Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah
KARAKTERISASI OPTIK DAN LISTRIK FILM Ba0.55Sr0.45TiO3
UNTUK APLIKASI SENSOR KADAR GULA DARAH
HADYAN AKBAR
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Karakterisasi Optik dan
Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah adalah
benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan
dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di
bagian akhir disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Juli 2014
Hadyan Akbar
NIM G74100062
ABSTRAK
HADYAN AKBAR. Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk
Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah. Dibimbing oleh IRZAMAN dan
HERIYANTO SYAFUTRA.
Telah berhasil dibuat film tipis Ba0.55Sr0.45TiO3 di atas substrat Silikon (100)
tipe-p dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan spin coating
berkecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik dalam kelarutan 1 M. Film tipis di
annealing pada suhu 750 oC, 775 oC, 825 oC, 875 oC dan 925 oC selama 15 jam
dengan laju kenaikan suhu 1.67 oC/menit. Hasil uji optik menunjukkan film BST
dapat mengabsorbsi cahaya tampak sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor
kadar gula darah non-invasive. Analisis energi band gap menggunakan metode
Tauc Plot diperoleh hasil nilai dalam rentang 2.843-3.169 eV. Hasil uji listrik
memperlihatkan film BST umumnya bersifat dioda. Hasil SEM dari film BST
dengan suhu annealing 750oC menunjukkan adanya ketakhomogenan pada
morfologi permukaannya sehingga bersifat resistor. Hasil EDX menunjukkan
bahwa komposisi penyusun pada BST tidak sepenuhnya sesuai dengan
stokiometri.
Kata kunci: BST, EDX, sifat listrik, sifat optik, sensor kadar gula darah
ABSTRACT
HADYAN AKBAR. Optical and Electrical Characterization of Ba0.55Sr0.45TiO3
Films For Blood Sugar Level Sensor Application. Supervised by IRZAMAN and
HERIYANTO SYAFUTRA.
Ba0.55Sr0.45TiO3 films had been successfully deposited on the substrate of ptype Silicon (100) using Chemical Solution Deposition (CSD) and spin coating
method with 3000 rpm rotation speed for 30 seconds and 1 M solubility. Thin film
was annealed at temperature of 750 oC, 775 oC, 825 oC, 875 oC and 925 oC for 15
hours with rate of temperature rise 1.67 oC/minute. Optical test results showed the
BST films can absorb visible light, so it can be used for non-invasive blood sugar
level sensors. Analysis of the band gap energy performed using the Tauc Plot
method results with the range of 2.843-3.169 eV. Electrical test results
demonstrated the BST films are diodes. SEM results of BST films showed a nonhomogeneous surface morphology. EDX results showed that the composition of
the BST constituent is not fully in accordance with stoichiometry.
Keywords: BST, EDX, electrical properties, optical properties, blood sugar level
sensor
KARAKTERISASI OPTIK DAN LISTRIK FILM Ba0.55Sr0.45TiO3
UNTUK APLIKASI SENSOR KADAR GULA DARAH
HADYAN AKBAR
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Judul Skripsi : Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk
Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah
Nama
: Hadyan Akbar
NIM
: G74100062
Disetujui oleh
Dr Ir Irzaman, MSi
Pembimbing I
Heriyanto Syafutra, MSi
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Akhiruddin Maddu, MSi
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang,
penulis mengucapkan syukur kepada-Nya yang telah memberi rahmat dan
karunia-Nya karena berkat-Nya penulis bisa menyelesaikan skripsi yang berjudul
Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk Aplikasi Sensor Kadar
Gula Darah.
Dalam penulisan skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak, oleh
karena itu penulis mengucapkan terimakasih kepada :
1. Ibunda Avi Rosyani, ayahanda Henry Sulistyadi, beserta keluarga
besar yang selalu mendoakan dan mendukung penulis tanpa batas.
2. Dr Ir Irzaman, MSi sebagai pembimbing I dan Heriyanto Syafutra,
MSi sebagai pembimbing II yang telah memberikan dukungan ilmu
dan moral.
3. Seluruh staff dan dosen Fisika Institut Pertanian Bogor yang telah
membantu penulis selama kuliah.
4. Dewi, Vivi, Ratna, Yuyun, Sinta, Habib, Kharis, Setiawan, Ryan, dan
Kamil sebagai teman diskusi, serta pemberi semangat penulis.
5. Teman-teman fisika 47, adik-adik fisika 48 dan 49 yang telah
memberikan dukungan kepada penulis.
6. Teman-teman kontrakan C29 Upay, Adam, Bayu dan Teteh Ani yang
selalu membantu penulis.
Selanjutnya, penulis menyadari bahwa skripsi ini jauh dari sempurna,
maka dari itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun.
Semoga skripsi ini bermanfaat.
Bogor, Juli 2014
Hadyan Akbar
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
1
Tujuan Penelitian
1
Manfaat Penelitian
1
Ruang Lingkup Penelitian
1
Hipotesis
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
METODE
3
Bahan
3
Alat
3
Prosedur Analisis Data
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
7
Hasil Karakterisasi Optik (Metode Tauc Plot)
7
Karakterisasi Listrik (Teknik Moving Average dan Metode Werner)
8
SIMPULAN DAN SARAN
11
Simpulan
11
Saran
11
DAFTAR PUSTAKA
11
LAMPIRAN
13
RIWAYAT HIDUP
17
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
Komposisi massa pada pembuatan BST
Parameter listrik BST
Perhitungan nilai energi band gap BST
Perhitungan parameter listrik BST
Komposisi atom penyusun BST menggunakan analisis EDX pada
suhu annealing 875 oC
3
9
13
14
16
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Absorbansi gula darah dengan konsentrasi (1) 0 g/ml, (2) 0.5 g/ml,
dan (3) 1 g/ml
Film BST setelah pembuatan kontak
Set-up alat uji optik
Set-up alat uji I-V
Grafik perbandingan koefisien absorbansi dan panjang gelombang
Penentuan energi band gap dengan menggunakan metode Tauc Plot
Grafik perbandingan tegangan terhadap arus
Hasil uji SEM dengan perbesaran 50 kali (kiri) dan 5000 kali
(kanan)
Grafik bantuan perhitungan energi band gap
Grafik bantuan perhitungan Rs dan n
Grafik bantuan perhitungan Is dan Φb
2
4
5
5
7
8
8
9
13
14
15
DAFTAR LAMPIRAN
1 Contoh perhitungan energi band gap BST pada suhu 775 oC
2 Contoh perhitungan parameter listrik BST pada suhu 775 oC
3 Contoh perhitungan stokiometri BST pada suhu 875 oC
13
14
16
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) memperkirakan jumlah pasien
diabetes di seluruh dunia pada tahun 2013 sebesar 177 juta jiwa dan terus
meningkat hingga 300 juta jiwa pada tahun 2025.1 Saat ini pemeriksaan
penyakit diabetes bergantung pada pemantauan konsentrasi gula darah dengan
metode invasive, yaitu pasien harus menusuk jari atau lengan untuk diambil
sampel darah. Oleh karena itu diperlukan suatu alat pengukur kadar gula darah
non-invasive dengan memanfaatkan suatu sensor yang dapat mendeteksi kadar
gula darah secara akurat.
BST atau Barium Strontium Titanat merupakan material fotodioda yang
menarik untuk digunakan sebagai sensor cahaya pada alat ukur kadar gula darah
non-invasive karena sifatnya yang merupakan material ferroelektrik. Material
ferroelektrik banyak menarik perhatian para ahli fisika karena material
ferroelektrik sangat menjanjikan terhadap perkembangan divais generasi baru
sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Selain itu, material
ferroelektrik BST diharapkan memiliki energi yang besar karena nilai
dielektriknya yang tinggi.2,3
Perumusan Masalah
Berdasarkan sifat optik dan sifat listrik apakah film BST sesuai dengan
karakter sensor yang dibutuhkan oleh alat ukur kadar gula darah non-invasive?
Tujuan Penelitian
Mengetahui sifat optik, sifat listrik, serta analisis komposisi dan SEM film
BST untuk aplikasi sensor kadar gula darah.
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah dapat mengetahui
apakah film BST dapat diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah berdasarkan
sifat optik dan listriknya.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian ini dibatasi pada penentuan parameter optik
menggunakan persamaan Tauc Plot dan parameter listrik menggunakan metode
Werner.
2
Hipotesis
Film BST mempunyai karakteristik komponen elektronik dioda yang
mempunyai serapan pada panjang gelombang cahaya tampak yang dapat
diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah.
TINJAUAN PUSTAKA
Barium Strontium Titanat (BST)
Material BST merupakan salah satu material thin film ferroelektrik yang
memiliki sifat opto-electric.4 Jika film BST diberikan cahaya, maka film tersebut
akan menjadi lebih konduktif.5 Sifat konduktif ini dapat muncul karena energi
foton dari luar diserap oleh elektron. Pada pita valensi, sebagian elektron yang
tidak terikat dapat bereksitasi menuju pita konduksi dan menghasilkan arus listrik.
