferroelectric Random Acsess Memory (NVRAM), sifat pyroelektrik
dapat diterapkan pada sensor inframerah dan sifat elektrooptik dapat diaplikasikan
pada switch termal infra merah (Syafutra, 2008).
Film tipis ferroelektrik merupakan material elektronik yang memiliki sebuah
polarisasi listrik dengan adanya medan listrik eksternal, polarisasi ini dapat
dihilangkan dengan memberikan medan eksternal yang arahnya berlawanan. Sifat
listrik yang ditunjukkan material ini berkaitan dengan sifat listrik mikroskopiknya.
Muatan positif dan negatif pada material ini tidak selalu terdistribusi secara
simetris. Jika jumlah muatan dikali jarak untuk semua elemen dari sel satuan tidak
nol maka sel akan memiliki momen dipol listrik. Momen dipol persatuan volume
disebut sebagai polarisasi dielektrik (Syafutra, 2008). Contoh bahan ferroelektrik
adalah LiTaO3, BaxSr1-xTiO3, dan turunannya.
Kurva hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E)
ditunjukkan pada Gambar 3, ketika kuat medan listrik ditingkatkan maka
polarisasi meningkat cepat (OA) hingga material akan mengalami kondisi saturasi
(AB). Jika kuat medan diturunkan, polarisasinya tidak kembali lagi ke titik O,
melainkan mengikuti garis BC. Ketika medan listrik tereduksi menjadi nol,
material akan memiliki polarisasi remanan (Pr) (OC). Untuk menghapus nilai

24

Gambar 3. Kurva histerisis

polarisasi dari material dapat dilakukan dengan menggunakan sejumlah medan
listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga dari medan listrik untuk
mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan koersif (Ec). Jika medan
listrik kemudian dinaikkan kembali, material akan kembali mengalami saturasi,
hanya saja bernilai negatif (EF). Putaran kurva akan lengkap jika ,medan listrik
dinaikkan lagi dan pada akhirnya akan didapatkan kurva hubungan polarisasi (P)
dengan medan koersif (Ec) yang ditunjukkan loop histerisis (Marwan, 2007).

Bahan Barium Stronsium Titanat (BST)
Barium stronsium titanat (BST) adalah film tipis yang berpotensi untuk
DRAM dan NVRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi, kebocoran arus
rendah dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperatur
Curie. Temperatur Curie pada barium titanat adalah 130oC dan dengan adanya
doping stronsium temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat
digunakan pada devais yang memerlukan temperatur kamar. Film tipis BST telah
difabrikasi dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation, dan sol-gel
process. Kenaikan temperatur annealing akan menaikkan ukuran grain dalam
kristal film tipis BST. Pada suhu annealing 700oC struktur BST yang teramati
adalah struktur kubik dengan konstanta kisi a= 3,97Å untuk 30% mol stronsium.
Konstanta dielektriknya diukur dari kurva C-V kira-kira 120 dengan faktor
disipasi 0,0236. Kebocoran rapat arus dari film adalah 4x10-8A/cm dari
perhitungan I-V menggunakan divais peralatan fabrikasi (Giridharan et al. 2001).
Kapasitor BST memiliki keuntungan yaitu punya range 0,5 pF sampai 500 nF.
Gambar 4 adalah contoh chip kapasitor BST.

25

Gambar 4. Chip kapasitor BST

Berikut Persamaan reaksi barium stronsium titanat (BST):
0,5Ba(CH3COO)2 + 0,5Sr(CH3COO)2 + Ti(C12H28O4) + 22O2 → Ba0,5Sr0,5TiO3 +
17H2O + 16CO2
Film tipis BaxSr1-xTiO3 ( BST ) merupakan material ferroelektrik yang
banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi
(εr>> εSiO2) dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage
capacity) sehingga dapat diaplikasikan sebagai kapasitor (Syafutra, 2008).
Beberapa penelitian juga berpendapat kalau BST memiliki potensi untuk
mengganti lapisan tipis SiO2 pada sirkuit MOS di masa depan. Dari penelitian
yang telah dilakukan sampai saat ini, lapisan tipis BST biasanya memiliki
konstanta dielektrik yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya.
Struktur 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 ini. Film tipis BST dapat
dibuat dengan berbagai teknik di antaranya CSD, sputtering, laser ablasi,
MOCVD dan proses sol gel.