Difusi elektron tersebut dapat mempersempit celah antara pita valensi dan pita
konduksi, sehingga saat dikenai cahaya, film BST dapat mencapai tegangan knee
lebih cepat dan memiliki arus yang lebih besar.4,5 Dengan adanya perubahan
tersebut, film BST memiliki respon yang baik terhadap cahaya dan dapat
berfungsi sebagai divais fotodioda.6,7 Divais fotodioda banyak diteliti sebagai
fotodetektor seperti pada pembuatan sensor kadar gula darah. Perubahan spektrum
absorbansi gelombang elektromagnetik akibat peningkatan konsentrasi gula pada
plasma darah yang berada pada panjang gelombang 415 nm, 542 nm, dan 575 nm
ditunjukkan pada Gambar 1.8
Fotodioda
Fotodioda merupakan sensor cahaya semikonduktor yang dapat mengubah
besaran cahaya menjadi besaran listrik.9 Cahaya yang dapat dideteksi oleh
fotodioda ini yaitu cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu, sampai dengan
sinar-x.10 Cahaya yang dikenakan pada fotodioda mengakibatkan terjadinya
pergeseran foton yang menghasilkan pasangan electron-hole di kedua sisi dari
sambungan, yang biasa disebut sambungan p-n. Jika sebuah sambungan p-n dibias
maju dan diberi cahaya, maka pertambahan arus menjadi sangat kecil, sedangkan
jika sambungan p-n dibias mundur, arus akan bertambah cukup besar.11
Gambar 1 Absorbansi gula darah dengan konsentrasi (1) 0 g/ml, (2) 0.5 g/ml, dan
(3) 1 g/ml
3
METODE
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bubuk Barium Asetat
[Ba(CH3COO)2, 99%], Strontium Asetat [Sr(CH3COO)2, 99%], Titanium
Isopropoksida [Ti(C12O4H28), 99%], pelarut 2-metoksietanol [H3COCH2CH2OH,
99%], substrat Si (100) tipe-p, substrat kaca preparat, aquabides, HF (asam
florida), dan alumunium foil.
Alat
Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, spin coater,
mortar, mikrometer pipet, gelas ukur Iwaki 10 ml, pemanas (furnace)
NaberthermTM, solder, pinset, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung
tangan karet, cawan petris, tissue, isolasi, I-V meter Keithley 2400, spektroskopi
VIS-NIR Ocean Optics USB2000, monokromator.
Prosedur Analisis Data
Pembuatan Film BST
Pembuatan film diawali dengan penyiapan substrat silikon sebagai media
tumbuh film BST. Pertama, pemotongan silikon tipe-p sesuai dengan ukuran
dan bentuk substrat yang dibutuhkan. Kedua, pembuatan cairan pencuci yakni
mencampurkan larutan HF 5% dan aquades dengan perbandingan 1:5. Ketiga,
substrat dicuci dengan mencelupkannya kedalam cairan pencuci selama 10 detik.
Keempat, substrat dibersihkan menggunakan aquades dan dikeringkan dengan
tisu.
Langkah berikutnya adalah menyiapkan larutan BST yakni dengan
menyiapkan pelarut, 2-metoksietanol, dan menimbang massa Barium asetat,
Strontium asetat, Titanium isopropoksida. Titanium isopropoksida bersifat cair
dan mudah mengental sehingga pada proses penimbangan diakhirkan.
Komposisi massa yang dibutuhkan ditunjukkan pada Tabel 1.
Larutan didapat dengan memasukkan Barium asetat, Strontium asetat
dan pelarut kedalam cairan Titanium isopropoksida. Terakhir, larutan disonikasi
selama 1 jam untuk mendapatkan larutan yang homogen denga kelarutan 1 M.
Tabel 1 Komposisi massa pada pembuatan BST
Bahan
Massa
Barium Asetat
0.2109 g
Strontium Asetat
0.1391 g
Titanium Isopropoksida
0.4271 g
2-metoksi etanol
1.5 ml
+
+
+
+
O
(1)
4
Tahap berikutnya adalah penumbuhan film BST pada substrat silikon
menggunakan metode Chemical Solution Deposition, CSD, atau disebut juga
dengan spin coating. Pertama, substrat ditempelkan pada bagian tengah spin
coater menggunakan double tip. Selanjutnya setengah atau sepertiga bagian
subtrat ditutupi isolasi agar pada proses ini bagian tersebut tidak terlapisi film
BST. Setelah itu teteskan tiga tetes larutan BST 1 M kebagian substrat yang
tidak dilapisi isolasi. Beberapa saat kemudian spin coater dinyalakan selama 30
detik. Kecepatan putar spin coater yang dipakai 3000 rpm. Setelah 30 detik, spin
coater dimatikan. Satu menit kemudian 3 tetes larutan BST diteteskan kembali
dan selanjutnya spin coater pun dinyalakan kembali untuk selang waktu yang
sama. Proses ini dilakukan sebanyak 3 kali untuk setiap sampel. Tahap terakhir
dari proses penumbuhan film BST adalah dengan memanaskan substrat yang
sudah dilapisi larutan BST pada 5 variasi suhu yaitu 750 oC, 775 oC, 825 oC, 875
o
C dan 925 oC.
Tahap pemanasan sampel merupakan tahapan penting. Kegagalan pada
proses ini dapat menyebabkan sampel rusak dan pembuatan sampel harus
diulangi dari awal. Bahkan perlakuan yang berbeda dapat mempengaruhi kualitas
sampel. Pada tahap pemanasan ini digunakan pemanas Furnace NaberthermTM.
Laju kenaikan suhu yang dipakai 1,67 oC/menit. Setelah mencapai suhu
yang diinginkan, suhu dijaga konstan selama 15 jam. Sesudah itu suhu dibiarkan
turun selama 14,5 jam.
Pembuatan Kontak
Pembuatan kontak di atas permukaan substrat silikon dan diatas film tipis
BST dilakukan di Laboratorium MOCVD Departemen Fisika FMIPA Institut
Teknologi Bandung ditunjukkan pada Gambar 2.
Karakterisasi Optik (Metode Tauc Plot)
Pengukuran nilai absorbansi dilakukan dengan spektroskopi VIS-NIR
Ocean Optics USB2000 dengan data keluaran berupa besar absorbansi terhadap
nilai panjang gelombang. Set-up karakterisasi optik ditunjukkan pada Gambar 3.
Sumber cahaya yang digunakan adalah cahaya polikromatis.
Penentuan energi gap didapat dengan mengolah data absorbansi. Adapun
analisanya adalah dengan memplot hubungan koefisien absorpsi terhadap energi
foton yang diberikan ke sampel melalui persamaan Tauc Plot.12
Gambar 2 Film BST setelah pembuatan kontak
5
Gambar 3 Set-up alat uji optik
(2)
dengan
Penentuan energi gap dilakukan dengan cara membuat grafik hubungan
(hv) dan hv memakai nilai koefisien absorpsi () dan nilai eksponen (n) yang
didapat dari langkah sebelumnya. Dari grafik tersebut, dicari nilai gradien
maksimum antara dua data terdekat, kemudian dicari persamaan garisnya. Dari
persamaan garis tersebut didapatkan nilai energi gap.
n
Karakterisasi Listrik (Teknik Moving Average dan Metode Werner)
Karakterisasi I-V merupakan suatu cara untuk menentukan sebuah piranti
elektronik memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda. Karakterisasi ini
dilakukan menggunakan I-V meter dengan set-up seperti Gambar 4. Keluaran dari
karakterisasi ini adalah grafik arus terhadap tegangan, dimana terdapat variasi
keadaan gelap dan terang.
Penentuan parameter elektronik diawali dengan melicinkan data hasil
pengukuran I-V menggunakan teknik moving average menggunakan lima titik
data. Selanjutnya untuk menentukan turunan dI/dV digunakan metode
approksimasi polinomial kuadrat terkecil bertitik lima melalui persamaan dibawah
ini.13
(3)
Gambar 4 Set-up alat uji I-V
6
Kemudian untuk turunan di dekat ujung-ujung bekalan data ditentukan
melalui persamaan dibawah ini [16].
(4)
(5)
(6)
(7)
Selanjutnya nilai turunan dI/dV digunakan sebagai nilai konduktansi, G,
untuk penentuan nilai hambatan seri menggunakan Metode Werner.
Hambatan seri, Rs, menyatakan material limbak (bulk material) dalam
semikonduktor dan kontak ohmik. Konduktansi, Gp, merupakan konduktansi
paralel. Kedua parameter ini dianggap tidak bergantung pada tegangan yang
diberikan.14
Penentuan nilai hambatan seri, Rs, diawali dengan membentuk grafik
hubungan G/I dengan G pada pemberian tegangan bias maju. Selanjutnya dari
grafik tersebut dicari persamaan garis lurus yang mewakili semua data.
Berdasarkan Metode Werner, persamaan garis lurus tersebut menunjukkan
persamaan konduktasi pada persamaan dibawah ini.
(8)
Dengan demikian nilai gradien pada persamaan garis lurus yang didapat
sama dengan nilai Rs/n, dan nilai perpotongan terhadap sumbu G/I, sama dengan
nilai /n. Selanjutnya penentuan nilai Rs di dapat melalui persamaan
(9)
dengan m dan c berturut-turut adalah gradien dan titik perpotongan terhadap
sumbu vertikal dari persamaan garis lurus yang diperoleh. Kemudian faktor
idealitas, n, dapat ditentukan melalui persamaan
(10)
-19
dengan = q/kT dengan q adalah muatan elektron (1.6 x 10 C), k adalah
konstanta Boltzman (1.38 x 10-23 J/K) dan T adalah suhu dalam Kelvin.
Nilai Rs yang sudah didapatkan dengan Metode Werner kemudian
digunakan untuk mengkoreksi data tegangan melalui persamaan
(11)
dengan Vd, V dan I berturut-turut adalah tegangan hasil koreksi, data tegangan
hasil pengukuran dan data arus hasil pengukuran. Selanjutnya nilai Vd dan I
digunakan untuk membuat grafik Vd terhadap ln (I).
Grafik Vd terhadap ln (I) selanjutnya digunakan untuk menentukan nilai
arus saturasi, Is dengan cara mencari persamaan garis lurus yang mewakili data
tersebut. Persamaan garis lurus yang didapat mewakili persamaan berikut
(12)
Faktor idealitas, n, diperoleh dari gradien garis tersebut. Nilai n dapat
diperoleh melalui persamaan
(13)
7
dengan m adalah nilai gradien persamaan garis. Selanjutnya penentuan potensial
penghalang, b, didapat dari persamaan emisi termoionik
Φ
)
(
Φ
Φ
(
)
(
Φ
Φ
(
)
)
(14)
dengan A* adalah konstanta richardson termodifikasi untuk silikon tipe-p, A
adalah luas kontak. Dalam penentuan potensial penghalang ini digunakan nilai
konstanta Richardson A*, luas kontak A, dan suhu T, secara berturut-turut 32
A.cm-2.K-2, 0.0225 cm2 dan 300 K.15
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Karakterisasi Optik (Metode Tauc Plot)
Absorbansi merupakan ukuran seberapa banyak cahaya yang dapat diserap
oleh sampel. Gambar 5 menunjukkan nilai koefisien absorbansi untuk masingmasing variasi suhu. Masing-masing BST dengan suhu annealing yang berbeda
dapat mengabsorbsi cahaya pada panjang gelombang cahaya tampak walaupun
tidak spesifik pada panjang gelombang tertentu, sehingga sampel dapat
diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah non-invasive walaupun
sensitivitasnya masih relatif kecil.Secara umum, BST memiliki nilai koefisien
absorbansi lebih besar dari 104 cm-1. Ini menunjukkan bahwa BST mengalami
jenis transisi tidak langsung.
Gambar 5 Grafik perbandingan koefisien absorbansi dan panjang gelombang
8
Gambar 6 Penentuan energi band gap dengan menggunakan metode Tauc Plot
Penentuan energi band gap menggunakan metode Tauc Plot dapat dilihat
pada Gambar 6. Energi band gap pada suhu annealing 750 oC, 775 oC, 825 oC,
875 oC dan 925 oC berturut-turut adalah 2.963 eV, 3.024 eV, 3.022 eV, 2.843 eV,
dan 3.169 eV. Arti fisis dari nilai tersebut adalah energi yang diperlukan untuk
mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Secara keseluruhan, suhu
annealing berpengaruh terhadap energi band gap. Hal ini diduga karena adanya
energi termal yang menyebabkan perubahan energi eksitasi elektron dari pita
valensi ke pita konduksi. Contoh perhitungan energi band gap BST pada suhu 775
o
C terlampir pada Lampiran 1.
Karakterisasi Listrik (Teknik Moving Average dan Metode Werner)
Gambar 7 Grafik perbandingan tegangan terhadap arus
9
Karakteristik listrik dari BST pada suhu annealing 775 oC, 825 oC, 875 oC
dan 925 oC menunjukkan sifat dioda. Hasil ini berbeda dengan hasil penelitian
Irzaman et al16 yang menyatakan semuanya bersifat resistor. Hal ini dimungkinkan
perbedaan proses pencucian substrat yang dilakukan. Pada penelitian Irzaman et
al pencucian dilakukan selama 30 detik, sedangkan pada penelitian ini dilakukan
selama 10 detik. Lama waktu pencucian memungkinkan terjadinya reaksi antara
HF dan silikon seperti yang terjadi pada proses pengikisan.17 Khusus untuk suhu
annealing 750 oC menunjukkan sifat resistor, hal ini dimungkinkankarena kontak
aluminium menempel di bagian yang tidak ditumbuhi BST. Hal ini didukung oleh
hasil uji SEM yang menunjukkan bahwa BST yang tumbuh tidaklah homogen,
terdapat bagian-bagian yang tidak terlapisi BST.
Parameter listrik didapat dari analisi kurva I-V menggunakan metode
Werner. Pada suhu annealing 750 oC, kurva menunjukkan sifat resistor dengan
nilai hambatan sebesar 26.32 Ω. Sedangkan untuk suhu annealing 775 oC, 825 oC,
875 oC dan 925 oC dilakukan analisis sifat dioda. Nilai Rs digunakan untuk
mengkoreksi nilai tegangan pada kurva I-V. Nilai n merupakan faktor idealitas
dari dioda. Nilai n yang semakin mendekati 1 menunjukkan semakin ideal suatu
dioda. Nilai Is menunjukkan arus saturasi, yaitu arus yang mengalir sebelum
mencapai tegangan barrier. Arus saturasi cenderung meningkat dengan
bertambahnya suhu annealing. Nilai Φb menunjukkan nilai tegangan barrier atau
pembatas jumlah elektron yang berdifusi masuk ke pita konduksi. Dioda yang
dibias maju akan dapat menghantarkan arus sepenuhnya setelah melewati
tegangan barrier ini. Nilai tegangan barrier cenderung meningkat dengan
bertambahnya suhu annealing, akan tetapi perubahan nilainya tidak begitu
signifikan. Contoh perhitungan parameter listrik BST pada suhu 775 oC terlampir
pada Lampiran 2.
Tabel 2 Parameter listrik BST
Suhu Annealing (oC)
750
775
825
875
925
R (Ω)
26.32
-
Rs (Ω)
307.03
4451.57
1386.21
1669.62
n
8.52
27.53
7.97
4.44
Is (μA)
0.45
2.02
8.05
5.03
Φb (eV)
0.56
0.64
0.61
0.62
Gambar 8 Hasil uji SEM BST untuk suhu annealing 750 oC dengan perbesaran
50 kali (kiri) dan 5000 kali (kanan)
10
Bentuk permukaan sampel BST dengan suhu annealing 750 oC dapat
terlihat pada Gambar 3. Dari kedua gambar tersebut disimpulkan bahwa
sampel yang dibuat tidak homogen, ditandai dengan adanya retakan-retakan
pada permukaan. Selain itu terdapat pecahan gelembung larutan BST yang
tidak tersebar merata pada proses spin coating berlangsung.
Tabel 3 Komposisi atom penyusun BST menggunakan analisis EDX
Nama Unsur
Komposisi Atom
Berdasarkan Stokiometri (%)
Komposisi Atom
Berdasarkan EDX (%)
5.68
4.65
10.33
30.98
-
5.68
1.24
6.25
33.43
49.92
3.48
Ba0.55Sr0.12Rb0.34Ti0.61O3.24
775 oC
Barium
Strontium
Titanium
Oksigen
Silikon
Rubidium
5.38
4.40
9.78
29.35
-
5.38
1.87
2.92
26.34
58.65
4.84
Ba0.55Sr0.19 Rb0.49 Ti0.30 O2.69
825 oC
Barium
Strontium
Titanium
Oksigen
Silikon
Rubidium
2.72
2.23
4.95
14.83
-
2.72
0.25
1.26
22.84
68.29
4.64
Ba0.55 Sr0.05 Rb0.94 Ti0.25 O4.62
875 oC
Barium
Strontium
Titanium
Oksigen
Silikon
Karbon
Rubidium
7.58
6.20
13.78
41.35
-
7.58
0.56
0.13
46.94
37.38
5.90
1.52
Ba0.55 Sr0.04 Rb0.11 C0.43Ti0.01 O3.41
12.68
5.73
0.13
54.98
7.36
19.12
Ba0.55 Sr0.24 C0.83Ti0.01 O2.38
750 oC
Barium
Strontium
Titanium
Oksigen
Silikon
Rubidium
925 oC
Barium
12.68
Strontium
10.37
Titanium
23.05
Oksigen
69.16
Silikon
Karbon
*Komposisi Barium digunakan sebagai acuan
Tabel 3 menunjukkan komposisi atom penyusun dari BST. Komposisi atom
penyusun BST berdasarkan EDX tidak sesuai dengan stokiometri. Komposisi
atom berdasarkan hasil uji EDX secara umum lebih kecil dibandingkan dengan
stokiometri serta timbulnya pengotor berupa rubidium dan karbon. Hal ini
11
dikarenakan adanya unsur yang menguap pada saat pembuatan sampel BST.
Penguapan pada proses annealing ini mengakibatkan konsentrasi dari masingmasing unsur mengalami pengurangan, sehingga wajar jika terdapat perbedaan
antara hasil perhitungan stokiometri dengan hasil yang ditunjukkan pada
karakterisasi EDX. Secara umum, setiap sampel BST terdapat pengotor Rubidium.
Timbulnya unsur Rubidium dimungkinkan berasal dari bahan dasar penyusun
BST, karena bahan Barium asetat, Strontium asetat dan Titanium isopropoksida
yang digunakan tidak 100% murni. Pada sampel dengan suhu annealing 875 oC
dan 925 oC terdapat unsur karbon. Timbulnya unsur karbon diduga berasal dari
gugus asetat yang telah menguap kemudian bereaksi kembali pada suhu tinggi
(875 oC dan 925 oC). Contoh perhitungan stokiometri BST pada suhu 875 oC
terlampir pada Lampiran 3.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Hasil uji optik menunjukkan film BST dapat mengabsorbsi cahaya tampak
sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah non-invasive. Hasil
uji listrik berupa faktor Rs, n, Is, dan tegangan barrier memperlihatkan film BST
umumnya bersifat dioda. Hasil SEM dari film BST dengan suhu annealing 750 oC
menunjukkan adanya ketakhomogenan pada morfologi permukaannya serta
memperlihatkan masih banyaknya permukaan silikon yang tidak tertumbuhi BST,
sehingga mengakibatkan sampel tersebut bersifat resistor. Hasil EDX
menunjukkan bahwa komposisi penyusun pada BST tidak sepenuhnya sesuai
dengan stokiometri. Hal ini dikarenakan adanya unsur yang menguap pada saat
pembuatan sampel.
Saran
Berdasarkan uji listrik, grafik I-V menunjukkan masih adanya noise,
sehingga mengurangi sensitivitas dari sampel, sehingga perlu dilakukan penelitian
ulang dengan perlakuan yang lebih baik. Selain itu diperlukan uji analisis XRD
dan EDX kembali untuk mengetahui asal unsur rubidium dan karbon yang
terbentuk pada sampel BST serta untuk memperoleh sampel BST yang
stokiometri.
DAFTAR PUSTAKA
1
2
World Health Organization. 1994. Prevention of Diabetes Milletus.
Penerjemah, Arisman. Jakarta: Hipokrates.