Bahan Pendadah Tantalum Pentaoksida (Ta2O5)
Pendadah memiliki fungsi untuk merubah parameter kisi, konstanta
dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari film
tipis. Bahan pendadah material ferroelektrik terbagi menjadi dua jenis yaitu soft
dopant dan hard dopant. Ion soft dopant dapat menghasilkan material
ferroelektrik memiliki koefisien elastisitas yang lebih tinggi, sifat medan koersif
yang lebih rendah, faktor kualitas mekanik dan listrik yang lebih rendah. Soft
dopant disebut juga donor dopant karena menyumbang valensi yang berlebih
pada struktur Kristal BST. Sedangkan ion hard dopant dapat menghasilkan

26

material ferroelektrik menjadi lebih hardness, sifat medan koersif yang lebih
tinggi, faktor kualitas mekanik dan listrik yang lebih tinggi. Hard dopant disebut
juga acceptor dopant karena menerima struktur berlebih dalam struktur Kristal
BST ( Utami, 2007).
Tantalum merupakan logam yang memiliki kemiripan sifat-sifat kimia
dengan unsur non logam, tantalum lebih banyak ditemui dalam bentuk anion
dibandingkan kation. Beberapa persenyawaan yang penting dari tantalum adalah
halida dan oksida halida yang bersifat volatil dan mudah terhidrolisis. Beberapa
sifat dari tantalum adalah logam mengkilat, titik lelehnya tinggi 2468oC, tahan
terhadap asam, dapat larut dalam campuran HNO3-HF, bereaksi lambat dengan
leburan NaOH. Ta2O5 merupakan persenyawaan dengan oksigen yang berbentuk
serbuk putih dan bersifat inert, tidak larut dengan semua asam kecuali dengan HF
pekat serta dapat larut dalam leburan NaOH dan NaHSO4. Persenyawaan halida
tantalum adalah pentafluorida, dibuat dari reaksi fluorinasi dari logamnya,
merupakan padatan putih volatil, dalam keadaan cair tidak berwarna dan volatil.
Persenyawaan halida tantalum yang lain adalah pentaklorida dibuat melalui reaksi
klorinasi dari logamnya, merupakan padatan kuning, terhidrolisis menjadi hidrat
oksida (Darjito, 2002). Penambahan sedikit pendadah dapat menjadikan
perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektro-kimia, sifat elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari keramik pada film tipis. Penambahan tantalum
pentaoksida

akan

mendapatkan

bahan

pyroelektrik

bersifat

menyerupai

semikonduktor tipe-n (Darjito, 2002). Gambar 5 menunjukkan atom tantalum
menggantikan atom titanium pada struktur BST (Darjito, 2002). Berat molekul
tantalum pentaoksida lebih besar dibandingkan BST (barium stronsium titanat)
besarnya berat bahan pendadah memungkinkan ketika proses annealing dilakukan
pada temperatur tinggi bahan pendadah tidak mengalami penguapan. Pada
annealing dengan temperatur tinggi dapat mengakibatkan film tipis BST yang
telah dideposisi menguap sehingga mengurangi kualitas kristal film tipis BST.
Dengan adanya penambahan tantalum pentaoksida 2,5%, 5%, 7,5% dan 10 %,
bahan pendadah yang tidak mengalami penguapan, maka lapisan film tipis BSTT
(semikonduktor tipe-p) akan lebih banyak terisi tantalum, sehingga akan
meningkatkan sifat listriknya.

27

Gambar 5. Struktur Ba0.5Sr0.5TiO3 didadah Tantalum Pentaoksida

Fotodetektor
Fotodetektor terdiri dari beberapa jenis diantaranya devais tabung vakum,
fotodioda semikonduktor, devais fotokonduktif semikonduktor dan termokopel.
Aplikasi Film tipis BST sebagai fotodetektor dapat berupa devais fotodioda dan
fotokonduktiv. Dioda adalah sambungan p-n yang berfungsi terutama sebagai
penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi katoda sedangkan bahan tipe-n akan
menjadi anoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya,
diode bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anode
mendapatkan tegangan positif sedangkan katodenya mendapatkan tegangan
negatif) dan berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anode mendapatkan
tegangan negative sedangkan katode mendapatkan tegangan positif). Kondisi
tersebut terjadi hanya pada diode ideal. Pada diode faktual (riil), perlu tegangan
lebih besar dari 0,7V (untuk diode yang terbuat dari bahan silikon). Tegangan
sebesar 0,7V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Diode yang
terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3V
(Syafutra, 2007)
Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus
atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenakan cahaya. Fotodioda
biasanya mengacu pada sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya. Cahaya yang
dapat dideteksi oleh diode foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak,
ultra ungu sampai dengan sinar-X. Pada Gambar 6 memperlihatkan penampang
bagian dari fotodioda. Fotodioda memiliki daerah permukaan aktif yang
ditumbuhkan di atas permukaan substrat, yang pada akhirnya akan menghasilkan
persambungan p-n. Ketebalan lapisan yang ditumbuhkan biasanya memiliki