Enhassari E, Parviz A, Ozaee K, Abyaneh HH. Synthesis and
Characterization
of
Barium
Strontium
Titanate
(BST)
Micro/Nanostructures Prepared by Improved Methods. Int J Nano Dim
2011; 2: 85-103.
12
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Singh SB, Sharma HB, Sarma HNK, Phanjoubam S. Structural and optical
properties of Barium Strontium Titanate (Ba0.5Sr0.5TiO3) Thin Films.
Ferroelectrics Letters 2006; 33: 83-90.
Setiawan C. 2013. Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Larutan Glukosa
Berbasis Film Barium Stronsium Titanat (BST). [skripsi]. Bogor: IPB.
Huriawati F. 2009. Sintesis Film BST Didadah Niobium dan Tantalum
serta Aplikasinya sebagai Sensor Cahaya. [tesis]. Bogor: IPB.
Arief A, Irzaman, M. Dahrul, H. Syahfutra. Uji Arus-Tegangan Film
Tipis Br0.5Sr0.5TiO3 dengan Pendadah Niobium Penta Oksida sebagai
Sensor Cahaya. Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010. hlm 205-212.
Irzaman, Syahfutra H, Darmasetiawan H, Hardhienata H, Erviansyah R,
Huriawati F, Akhiruddin, Hikam H, Arifin P. Electrical Properties of
Photodiode Ba0.25Sr0.75TiO3 (BST) Thin Film Doped with Ferric Oxide on
p-type Si (100) Substrate Using Chemical Solution Deposition Method.
Atom Indonesia 2011; 37(3):133-138.
A. N. Bashkatov, D. M. Zhestkov, É. A. Genina, dan V. V. Tuchin.
Immersion Clearing of Human Blood in the Visible and Near-Infrared
Spectral Regions. Optics and Spectroscopy 2005; 98 (4): 638–646.
Sugiarti H. 2010. Pemrograman Informasi Lahan Parkir Berbasis
Mikrokontroler ATMEGA8535 dengan Menggunakan BASCOM-AVR.
Medan: Departemen Fisika USU.
Piyoh YI, Shanti M, Setiawan A. 2012. Perancangan dan Pengujian
Sistem Pengukuran Sinar UV dari Intensitas Matahari. Salatiga:
Universitas Kristen Satya Wacana.
Irzaman, A. Fuad, D. Rusdiana, H. Saragih, T. Saragi, M. Barmawi. 2001.
Spectral Response of Al/Si Photodiode as IR Sensor. Bandung:
Departemen Fisika ITB.
Joshi GP, Saxena NS, Mangal R, Mishra A and Sharma TP. 2003. Band
gap determination of Ni-Zn ferrites. Bull Mater Sci. 26(4):387 – 389.
Scheid F. 1992. Teori dan Soal-Soal Metode Numerik. Silaban P,
penerjemah. Jakarta : Erlangga. Terjemahan dari Theory and Problems of
Numerical Analysis. 259 – 291.
Aubry V and Meyer F. 1994. Schottky Diode with High Series Resistance:
Limitations of Forward I - V methods. J Appl Phys. 76(12): 7973 – 7984.
Rancasa, Endang. 2013. Karakterisasi Sifat Optik dan Sifat Listrik Barium
Strontium Titanat (BST) sebagai Fotodetektor Cahaya Hijau. [tesis].
Bogor : IPB.
Irzaman, Syafutra H, Rancasa E, Nuayi AW, Nurrahman TG, Nuzulia NA,
Supu I, Sugianto, Tumimomor F, Surianty, Muzikarno O, Masrur. 2013.
The effect of Ba/Sr ratio on electrical and optical properties of BaxSr1xTiO3 thin film semiconductor. Ferroelectric. 445:4-17.
Muñoz EC, Heyser CA, Schrebler RS, Henriquez RG and Marotti RE.
2011. Photoelectrochemical reduction of nitrate ions on porous silicon
and different silicon modified electrodes. J Chil Chem Soc. 56: 781 – 785.
13
LAMPIRAN
Lampiran 1 Contoh perhitungan energi band gap BST pada suhu 775 oC
(2)
dengan
Tabel 3 Perhitungan nilai energi band gap BST
Panjang
Gelombang (nm) Absorbansi
α (cm-1)
394.52
394.72
394.93
395.13
395.34
0.311
0.317
0.299
0.295
0.284
14737.30453
15021.62551
14168.66255
13979.11523
13457.86008
(αhʋ)½ (eV.cm-1) ½
0.977255441
0.995604527
0.938572436
0.925547568
0.890562317
= 14737.305 cm-1
hʋ =
(
) (
)
= 3.142 eV
(αhʋ)½ = (14737.30453 x 3.1423) ½ = 0.977 (eV.cm-1) ½
Lakukan hal yang sama untuk setiap panjang gelombang. Setelah selesai, plot
grafik hʋ terhadap (αhʋ)½
Gambar 9 Grafik bantuan perhitungan energi band gap
Setelah itu tentukan gradien terbesar, kemudian carilah persamaan garisnya.
Bandingkan persamaan tersebut dengan persamaan (2)
y = -8.197x + 24.79
Sehingga Eg =
= 3.024 eV
14
Lampiran 2 Contoh perhitungan parameter listrik BST pada suhu 775 oC
Tabel 4 Perhitungan parameter listrik BST
V (V)
I (A)
G (A/V)
1.77E-02 5.80E-06 -0.000308887
4.68E-02 3.22E-06 -3.14457E-05
6.90E-02 2.80E-06 0.000179893
9.88E-02 1.63E-05 0.000316523
1.27E-01 2.60E-05 0.000341124
G/I (V-1)
-53.2276
-9.76246
64.25979
19.3925
13.12232
Vd (V)
0.015965
0.045781
0.068163
0.093743
0.119182
ln (I)
-12.0571
-12.6458
-12.7861
-11.023
-10.5576
Ambil data I-V bias maju, kemudian carilah nilai G dengan menghitung nilai
dI/dV. Setelah nilai G didapat, carilah nilai G/I. Plot grafik G terhadap G/I.
G/I
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
G
0
0
0.001
0.002
0.003
0.004
Gambar 10 Grafik G vs G/I untuk membantu perhitungan Rs dan n
Persamaan garis dari grafik y = -1393x + 4.537 dibandingkan dengan persamaan
(8)
(8)
(15)
Dengan β =
=
(
)
= 38.65 C/J
Dengan membandingkan persamaan dari grafik dengan persamaan (15),
disimpulkan bahwa
= 4.537
n=
=
= 8.52
15
= 307.03 Ω
Rs =
Nilai Rs digunakan untuk mengkoreksi nilai tegangan berdasarkan persamaan (11)
Vd = V – I Rs
(11)
Vd = 1.77x10-2 – (5.8x10-6)x (307.03) = 0.016 eV
Setelah nilai Vd didapat, plot grafik Vd terhadap ln (I)
Vd
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
ln (I)
Gambar 11 Grafik Vd vs ln (I) untuk membantu perhitungan Is dan Φb
Persamaan garis yang didapat dari grafik y = 4.209x -10 dibandingkan dengan
persamaan (12)
(12)
Dengan membandingkan persamaan dari grafik dengan persamaan (12)
disimpulkan bahwa
ln Is = -10
Is = e-10 = 0.45 μA
Nilai Φb didapat dari persamaan (14)
Φ
Φb = (1.38x10-23) x (300) x ln (
(14)
) = 0.56 eV
16
Lampiran 3 Contoh perhitungan stokiometri BST pada suhu 875 oC
Tabel 5 Komposisi atom penyusun BST menggunakan analisis EDX pada suhu
annealing 875 oC
Nama Unsur
Komposisi Atom
Berdasarkan Stokiometri (%)
Barium
7.58
Strontium
6.20
Titanium
13.78
Oksigen
41.35
Silikon
Karbon
Rubidium
*Komposisi Barium digunakan sebagai acuan
Fraksi mol Sr =
x 0.56 = 0.04
Fraksi mol Rb =
x 1.52 = 0.11
Fraksi mol C =
x 5.90 = 0.43
Fraksi mol Ti =
x 0.13 = 0.01
Fraksi mol O =
x 46.94 = 3.41
Komposisi Atom
Berdasarkan EDX (%)
7.58
0.56
0.13
46.94 Ba0.55 Sr0.04 Rb0.11 C0.43Ti0.01 O3.41
37.38
5.90
1.52
Ba0.55 Sr0.04 Rb0.11 C0.43 Ti0.01 O3.41
17
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 24
Januari 1993 dari pasangan Henry Sulistyadi dan Avi
Rosyani sebagai anak pertama dari dua bersaudara.
Penulis menyelesaikan pendidikan sekolah dasar pada
tahun 2004 di SD Negeri Cempaka Baru 05 Jakarta,
kemudian penulis melanjutkan pendidikan di SMP Negeri
216 Jakarta (2004-2007). Setelah itu, penulis melanjutkan
pendidikan di SMA Negeri 77 Jakarta (2007-2010).
Penulis diterima di Institut Pertanian Bogor Jurusan Fisika
pada tahun 2010 melalui jalur Undangan Seleksi Masuk
IPB (USMI).
Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai Asisten Praktikum
Mata Kuliah Fisika TPB (2013-2014) dan Asisten Responsi Termodinamika
(2013-2014) Departemen Fisika FMIPA serta Mata Kuliah Wood Science 1 (2014)
Departemen THH Fakultas Kehutanan. Penulis juga merupakan tentor di
Bimbingan Belajar TPB Katalis IPB (2012-2014) dan menjadi guru les privat
SMA (2011-2012) di berbagai tempat.
Selain itu penulis pernah mengikuti Pekan Kreatifitas Mahasiswa (PKM)
dan berhasil didanai oleh DIKTI yaitu PKM-Penelitian pada tahun 2014. Penulis
juga pernah menjadi presenter pada Simposium Nasional Ilmu dan Pembelajaran
Sains (SNIPS 2013) dan Seminar Nasional Sains dan Pendidikan MIPA
(SEMIRATA 2014).
UNTUK APLIKASI SENSOR KADAR GULA DARAH
HADYAN AKBAR
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Karakterisasi Optik dan
Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah adalah
benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan
dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di
bagian akhir disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Juli 2014
Hadyan Akbar
NIM G74100062
ABSTRAK
HADYAN AKBAR. Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk
Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah. Dibimbing oleh IRZAMAN dan
HERIYANTO SYAFUTRA.
Telah berhasil dibuat film tipis Ba0.55Sr0.45TiO3 di atas substrat Silikon (100)
tipe-p dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan spin coating
berkecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik dalam kelarutan 1 M. Film tipis di
annealing pada suhu 750 oC, 775 oC, 825 oC, 875 oC dan 925 oC selama 15 jam
dengan laju kenaikan suhu 1.67 oC/menit. Hasil uji optik menunjukkan film BST
dapat mengabsorbsi cahaya tampak sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor
kadar gula darah non-invasive. Analisis energi band gap menggunakan metode
Tauc Plot diperoleh hasil nilai dalam rentang 2.843-3.169 eV. Hasil uji listrik
memperlihatkan film BST umumnya bersifat dioda. Hasil SEM dari film BST
dengan suhu annealing 750oC menunjukkan adanya ketakhomogenan pada
morfologi permukaannya sehingga bersifat resistor. Hasil EDX menunjukkan
bahwa komposisi penyusun pada BST tidak sepenuhnya sesuai dengan
stokiometri.
Kata kunci: BST, EDX, sifat listrik, sifat optik, sensor kadar gula darah
ABSTRACT
HADYAN AKBAR. Optical and Electrical Characterization of Ba0.55Sr0.45TiO3
Films For Blood Sugar Level Sensor Application. Supervised by IRZAMAN and
HERIYANTO SYAFUTRA.
Ba0.55Sr0.45TiO3 films had been successfully deposited on the substrate of ptype Silicon (100) using Chemical Solution Deposition (CSD) and spin coating
method with 3000 rpm rotation speed for 30 seconds and 1 M solubility. Thin film
was annealed at temperature of 750 oC, 775 oC, 825 oC, 875 oC and 925 oC for 15
hours with rate of temperature rise 1.67 oC/minute. Optical test results showed the
BST films can absorb visible light, so it can be used for non-invasive blood sugar
level sensors. Analysis of the band gap energy performed using the Tauc Plot
method results with the range of 2.843-3.169 eV. Electrical test results
demonstrated the BST films are diodes. SEM results of BST films showed a nonhomogeneous surface morphology. EDX results showed that the composition of
the BST constituent is not fully in accordance with stoichiometry.
Keywords: BST, EDX, electrical properties, optical properties, blood sugar level
sensor
KARAKTERISASI OPTIK DAN LISTRIK FILM Ba0.55Sr0.45TiO3
UNTUK APLIKASI SENSOR KADAR GULA DARAH
HADYAN AKBAR
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Judul Skripsi : Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk
Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah
Nama
: Hadyan Akbar
NIM
: G74100062
Disetujui oleh
Dr Ir Irzaman, MSi
Pembimbing I
Heriyanto Syafutra, MSi
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Akhiruddin Maddu, MSi
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang,
penulis mengucapkan syukur kepada-Nya yang telah memberi rahmat dan
karunia-Nya karena berkat-Nya penulis bisa menyelesaikan skripsi yang berjudul
Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk Aplikasi Sensor Kadar
Gula Darah.
Dalam penulisan skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak, oleh
karena itu penulis mengucapkan terimakasih kepada :
1. Ibunda Avi Rosyani, ayahanda Henry Sulistyadi, beserta keluarga
besar yang selalu mendoakan dan mendukung penulis tanpa batas.
2. Dr Ir Irzaman, MSi sebagai pembimbing I dan Heriyanto Syafutra,
MSi sebagai pembimbing II yang telah memberikan dukungan ilmu
dan moral.
3. Seluruh staff dan dosen Fisika Institut Pertanian Bogor yang telah
membantu penulis selama kuliah.
4. Dewi, Vivi, Ratna, Yuyun, Sinta, Habib, Kharis, Setiawan, Ryan, dan
Kamil sebagai teman diskusi, serta pemberi semangat penulis.
5. Teman-teman fisika 47, adik-adik fisika 48 dan 49 yang telah
memberikan dukungan kepada penulis.
6. Teman-teman kontrakan C29 Upay, Adam, Bayu dan Teteh Ani yang
selalu membantu penulis.
Selanjutnya, penulis menyadari bahwa skripsi ini jauh dari sempurna,
maka dari itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun.
Semoga skripsi ini bermanfaat.
Bogor, Juli 2014
Hadyan Akbar
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
1
Tujuan Penelitian
1
Manfaat Penelitian
1
Ruang Lingkup Penelitian
1
Hipotesis
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
METODE
3
Bahan
3
Alat
3
Prosedur Analisis Data
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
7
Hasil Karakterisasi Optik (Metode Tauc Plot)
7
Karakterisasi Listrik (Teknik Moving Average dan Metode Werner)
8
SIMPULAN DAN SARAN
11
Simpulan
11
Saran
11
DAFTAR PUSTAKA
11
LAMPIRAN
13
RIWAYAT HIDUP
17
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
Komposisi massa pada pembuatan BST
Parameter listrik BST
Perhitungan nilai energi band gap BST
Perhitungan parameter listrik BST
Komposisi atom penyusun BST menggunakan analisis EDX pada
suhu annealing 875 oC
3
9
13
14
16
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Absorbansi gula darah dengan konsentrasi (1) 0 g/ml, (2) 0.5 g/ml,
dan (3) 1 g/ml
Film BST setelah pembuatan kontak
Set-up alat uji optik
Set-up alat uji I-V
Grafik perbandingan koefisien absorbansi dan panjang gelombang
Penentuan energi band gap dengan menggunakan metode Tauc Plot
Grafik perbandingan tegangan terhadap arus
Hasil uji SEM dengan perbesaran 50 kali (kiri) dan 5000 kali
(kanan)
Grafik bantuan perhitungan energi band gap
Grafik bantuan perhitungan Rs dan n
Grafik bantuan perhitungan Is dan Φb
2
4
5
5
7
8
8
9
13
14
15
DAFTAR LAMPIRAN
1 Contoh perhitungan energi band gap BST pada suhu 775 oC
2 Contoh perhitungan parameter listrik BST pada suhu 775 oC
3 Contoh perhitungan stokiometri BST pada suhu 875 oC
13
14
16
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) memperkirakan jumlah pasien
diabetes di seluruh dunia pada tahun 2013 sebesar 177 juta jiwa dan terus
meningkat hingga 300 juta jiwa pada tahun 2025.1 Saat ini pemeriksaan
penyakit diabetes bergantung pada pemantauan konsentrasi gula darah dengan
metode invasive, yaitu pasien harus menusuk jari atau lengan untuk diambil
sampel darah. Oleh karena itu diperlukan suatu alat pengukur kadar gula darah
non-invasive dengan memanfaatkan suatu sensor yang dapat mendeteksi kadar
gula darah secara akurat.
BST atau Barium Strontium Titanat merupakan material fotodioda yang
menarik untuk digunakan sebagai sensor cahaya pada alat ukur kadar gula darah
non-invasive karena sifatnya yang merupakan material ferroelektrik. Material
ferroelektrik banyak menarik perhatian para ahli fisika karena material
ferroelektrik sangat menjanjikan terhadap perkembangan divais generasi baru
sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Selain itu, material
ferroelektrik BST diharapkan memiliki energi yang besar karena nilai
dielektriknya yang tinggi.2,3
Perumusan Masalah
Berdasarkan sifat optik dan sifat listrik apakah film BST sesuai dengan
karakter sensor yang dibutuhkan oleh alat ukur kadar gula darah non-invasive?
Tujuan Penelitian
Mengetahui sifat optik, sifat listrik, serta analisis komposisi dan SEM film
BST untuk aplikasi sensor kadar gula darah.
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah dapat mengetahui
apakah film BST dapat diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah berdasarkan
sifat optik dan listriknya.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian ini dibatasi pada penentuan parameter optik
menggunakan persamaan Tauc Plot dan parameter listrik menggunakan metode
Werner.
2
Hipotesis
Film BST mempunyai karakteristik komponen elektronik dioda yang
mempunyai serapan pada panjang gelombang cahaya tampak yang dapat
diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah.
TINJAUAN PUSTAKA
Barium Strontium Titanat (BST)
Material BST merupakan salah satu material thin film ferroelektrik yang
memiliki sifat opto-electric.4 Jika film BST diberikan cahaya, maka film tersebut
akan menjadi lebih konduktif.5 Sifat konduktif ini dapat muncul karena energi
foton dari luar diserap oleh elektron. Pada pita valensi, sebagian elektron yang
tidak terikat dapat bereksitasi menuju pita konduksi dan menghasilkan arus listrik.