28

ketebalan 1 m atau lebih kecil lagi dan pada daerah persambungan lapisan-p dan
lapisan-n terdapat daerah deplesi. Daerah spektral dan frekuensi aktif dari
fotodioda bergantung pada ketebalan lapisan atau doping(Syafutra, 2008).
Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron dalam struktur kristalnya akan
terstimulus. Jika energi cahaya lebih besar dari pada energy bandgap (Eg),
elektron akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan hole pada pita valensi.
Pada Gambar 6 terlihat pasangan elektron-hole terjadi pada lapisan-p dan lapisann. Di dalam lapisan deplesi medan listrik mempercepat elektron-elektron ini
menuju lapisan-n dan hole menuju lapisan-p. Pasangan elektron-hole dihasilkan di
dalam lapisan-n, bersamaan dengan elektron yang datang dari lapisan-p samasama akan menuju pita konduksi di sebelah kiri. Pada saat itu juga hole
didifusikan melewati lapisan deplesi dan akan dipercepat, kemudian hole ini akan
dikumpulkan pada pita valensi lapisan-p. Pasangan elektron-hole yang dihasilkan
sebanding dengan cahaya yang diterima oleh lapisan-p dan lapisan-n. Muatan
positif dihasilkan pada lapisan-p dan muatan negatif pada lapisan-n. Jika lapisan-p
dan lapisan-n dihubungkan dengan rangkaian luar, elektron akan mengalir dari
lapisan-n dan hole akan mengalir dari lapisan-p seperti pada Gambar 7 .

Gambar 6. Penampang melintang Fotodioda.

Gambar 7. Keadaan fotodioda persambungan p-n.

29

Gambar 8. Grafi
Grafik karakteristik diode ideal silikon

Grafik karakteristik diode ideal silikon ditunjukkan pada Gambar 8.
Karakteristik diode menggambarkan perilaku diode ketika diberi panjar maju dan
panjar mundur. Grafik ini digambarkan dengan sumbu –X sebagai fungsi
tegangan dan sumbu-Y
Y sebagai arus listrik yang munc
muncul.
Pada saat tegangan
egangan panjar maj
maju (forward bias) kurang dari 0,6 V, maka arus
listrik yang dihasilkan
kan cukup kecil. Hal ini disebabkan karena adanya lapisan
penghalang (depletion
depletion layer)

sehingga hambatan cukup besar. Saat tegangan

pajar maju lebih dari 0,6 V, arus yang mengalir bertambah besar. Hal itu terjadi
karena hambatan pada diode sambungan menjadi kecil. Pada saat panjar maju,
tegangan potensial sisi P le
lebih besar dari sisi N, sehingga elektron
ron dari sisi N akan
bergerak mengisi hole di sisi P. Jika elektron mengisi hole disisi P, maka akan
terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut aliran hole dari P
menuju N. Jika mengunakan te
terminologi arus listrik, maka dikatakan
katakan terjadi aliran
ali
listrik dari sisi P ke sisi N.
Pada saat diberi panjar mundur ( reverse bias), arus yang mengalir sangat
kecil dan dapat diabaikan. Pada saat terjadi panjar mundur, lapisan penghalang
bertambah lebar. Dengan bertambah lebarnya lapisan penghalang ini, arus listrik
akan sukar mengalir. Hanya arus listrik yang nilainya kecil yang disebabkan oleh
ikatan yang putus pada masing
masing-masing semikonduktor saja yang muncul.
muncul Arus
listrik ini disebut
sebut arus bocor. Apabila tegangan panjar mundur diperbesar
erbesar akan
semakin banyak arus bocor yang akhirnya dapat merusak sambungan p-n.
Tegangan ini disebut breakdown voltage atau tegangan rusak. Kenyataannya,
Kenyataa
diode yang terbuat dari silikon memiliki nilai Isat yang sangat kecil yaitu berada
pada orde 10-10A . Nilai ini tidak bisa dibaca pada alat ukur yang biasa dipakai

30

seperti osiloskop, volt meter digital dan lain sebagainya. Alat ukur yang bisa
dipakai salah satunya disebut curve tracer.
Persamaan teoretis untuk arus diode atau sering disebut persamaan
maan diode
ideal Shockley adalah:
(1)
Dimana IS adalah arus saturasi, n adalah koefisien emisi, dan VT adalah tegangan
termal. iD dan vD adalah nilai arus listrik dan tegangan yang diplotkan pada
Gambar 8. Koefisien emisi menunjukkan jumlah rekombinasi elektron dan hole
di daerah deplesi, yang cenderung menurunkan arus listrik. Untuk diode yang
diskrit, nilai n 2. Untuk diode sirkuit terintegrasi, nilai n 1. Nilai n yang
berbeda dikarenakan pada diode sirkuit terintegrasi dibuat sebagai transistor
bipolar yang kolektornya terhubung ke basis. Sedangkan tegangan
egangan termal
ditunjukkan oleh Persamaan
ersamaan 2 :
(2)
Dimana k adalah konstanta Boltzmann, T adalah temperatur Kelvin, dan q adalah
muatan elektron. Nilai VT meningkat seiring dengan meningkatnya T, sehingga
berdasarkan persamaan 1 , meningkatnya T akan menyebabkan menurunnya nilai
iD.
Pada saat terjadi tegangan panjar mundur ( reverse bias) seperti
sepe yang
terlihat pada Gambar 8, nilai eksponensial pada persamaan diode dapat diaba
diabaikan.
Arus listrik yang muncul adalah konstanta (negatif) arus listrik reverse -IS.
Sedangkan daerah breakdown reverse tidak dimodelkan oleh persamaan diode
Shockley.
Pada saat terjadi panjar maju (forward bias ), nilai eksponesial sangat
besar karena tegangan termal sangat kecil, sehingga pengurangan 1 pada
persamaan 1 dapat diabaikan dan arus listrik diode panjar maju mendekati
Persamaan 3.
(3)

Kapasitansi dan Dielektrik Ba
Bahan
Kapasitansi adalah kem
kemampuan penyimpanan muatan untuk suatu perbedaan
potensial tertentu. Satuan dari kapsitansi adalah coulomb per volt, yang disebut

31

farad (F). Besarnya kapasitansi kapasitor tidak bergantung dari V dan Q, tetapi
bergantung pada bentuk geometri dan dielektrik bahan kapasitor. Seperti pada
Persamaan 4 :
=

(4)

Dengan C kapasitansi kapasitor, ε konstanta dielektrik bahan, εo permitivitas
ruang hampa (8,85 x 10-12 C2 m-2 N-1), d jarak antara dua plat (m), A luas
penampang plat (m2).
Suatu material isolator, seperti kaca, kertas atau kayu disebut dielektrik.
Ketika ruang di antara dua konduktor pada suatu kapasitor diisi dielektrik,
kapasitansi naik sebanding dengan faktor k yang merupakan karaktristik dielektrik
dan disebut konstanta dielektrik. Kenaikan kapasitansi ini disebabkan oleh
melemahnya medan listrik di antara keping kapasitor akibat adanya bahan
dielektrik. Dengan demikian, untuk jumlah muatan tertentu pada keping kapasitor,
perbedaan potensial menjadi lebih kecil dan rasio Q/V bertambah besar (Tippler,
1991). Ketika suatu dielektrik diletakkan antara keping-keping kapasitor, medan
listrik dari kapasitor mempolarisasikan molekul-molekul dielektrik. Hasilnya
adalah terdapat suatu muatan terikat pada permukaan dielektrik yang
menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan medan listrik luar. Dengan
demikian, medan listrik antara keping-keping kapasitor akan menjadi lemah
(Tippler, 1991). Proses pengisian kapasitor pada Gambar 9 dapat dijelaskan
sebagai berikut. Pada saat saklar ditutup pada saat t = 0. Muatan mulai mengalir
melalui resistor dan menuju plat positip kapasitor. Jika muatan pada kapasitor
pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal Kirchoff
memberikan

atau







=

(5)

=

(6)

Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor
meningkat :
= +

(7)