Difusi elektron tersebut dapat mempersempit celah antara pita valensi dan pita
konduksi, sehingga saat dikenai cahaya, film BST dapat mencapai tegangan knee
lebih cepat dan memiliki arus yang lebih besar.4,5 Dengan adanya perubahan
tersebut, film BST memiliki respon yang baik terhadap cahaya dan dapat
berfungsi sebagai divais fotodioda.6,7 Divais fotodioda banyak diteliti sebagai
fotodetektor seperti pada pembuatan sensor kadar gula darah. Perubahan spektrum
absorbansi gelombang elektromagnetik akibat peningkatan konsentrasi gula pada
plasma darah yang berada pada panjang gelombang 415 nm, 542 nm, dan 575 nm
ditunjukkan pada Gambar 1.8
Fotodioda
Fotodioda merupakan sensor cahaya semikonduktor yang dapat mengubah
besaran cahaya menjadi besaran listrik.9 Cahaya yang dapat dideteksi oleh
fotodioda ini yaitu cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu, sampai dengan
sinar-x.10 Cahaya yang dikenakan pada fotodioda mengakibatkan terjadinya
pergeseran foton yang menghasilkan pasangan electron-hole di kedua sisi dari
sambungan, yang biasa disebut sambungan p-n. Jika sebuah sambungan p-n dibias
maju dan diberi cahaya, maka pertambahan arus menjadi sangat kecil, sedangkan
jika sambungan p-n dibias mundur, arus akan bertambah cukup besar.11
Gambar 1 Absorbansi gula darah dengan konsentrasi (1) 0 g/ml, (2) 0.5 g/ml, dan
(3) 1 g/ml
3
METODE
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bubuk Barium Asetat
[Ba(CH3COO)2, 99%], Strontium Asetat [Sr(CH3COO)2, 99%], Titanium
Isopropoksida [Ti(C12O4H28), 99%], pelarut 2-metoksietanol [H3COCH2CH2OH,
99%], substrat Si (100) tipe-p, substrat kaca preparat, aquabides, HF (asam
florida), dan alumunium foil.
Alat
Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, spin coater,
mortar, mikrometer pipet, gelas ukur Iwaki 10 ml, pemanas (furnace)
NaberthermTM, solder, pinset, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung
tangan karet, cawan petris, tissue, isolasi, I-V meter Keithley 2400, spektroskopi
VIS-NIR Ocean Optics USB2000, monokromator.
Prosedur Analisis Data
Pembuatan Film BST
Pembuatan film diawali dengan penyiapan substrat silikon sebagai media
tumbuh film BST. Pertama, pemotongan silikon tipe-p sesuai dengan ukuran
dan bentuk substrat yang dibutuhkan. Kedua, pembuatan cairan pencuci yakni
mencampurkan larutan HF 5% dan aquades dengan perbandingan 1:5. Ketiga,
substrat dicuci dengan mencelupkannya kedalam cairan pencuci selama 10 detik.
Keempat, substrat dibersihkan menggunakan aquades dan dikeringkan dengan
tisu.
Langkah berikutnya adalah menyiapkan larutan BST yakni dengan
menyiapkan pelarut, 2-metoksietanol, dan menimbang massa Barium asetat,
Strontium asetat, Titanium isopropoksida. Titanium isopropoksida bersifat cair
dan mudah mengental sehingga pada proses penimbangan diakhirkan.
Komposisi massa yang dibutuhkan ditunjukkan pada Tabel 1.
Larutan didapat dengan memasukkan Barium asetat, Strontium asetat
dan pelarut kedalam cairan Titanium isopropoksida. Terakhir, larutan disonikasi
selama 1 jam untuk mendapatkan larutan yang homogen denga kelarutan 1 M.
Tabel 1 Komposisi massa pada pembuatan BST
Bahan
Massa
Barium Asetat
0.2109 g
Strontium Asetat
0.1391 g
Titanium Isopropoksida
0.4271 g
2-metoksi etanol
1.5 ml
+
+
+
+
O
(1)
4
Tahap berikutnya adalah penumbuhan film BST pada substrat silikon
menggunakan metode Chemical Solution Deposition, CSD, atau disebut juga
dengan spin coating. Pertama, substrat ditempelkan pada bagian tengah spin
coater menggunakan double tip. Selanjutnya setengah atau sepertiga bagian
subtrat ditutupi isolasi agar pada proses ini bagian tersebut tidak terlapisi film
BST. Setelah itu teteskan tiga tetes larutan BST 1 M kebagian substrat yang
tidak dilapisi isolasi. Beberapa saat kemudian spin coater dinyalakan selama 30
detik. Kecepatan putar spin coater yang dipakai 3000 rpm. Setelah 30 detik, spin
coater dimatikan. Satu menit kemudian 3 tetes larutan BST diteteskan kembali
dan selanjutnya spin coater pun dinyalakan kembali untuk selang waktu yang
sama. Proses ini dilakukan sebanyak 3 kali untuk setiap sampel. Tahap terakhir
dari proses penumbuhan film BST adalah dengan memanaskan substrat yang
sudah dilapisi larutan BST pada 5 variasi suhu yaitu 750 oC, 775 oC, 825 oC, 875
o
C dan 925 oC.
Tahap pemanasan sampel merupakan tahapan penting. Kegagalan pada
proses ini dapat menyebabkan sampel rusak dan pembuatan sampel harus
diulangi dari awal. Bahkan perlakuan yang berbeda dapat mempengaruhi kualitas
sampel. Pada tahap pemanasan ini digunakan pemanas Furnace NaberthermTM.
Laju kenaikan suhu yang dipakai 1,67 oC/menit. Setelah mencapai suhu
yang diinginkan, suhu dijaga konstan selama 15 jam. Sesudah itu suhu dibiarkan
turun selama 14,5 jam.
Pembuatan Kontak
Pembuatan kontak di atas permukaan substrat silikon dan diatas film tipis
BST dilakukan di Laboratorium MOCVD Departemen Fisika FMIPA Institut
Teknologi Bandung ditunjukkan pada Gambar 2.
Karakterisasi Optik (Metode Tauc Plot)
Pengukuran nilai absorbansi dilakukan dengan spektroskopi VIS-NIR
Ocean Optics USB2000 dengan data keluaran berupa besar absorbansi terhadap
nilai panjang gelombang. Set-up karakterisasi optik ditunjukkan pada Gambar 3.
Sumber cahaya yang digunakan adalah cahaya polikromatis.
Penentuan energi gap didapat dengan mengolah data absorbansi. Adapun
analisanya adalah dengan memplot hubungan koefisien absorpsi terhadap energi
foton yang diberikan ke sampel melalui persamaan Tauc Plot.12
Gambar 2 Film BST setelah pembuatan kontak
5
Gambar 3 Set-up alat uji optik
(2)
dengan
Penentuan energi gap dilakukan dengan cara membuat grafik hubungan
(hv) dan hv memakai nilai koefisien absorpsi () dan nilai eksponen (n) yang
didapat dari langkah sebelumnya. Dari grafik tersebut, dicari nilai gradien
maksimum antara dua data terdekat, kemudian dicari persamaan garisnya. Dari
persamaan garis tersebut didapatkan nilai energi gap.
n
Karakterisasi Listrik (Teknik Moving Average dan Metode Werner)
Karakterisasi I-V merupakan suatu cara untuk menentukan sebuah piranti
elektronik memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda. Karakterisasi ini
dilakukan menggunakan I-V meter dengan set-up seperti Gambar 4. Keluaran dari
karakterisasi ini adalah grafik arus terhadap tegangan, dimana terdapat variasi
keadaan gelap dan terang.
Penentuan parameter elektronik diawali dengan melicinkan data hasil
pengukuran I-V menggunakan teknik moving average menggunakan lima titik
data. Selanjutnya untuk menentukan turunan dI/dV digunakan metode
approksimasi polinomial kuadrat terkecil bertitik lima melalui persamaan dibawah
ini.13
(3)
Gambar 4 Set-up alat uji I-V
6
Kemudian untuk turunan di dekat ujung-ujung bekalan data ditentukan
melalui persamaan dibawah ini [16].
(4)
(5)
(6)
(7)
Selanjutnya nilai turunan dI/dV digunakan sebagai nilai konduktansi, G,
untuk penentuan nilai hambatan seri menggunakan Metode Werner.
Hambatan seri, Rs, menyatakan material limbak (bulk material) dalam
semikonduktor dan kontak ohmik. Konduktansi, Gp, merupakan konduktansi
paralel. Kedua parameter ini dianggap tidak bergantung pada tegangan yang
diberikan.14
Penentuan nilai hambatan seri, Rs, diawali dengan membentuk grafik
hubungan G/I dengan G pada pemberian tegangan bias maju. Selanjutnya dari
grafik tersebut dicari persamaan garis lurus yang mewakili semua data.
Berdasarkan Metode Werner, persamaan garis lurus tersebut menunjukkan
persamaan konduktasi pada persamaan dibawah ini.
(8)
Dengan demikian nilai gradien pada persamaan garis lurus yang didapat
sama dengan nilai Rs/n, dan nilai perpotongan terhadap sumbu G/I, sama dengan
nilai /n. Selanjutnya penentuan nilai Rs di dapat melalui persamaan
(9)
dengan m dan c berturut-turut adalah gradien dan titik perpotongan terhadap
sumbu vertikal dari persamaan garis lurus yang diperoleh. Kemudian faktor
idealitas, n, dapat ditentukan melalui persamaan
(10)
-19
dengan = q/kT dengan q adalah muatan elektron (1.6 x 10 C), k adalah
konstanta Boltzman (1.38 x 10-23 J/K) dan T adalah suhu dalam Kelvin.
Nilai Rs yang sudah didapatkan dengan Metode Werner kemudian
digunakan untuk mengkoreksi data tegangan melalui persamaan
(11)
dengan Vd, V dan I berturut-turut adalah tegangan hasil koreksi, data tegangan
hasil pengukuran dan data arus hasil pengukuran. Selanjutnya nilai Vd dan I
digunakan untuk membuat grafik Vd terhadap ln (I).
Grafik Vd terhadap ln (I) selanjutnya digunakan untuk menentukan nilai
arus saturasi, Is dengan cara mencari persamaan garis lurus yang mewakili data
tersebut. Persamaan garis lurus yang didapat mewakili persamaan berikut
(12)
Faktor idealitas, n, diperoleh dari gradien garis tersebut. Nilai n dapat
diperoleh melalui persamaan
(13)
7
dengan m adalah nilai gradien persamaan garis. Selanjutnya penentuan potensial
penghalang, b, didapat dari persamaan emisi termoionik
Φ
)
(
Φ
Φ
(
)
(
Φ
Φ
(
)
)
(14)
dengan A* adalah konstanta richardson termodifikasi untuk silikon tipe-p, A
adalah luas kontak. Dalam penentuan potensial penghalang ini digunakan nilai
konstanta Richardson A*, luas kontak A, dan suhu T, secara berturut-turut 32
A.cm-2.K-2, 0.0225 cm2 dan 300 K.15
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Karakterisasi Optik (Metode Tauc Plot)
Absorbansi merupakan ukuran seberapa banyak cahaya yang dapat diserap
oleh sampel. Gambar 5 menunjukkan nilai koefisien absorbansi untuk masingmasing variasi suhu. Masing-masing BST dengan suhu annealing yang berbeda
dapat mengabsorbsi cahaya pada panjang gelombang cahaya tampak walaupun
tidak spesifik pada panjang gelombang tertentu, sehingga sampel dapat
diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah non-invasive walaupun
sensitivitasnya masih relatif kecil.Secara umum, BST memiliki nilai koefisien
absorbansi lebih besar dari 104 cm-1. Ini menunjukkan bahwa BST mengalami
jenis transisi tidak langsung.
Gambar 5 Grafik perbandingan koefisien absorbansi dan panjang gelombang
8
Gambar 6 Penentuan energi band gap dengan menggunakan metode Tauc Plot
Penentuan energi band gap menggunakan metode Tauc Plot dapat dilihat
pada Gambar 6. Energi band gap pada suhu annealing 750 oC, 775 oC, 825 oC,
875 oC dan 925 oC berturut-turut adalah 2.963 eV, 3.024 eV, 3.022 eV, 2.843 eV,
dan 3.169 eV. Arti fisis dari nilai tersebut adalah energi yang diperlukan untuk
mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Secara keseluruhan, suhu
annealing berpengaruh terhadap energi band gap. Hal ini diduga karena adanya
energi termal yang menyebabkan perubahan energi eksitasi elektron dari pita
valensi ke pita konduksi. Contoh perhitungan energi band gap BST pada suhu 775
o
C terlampir pada Lampiran 1.
Karakterisasi Listrik (Teknik Moving Average dan Metode Werner)
Gambar 7 Grafik perbandingan tegangan terhadap arus
9
Karakteristik listrik dari BST pada suhu annealing 775 oC, 825 oC, 875 oC
dan 925 oC menunjukkan sifat dioda. Hasil ini berbeda dengan hasil penelitian
Irzaman et al16 yang menyatakan semuanya bersifat resistor. Hal ini dimungkinkan
perbedaan proses pencucian substrat yang dilakukan. Pada penelitian Irzaman et
al pencucian dilakukan selama 30 detik, sedangkan pada penelitian ini dilakukan
selama 10 detik. Lama waktu pencucian memungkinkan terjadinya reaksi antara
HF dan silikon seperti yang terjadi pada proses pengikisan.17 Khusus untuk suhu
annealing 750 oC menunjukkan sifat resistor, hal ini dimungkinkankarena kontak
aluminium menempel di bagian yang tidak ditumbuhi BST. Hal ini didukung oleh
hasil uji SEM yang menunjukkan bahwa BST yang tumbuh tidaklah homogen,
terdapat bagian-bagian yang tidak terlapisi BST.
Parameter listrik didapat dari analisi kurva I-V menggunakan metode
Werner. Pada suhu annealing 750 oC, kurva menunjukkan sifat resistor dengan
nilai hambatan sebesar 26.32 Ω. Sedangkan untuk suhu annealing 775 oC, 825 oC,
875 oC dan 925 oC dilakukan analisis sifat dioda. Nilai Rs digunakan untuk
mengkoreksi nilai tegangan pada kurva I-V. Nilai n merupakan faktor idealitas
dari dioda. Nilai n yang semakin mendekati 1 menunjukkan semakin ideal suatu
dioda. Nilai Is menunjukkan arus saturasi, yaitu arus yang mengalir sebelum
mencapai tegangan barrier. Arus saturasi cenderung meningkat dengan
bertambahnya suhu annealing. Nilai Φb menunjukkan nilai tegangan barrier atau
pembatas jumlah elektron yang berdifusi masuk ke pita konduksi. Dioda yang
dibias maju akan dapat menghantarkan arus sepenuhnya setelah melewati
tegangan barrier ini. Nilai tegangan barrier cenderung meningkat dengan
bertambahnya suhu annealing, akan tetapi perubahan nilainya tidak begitu
signifikan. Contoh perhitungan parameter listrik BST pada suhu 775 oC terlampir
pada Lampiran 2.
Tabel 2 Parameter listrik BST
Suhu Annealing (oC)
750
775
825
875
925
R (Ω)
26.32
-
Rs (Ω)
307.03
4451.57
1386.21
1669.62
n
8.52
27.53
7.97
4.44
Is (μA)
0.45
2.02
8.05
5.03
Φb (eV)
0.56
0.64
0.61
0.62
Gambar 8 Hasil uji SEM BST untuk suhu annealing 750 oC dengan perbesaran
50 kali (kiri) dan 5000 kali (kanan)
10
Bentuk permukaan sampel BST dengan suhu annealing 750 oC dapat
terlihat pada Gambar 3. Dari kedua gambar tersebut disimpulkan bahwa
sampel yang dibuat tidak homogen, ditandai dengan adanya retakan-retakan
pada permukaan. Selain itu terdapat pecahan gelembung larutan BST yang
tidak tersebar merata pada proses spin coating berlangsung.
Tabel 3 Komposisi atom penyusun BST menggunakan analisis EDX
Nama Unsur
Komposisi Atom
Berdasarkan Stokiometri (%)
Komposisi Atom
Berdasarkan EDX (%)
5.68
4.65
10.33
30.98
-
5.68
1.24
6.25
33.43
49.92
3.48
Ba0.55Sr0.12Rb0.34Ti0.61O3.24
775 oC
Barium
Strontium
Titanium
Oksigen
Silikon
Rubidium
5.38
4.40
9.78
29.35
-
5.38
1.87
2.92
26.34
58.65
4.84
Ba0.55Sr0.19 Rb0.49 Ti0.30 O2.69
825 oC
Barium
Strontium
Titanium
Oksigen
Silikon
Rubidium
2.72
2.23
4.95
14.83
-
2.72
0.25
1.26
22.84
68.29
4.64
Ba0.55 Sr0.05 Rb0.94 Ti0.25 O4.62
875 oC
Barium
Strontium
Titanium
Oksigen
Silikon
Karbon
Rubidium
7.58
6.20
13.78
41.35
-
7.58
0.56
0.13
46.94
37.38
5.90
1.52
Ba0.55 Sr0.04 Rb0.11 C0.43Ti0.01 O3.41
12.68
5.73
0.13
54.98
7.36
19.12
Ba0.55 Sr0.24 C0.83Ti0.01 O2.38
750 oC
Barium
Strontium
Titanium
Oksigen
Silikon
Rubidium
925 oC
Barium
12.68
Strontium
10.37
Titanium
23.05
Oksigen
69.16
Silikon
Karbon
*Komposisi Barium digunakan sebagai acuan
Tabel 3 menunjukkan komposisi atom penyusun dari BST. Komposisi atom
penyusun BST berdasarkan EDX tidak sesuai dengan stokiometri. Komposisi
atom berdasarkan hasil uji EDX secara umum lebih kecil dibandingkan dengan
stokiometri serta timbulnya pengotor berupa rubidium dan karbon. Hal ini
11
dikarenakan adanya unsur yang menguap pada saat pembuatan sampel BST.
Penguapan pada proses annealing ini mengakibatkan konsentrasi dari masingmasing unsur mengalami pengurangan, sehingga wajar jika terdapat perbedaan
antara hasil perhitungan stokiometri dengan hasil yang ditunjukkan pada
karakterisasi EDX. Secara umum, setiap sampel BST terdapat pengotor Rubidium.
Timbulnya unsur Rubidium dimungkinkan berasal dari bahan dasar penyusun
BST, karena bahan Barium asetat, Strontium asetat dan Titanium isopropoksida
yang digunakan tidak 100% murni. Pada sampel dengan suhu annealing 875 oC
dan 925 oC terdapat unsur karbon. Timbulnya unsur karbon diduga berasal dari
gugus asetat yang telah menguap kemudian bereaksi kembali pada suhu tinggi
(875 oC dan 925 oC). Contoh perhitungan stokiometri BST pada suhu 875 oC
terlampir pada Lampiran 3.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Hasil uji optik menunjukkan film BST dapat mengabsorbsi cahaya tampak
sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah non-invasive. Hasil
uji listrik berupa faktor Rs, n, Is, dan tegangan barrier memperlihatkan film BST
umumnya bersifat dioda. Hasil SEM dari film BST dengan suhu annealing 750 oC
menunjukkan adanya ketakhomogenan pada morfologi permukaannya serta
memperlihatkan masih banyaknya permukaan silikon yang tidak tertumbuhi BST,
sehingga mengakibatkan sampel tersebut bersifat resistor. Hasil EDX
menunjukkan bahwa komposisi penyusun pada BST tidak sepenuhnya sesuai
dengan stokiometri. Hal ini dikarenakan adanya unsur yang menguap pada saat
pembuatan sampel.
Saran
Berdasarkan uji listrik, grafik I-V menunjukkan masih adanya noise,
sehingga mengurangi sensitivitas dari sampel, sehingga perlu dilakukan penelitian
ulang dengan perlakuan yang lebih baik. Selain itu diperlukan uji analisis XRD
dan EDX kembali untuk mengetahui asal unsur rubidium dan karbon yang
terbentuk pada sampel BST serta untuk memperoleh sampel BST yang
stokiometri.
DAFTAR PUSTAKA
1
2
World Health Organization. 1994. Prevention of Diabetes Milletus.
Penerjemah, Arisman. Jakarta: Hipokrates.
Enhassari E, Parviz A, Ozaee K, Abyaneh HH. Synthesis and
Characterization
of
Barium
Strontium
Titanate
(BST)
Micro/Nanostructures Prepared by Improved Methods. Int J Nano Dim
2011; 2: 85-103.