32

Gambar 9. Rangkaian pengisi muatan pada kapasitor

Subtitusikan persamaan 6 ke 7 :
+

=

(8)

Pada saat t = 0, muatan pada kapsitor nol dan arusnya I0 =

/ R . Muatan

akan bertambah sedangkan arus berkurang, seperti tampak pada Persamaan 6.
Muatan mencapai maksimum Qf = C

ketika arus I sama dengan nol. Persamaan

8 diubah menjadi bentuk :
=

-Q

(9)

Time konstan atau konstanta waktu merupakan waktu yang dibutuhkan
untuk berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya dan disimbolkan τ dan
dirumuskan sebagai τ = RC . Pada kapasitor, muatan disimpan dalam material
dielektrik yang mudah terpolarisasi dan mempunyai tahanan listrik yang tinggi
(sekitar 1011) untuk mencegah aliran muatan diantara plat kapasitor. Gambar
memperlihatkan rangkaian RC untuk pengisian muatan dan tegangan yang ada
pada kapasitor diperoleh :
=

=



/

(10)

Sifat Optik
Pengukuran sifat optik merupakan hal yang sangat penting dalam penentuan
energi bandgap material semikonduktor. Transisi elektronik yang terjadi akibat
foton bergantung pada energi bandgap (Bishop, 2009). Besarnya energi bandgap
ini berpengaruh pada proses absorpsi dan transmisi foton. Ketika material
semikonduktor disinari maka foton diserap dan menimbulkan pasangan elektronhole seperti yang terlihat pada Gambar 10. Jika energi foton sama dengan energi

33

Gambar 10. Absorpsi Optik

bandgap maka terjadi proses (a), jika energi foton lebih besar dari pada energi
bandgap maka terjadi proses (b) di mana pada peristiwa ini terdapat tambahan
energi panas sebesar (hv =Eg), jika material semikonduktor terdapat
ketidakmurnian maka akan terdapat pita donor dan dapat terjadi transisi seperti
pada proses (c). Pada proses (a) dan (b) dinamakan transisi intrinsik (transisi band
to band) (Sze et al., 2007).
Absorbansi merupakan kebalikan dari transmitansi, yaitu fraksi radiasi
datang yang diserap oleh medium, dinyatakan oleh:
= log = log

= − ln

(11)

Koefisien absorpsi α adalah fraksi radiasi yang diserap dalam satuan jarak
yang dilalui dan merupakan karakteristik medium tertentu dan panjang gelombang
tertentu. Absorpsi foton bergantung pada sifat bahan semikonduktor dan panjang
gelombang cahaya yang datang. Arus yang dihasilkan oleh sebuah sel surya
bergantung pada panjang gelombang cahaya yang datang. Hal ini merupakan
karakteristik dari bahan semikonduktor dan dinyatakan pada persamaan:
=

(12)

Absorpsi A merupakan karakteristik bahan. Berdasarkan Persamaan 8 dan
Persamaan 9, hubungan transmitansi dan koefisien absorpsi sebagai panjang
gelombang dapat dinyatakan sebagai berikut :
ln

=

%

(13)

Absorpsi material semikonduktor menyebabkan terjadinya eksitasi elektron
dari pita valensi ke pita konduksi. Transisi pada material semikonduktor dapat
dituliskan dengan persamaan :


=

ℎ −

(14)

34

dengan : α = koefisien absorpsi, C = konstanta, hυ = energi foton, Eg = energi gap,
n = ½ untuk transisi langsung, n = 2 untuk transisi tidak langsung.
Selain itu, pengukuran sifat optik sangat penting untuk penentuan indeks
bias film tipis. Sumber cahaya yang melewati film tipis, sebagian akan
ditransmisikan dan sebagian lagi akan direfleksikan oleh film tipis tersebut.
Pengukuran transmisi dan refleksi dapat digunakan untuk memperoleh data band
edge, koefisien serapan optik, energi gap, indeks bias dan sebagainya. Hubungan
antara reflektivitas dan indeks bias film tipis sesuai dengan persamaan 15.
(Nussbaum et al. 1976)

√ =

=

√ +√ =

+ √ =

=





+√



(15)

−√

Difraksi Sinar-X
Zat padat dibedakan menjadi 2 kategori yaitu kristal dan amorf. Kristal
dibentuk oleh ion-ion, atom-atom dan molekul-molekul yang kemudian tersusun
menjadi pola tiga dimensional yang teratur dan terulang. Jenis kristal mempunyai
keteraturan

dengan

jangkauan

yang

panjang

dalam

susunan

partikel

pembangunnya. Sedangkan amorf strukturnya memiliki keteraturan dengan
jangkauan yang pendek.
Salah satu cara yang digunakan untuk mengetahui keteraturan atom atau
molekul adalah dengan menggunakan difraksi sinar-x. Sinar-x merupakan
gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang pendek. Akibat
adanya radiasi elektromagnet yang diarahkan pada kristal akan memberikan efek
interferensi. Interferensi pada kondisi tertentu yaitu jika arah bidang kristal
terhadap berkas sinar-x (θ) memenuhi persamaan Bragg, akan mengalami
penguatan. Prinsip ini digunakan untuk mengetahui struktur dari kristal.

35

Gambar 11. Prinsip dasar analisis struktur kristal menggunakan difraksi sinar-X

Sinar-X merupakan radiasi elektromagnet energi tinggi.
mempunyai panjang gelombang antara 0.01 nm sampai 1.15 pm.

Sinar-X
Panjang

gelombang tersebut berada pada range jarak antar atom dalam sistem kristal. Oleh
karena itu sinar-X dapat digunakan untuk memahami struktur dari bahan
(Beiser,1987).
Berdasarkan hukum braggs difraksi sinar-X terjadi pada dengan ketentuan:
=

dengan d = jarak antar atom,

(16)
= Panjang gelombang sinar- X, θ = Sudut

difraksi.
Hasil difraksi maksimum dan minimum dari sinar-X selanjutnya ditangkap
oleh detektor dalam bentuk cps ( counter per second ). Puncak puncak terdeteksi
untuk sudut tertentu berkaitan dengan indek Miler (hkl). Jarak bidang dan hkl
pada kristal kubik dirumuskan:
=

(17)

Prinsip kerja penentuan karakteristik bahan khususnya struktur kristal
menggunakan sinar-X diperlihatkan pada Gambar 11.

Morfologi Lapisan Tipis

Scanning Electron Microscope (SEM) adalah salah satu tipe mikroskop
elektron yang mampu menghasilkan resolusi tinggi dari gambaran suatu
permukaan sampel.

Oleh karena itu gambar yang dihasilkan oleh SEM

mempunyai karakteristik secara kualitatif dalam 3 dimensi karena menggunakan
elektron sebagai pengganti gelombang cahaya serta berguna untuk menentukan
struktur permukaan sampel. Diagram skema SEM dapat dilihat pada Gambar 12.

36

Mikroskop elektron ini memfokuskan sinar elektron (electron beam) di
permukaan obyek dan mengambil gambar dengan mendeteksi elektron yang
muncul pada permukaan obyek.

Perbedaan tipe dari SEM memungkinkan

penggunaan yang berbeda-beda antara lain untuk studi morfologi, analisis
komposisi dengan kecepatan tinggi, kekasaran permukaan, porositas, distribusi
ukuran partikel, homogenitas material atau untuk studi lingkungan tentang
masalah sensitifitas material.
Teknik SEM dapat digabungkan dengan teknik EDX (Energy Dispersive Xray Spectrometry).

Teknik EDX digunakan untuk mengetahui berbagai

kandungan unsur kimia dalam sampel dengan cara menangkap dan mengolah
sinyal fluoresensi sinar-X yang dipancarkan untuk suatu volume kecil di
permukaan sampel.

Gambar 12. Skema Scanning Electron Microscopy

37

METODOLOGI PENELITIAN

Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Material Departemen Fisika IPB
dari Bulan November 2010 sampai dengan bulan Mei 2011.

Bahan dan Alat
Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, reaktor spin
coating, mortal, pipet, gelas ukur iwaki 10ml, pinset, gunting, spatula, stop watch,
tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petritis, tissue, isolasi, dan blower
PT310AC, spektrofotometer, x ray difractometer.
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bubuk Barium Asetat
[Ba(CH3COO)2, 99%], Stronsium Asetat [Sr(CH3COO)2, 99%], Titanium
Isopropoksida [Ti(C12O4H28), 99.999%], Tantalum Pentaoksida [(Ta2O5)], pelarut
2- metoksietanol [H3COCH2CH2OH, 99%], substrat Si (100) tipe-p.

Prosedur Penelitian
Metode Chem