12
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Singh SB, Sharma HB, Sarma HNK, Phanjoubam S. Structural and optical
properties of Barium Strontium Titanate (Ba0.5Sr0.5TiO3) Thin Films.
Ferroelectrics Letters 2006; 33: 83-90.
Setiawan C. 2013. Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Larutan Glukosa
Berbasis Film Barium Stronsium Titanat (BST). [skripsi]. Bogor: IPB.
Huriawati F. 2009. Sintesis Film BST Didadah Niobium dan Tantalum
serta Aplikasinya sebagai Sensor Cahaya. [tesis]. Bogor: IPB.
Arief A, Irzaman, M. Dahrul, H. Syahfutra. Uji Arus-Tegangan Film
Tipis Br0.5Sr0.5TiO3 dengan Pendadah Niobium Penta Oksida sebagai
Sensor Cahaya. Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010. hlm 205-212.
Irzaman, Syahfutra H, Darmasetiawan H, Hardhienata H, Erviansyah R,
Huriawati F, Akhiruddin, Hikam H, Arifin P. Electrical Properties of
Photodiode Ba0.25Sr0.75TiO3 (BST) Thin Film Doped with Ferric Oxide on
p-type Si (100) Substrate Using Chemical Solution Deposition Method.
Atom Indonesia 2011; 37(3):133-138.
A. N. Bashkatov, D. M. Zhestkov, É. A. Genina, dan V. V. Tuchin.
Immersion Clearing of Human Blood in the Visible and Near-Infrared
Spectral Regions. Optics and Spectroscopy 2005; 98 (4): 638–646.
Sugiarti H. 2010. Pemrograman Informasi Lahan Parkir Berbasis
Mikrokontroler ATMEGA8535 dengan Menggunakan BASCOM-AVR.
Medan: Departemen Fisika USU.
Piyoh YI, Shanti M, Setiawan A. 2012. Perancangan dan Pengujian
Sistem Pengukuran Sinar UV dari Intensitas Matahari. Salatiga:
Universitas Kristen Satya Wacana.
Irzaman, A. Fuad, D. Rusdiana, H. Saragih, T. Saragi, M. Barmawi. 2001.
Spectral Response of Al/Si Photodiode as IR Sensor. Bandung:
Departemen Fisika ITB.
Joshi GP, Saxena NS, Mangal R, Mishra A and Sharma TP. 2003. Band
gap determination of Ni-Zn ferrites. Bull Mater Sci. 26(4):387 – 389.
Scheid F. 1992. Teori dan Soal-Soal Metode Numerik. Silaban P,
penerjemah. Jakarta : Erlangga. Terjemahan dari Theory and Problems of
Numerical Analysis. 259 – 291.
Aubry V and Meyer F. 1994. Schottky Diode with High Series Resistance:
Limitations of Forward I - V methods. J Appl Phys. 76(12): 7973 – 7984.
Rancasa, Endang. 2013. Karakterisasi Sifat Optik dan Sifat Listrik Barium
Strontium Titanat (BST) sebagai Fotodetektor Cahaya Hijau. [tesis].
Bogor : IPB.
Irzaman, Syafutra H, Rancasa E, Nuayi AW, Nurrahman TG, Nuzulia NA,
Supu I, Sugianto, Tumimomor F, Surianty, Muzikarno O, Masrur. 2013.
The effect of Ba/Sr ratio on electrical and optical properties of BaxSr1xTiO3 thin film semiconductor. Ferroelectric. 445:4-17.
Muñoz EC, Heyser CA, Schrebler RS, Henriquez RG and Marotti RE.
2011. Photoelectrochemical reduction of nitrate ions on porous silicon
and different silicon modified electrodes. J Chil Chem Soc. 56: 781 – 785.
13
LAMPIRAN
Lampiran 1 Contoh perhitungan energi band gap BST pada suhu 775 oC
(2)
dengan
Tabel 3 Perhitungan nilai energi band gap BST
Panjang
Gelombang (nm) Absorbansi
α (cm-1)
394.52
394.72
394.93
395.13
395.34
0.311
0.317
0.299
0.295
0.284
14737.30453
15021.62551
14168.66255
13979.11523
13457.86008
(αhʋ)½ (eV.cm-1) ½
0.977255441
0.995604527
0.938572436
0.925547568
0.890562317
= 14737.305 cm-1
hʋ =
(
) (
)
= 3.142 eV
(αhʋ)½ = (14737.30453 x 3.1423) ½ = 0.977 (eV.cm-1) ½
Lakukan hal yang sama untuk setiap panjang gelombang. Setelah selesai, plot
grafik hʋ terhadap (αhʋ)½
Gambar 9 Grafik bantuan perhitungan energi band gap
Setelah itu tentukan gradien terbesar, kemudian carilah persamaan garisnya.
Bandingkan persamaan tersebut dengan persamaan (2)
y = -8.197x + 24.79
Sehingga Eg =
= 3.024 eV
14
Lampiran 2 Contoh perhitungan parameter listrik BST pada suhu 775 oC
Tabel 4 Perhitungan parameter listrik BST
V (V)
I (A)
G (A/V)
1.77E-02 5.80E-06 -0.000308887
4.68E-02 3.22E-06 -3.14457E-05
6.90E-02 2.80E-06 0.000179893
9.88E-02 1.63E-05 0.000316523
1.27E-01 2.60E-05 0.000341124
G/I (V-1)
-53.2276
-9.76246
64.25979
19.3925
13.12232
Vd (V)
0.015965
0.045781
0.068163
0.093743
0.119182
ln (I)
-12.0571
-12.6458
-12.7861
-11.023
-10.5576
Ambil data I-V bias maju, kemudian carilah nilai G dengan menghitung nilai
dI/dV. Setelah nilai G didapat, carilah nilai G/I. Plot grafik G terhadap G/I.
G/I
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
G
0
0
0.001
0.002
0.003
0.004
Gambar 10 Grafik G vs G/I untuk membantu perhitungan Rs dan n
Persamaan garis dari grafik y = -1393x + 4.537 dibandingkan dengan persamaan
(8)
(8)
(15)
Dengan β =
=
(
)
= 38.65 C/J
Dengan membandingkan persamaan dari grafik dengan persamaan (15),
disimpulkan bahwa
= 4.537
n=
=
= 8.52
15
= 307.03 Ω
Rs =
Nilai Rs digunakan untuk mengkoreksi nilai tegangan berdasarkan persamaan (11)
Vd = V – I Rs
(11)
Vd = 1.77x10-2 – (5.8x10-6)x (307.03) = 0.016 eV
Setelah nilai Vd didapat, plot grafik Vd terhadap ln (I)
Vd
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
ln (I)
Gambar 11 Grafik Vd vs ln (I) untuk membantu perhitungan Is dan Φb
Persamaan garis yang didapat dari grafik y = 4.209x -10 dibandingkan dengan
persamaan (12)
(12)
Dengan membandingkan persamaan dari grafik dengan persamaan (12)
disimpulkan bahwa
ln Is = -10
Is = e-10 = 0.45 μA
Nilai Φb didapat dari persamaan (14)
Φ
Φb = (1.38x10-23) x (300) x ln (
(14)
) = 0.56 eV
16
Lampiran 3 Contoh perhitungan stokiometri BST pada suhu 875 oC
Tabel 5 Komposisi atom penyusun BST menggunakan analisis EDX pada suhu
annealing 875 oC
Nama Unsur
Komposisi Atom
Berdasarkan Stokiometri (%)
Barium
7.58
Strontium
6.20
Titanium
13.78
Oksigen
41.35
Silikon
Karbon
Rubidium
*Komposisi Barium digunakan sebagai acuan
Fraksi mol Sr =
x 0.56 = 0.04
Fraksi mol Rb =
x 1.52 = 0.11
Fraksi mol C =
x 5.90 = 0.43
Fraksi mol Ti =
x 0.13 = 0.01
Fraksi mol O =
x 46.94 = 3.41
Komposisi Atom
Berdasarkan EDX (%)
7.58
0.56
0.13
46.94 Ba0.55 Sr0.04 Rb0.11 C0.43Ti0.01 O3.41
37.38
5.90
1.52
Ba0.55 Sr0.04 Rb0.11 C0.43 Ti0.01 O3.41
17
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 24
Januari 1993 dari pasangan Henry Sulistyadi dan Avi
Rosyani sebagai anak pertama dari dua bersaudara.
Penulis menyelesaikan pendidikan sekolah dasar pada
tahun 2004 di SD Negeri Cempaka Baru 05 Jakarta,
kemudian penulis melanjutkan pendidikan di SMP Negeri
216 Jakarta (2004-2007). Setelah itu, penulis melanjutkan
pendidikan di SMA Negeri 77 Jakarta (2007-2010).
Penulis diterima di Institut Pertanian Bogor Jurusan Fisika
pada tahun 2010 melalui jalur Undangan Seleksi Masuk
IPB (USMI).
Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai Asisten Praktikum
Mata Kuliah Fisika TPB (2013-2014) dan Asisten Responsi Termodinamika
(2013-2014) Departemen Fisika FMIPA serta Mata Kuliah Wood Science 1 (2014)
Departemen THH Fakultas Kehutanan. Penulis juga merupakan tentor di
Bimbingan Belajar TPB Katalis IPB (2012-2014) dan menjadi guru les privat
SMA (2011-2012) di berbagai tempat.
Selain itu penulis pernah mengikuti Pekan Kreatifitas Mahasiswa (PKM)
dan berhasil didanai oleh DIKTI yaitu PKM-Penelitian pada tahun 2014. Penulis
juga pernah menjadi presenter pada Simposium Nasional Ilmu dan Pembelajaran
Sains (SNIPS 2013) dan Seminar Nasional Sains dan Pendidikan MIPA
(SEMIRATA 2014).