Penumbuhan Lapisan Tipis Barium Zirconium Titanat Dengan Variasi Mol X Pada Bazrxti1-Xo3 Menggunakan Metode Sol Gel bab 1
1
digilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Ilmu pengetahuan dan teknologi semakin berkembang dari masa ke masa
seiring dengan perubahan jaman. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi
(IPTEK) saat ini tidak terpisahkan dari peranan fisika. Hal itu disebabkan karena
fisika adalah salah satu ilmu yang paling dasar dari ilmu pengetahuan (Young dan
Freedman, 1999). Salah satu bidang yang dikaji dalam ilmu fisika adalah fisika
material. Oleh karena itu perlu dilakukan upaya-upaya untuk terus meningkatkan
ilmu pengetahuan dan teknologi di segala bidang tidak terkecuali pada bidang
material.
Material ferroelektrik merupakan salah satu bukti dari perkembangan ilmu
pengetahuan dan teknologi khususnya bidang material yang telah dikembangkan
sejak tahun 1960-an. Material ferroelektrik sangat berperan dalam perkembangan
device generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat yang dimilikinya, yaitu sifat
histerisis dan tetapan dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori
Dynamic Random Access Memory (DRAM), sifat piezoelektrik dapat digunakan
sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai
Non Volatile Ferroelectric Random Access Memory (NVFRAM), sifat
pyroelektrik dapat diterapkan pada sensor infra merah dan sifat elektro optik dapat
diterapkan pada switch termal infra merah (Uchino, 2000).
commit to user
1
2
digilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Ferroelektrik merupakan dielektrik yang terpolarisasi spontan dan dapat
dibalik keadaanya oleh medan listrik (Uchino, 2000). Keunggulan dari bahan
ferroelektrik
yaitu mampu menyimpan
hingga
108 bit/cm2, sedangkan
ferromagnetik yang hanya mampu menyimpan 105 bit/cm2 (Azizahwati, 2002).
BaTiO3 merupakan salah satu material ferroelektrik yang secara umum
digunakan sebagai kapasitor karena memiliki konstanta dielektrik tinggi. Untuk
mengurangi loss dielektrik pada frekuensi rendah, Sr atau Zr digunakan sebagai
tambahan. Nilai konstanta dielektrik tinggi dikombinasikan dengan faktor disipasi
rendah membuat Ba1-xSrxTiO3 (BST) salah satu bahan yang menjanjikan untuk sel
memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM) (Gao et al., 2007).
Belakangan ini, BaZrxTi1-xO3 telah dipilih sebagai alternatif pengganti untuk
BST karena Zr4+ secara kimiawi lebih stabil dibandingkan Ti4+ dan memiliki
ukuran ion yang lebih besar sehingga memperluas kisi perovskit (Zhai et al.,
2004). BZT memiliki loss dielektrik rendah dari pada BST. Sebagai alternatif
untuk BST, barium zirkonium titanat telah mendapat perhatian karena beberapa
sifat dielektrik yang menarik terkait dengan transisi fase feroelektrik-menuju
paraelektrik dapat direalisasikan oleh substitusi titanium (Ti) di situs B dari
BaTiO3 dengan zirkonium (Zr) (Darbyshire,
2011). Selain itu, BZT juga
digunakan untuk menggantikan PZT yang memiliki kandungan Plumbum yang
dapat merusak beberapa organ tubuh.
BZT diperoleh dengan menggantikan ion di posisi B dari BaTiO3 dengan Zr
dalam senyawa dari perovskit struktur ABO3. Penambahan Zr4+ ke dalam struktur
kristal efektif menurunkan titik Curie (Tc) (Darbyshire, 2011). Titik Curie
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
3
digilib.uns.ac.id
menandai suhu dimana polarisasi spontan jatuh ke nol dan permitivitas mencapai
maksimum.
Jumlah mol Zr (x) pada BaZrxTi1-xO3 berpengaruh terhadap sifat material
BZT. BZT dengan berbagai komposisi Zr telah diteliti untuk mempelajari
pengaruh kandungan Zr dalam lapisan tipis BaZrxTi1-xO3, dengan bertambahnya
komposisi Zr maka dapat memperbesar parameter kisi (Pontes et al., 2004). Selain
itu, bertambahnya komposisi Zr menyebabkan penurunan ukuran butir rata-rata,
menurunkan konstanta dielektrik, dan menjaga kebocoran arus yang rendah dan
stabil (Zhai et al., 2004). Parameter lain yang mempengaruhi lapisan tipis BZT
selain mol Zr (x) adalah suhu annealing. Proses annealing dengan memvariasi
suhu dimaksudkan agar lapisan tipis yang terbentuk menuju kristal dan
meningkatkan homogenitas serta kerapatan butiran kristal (Umiati et al., 2001).
Oleh karena itu, penelitian ini memvariasikan komposisi persen mol Zr dan suhu
annealing.
Penumbuhan lapisan tipis dapat dilakukan dengan cara sputtering (Wang et
al., 2003), metal organic chemical vapour deposition atau MOCVD (Gao et al.,
2000) dan metode Sol Gel (Chen et al., 2010). Metode Sol gel atau Chemical
Solution Deposition (CSD) merupakan cara pembuatan film tipis dengan
pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, kemudian dipreparasi dengan
spin coating pada kecepatan putar tertentu. Metode ini memiliki beberapa
keunggulan diantaranya, memiliki homogenitas yang baik, mudah mengontrol
stoikiometri, dan dapat digunakan pada suhu rendah (Xu, 1991), dan yang paling
penting adalah biaya yang relatif rendah sehingga metode ini menjadi pilihan
commit to user
4
digilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
untuk penelitian ilmiah (Adem, 2003). Oleh karena itu pada penelitian ini akan
dilakukan penumbuhan lapisan tipis Barium Zirconium Titanat (BaZrxTi1-xO3)
dengan variasi persen mol Zr dan variasi suhu annealing menggunakan metode
sol gel. Lapisan tipis BZT yang terbentuk di atas substrat akan dikarakterisasi,
meliputi karakterisasi strukur kristal dan ukuran partikel dengan XRD, komposisi,
morfologi, ukuran butir serta ketebalan lapisan tipis dengan SEM, dan sifat
ferroelektrik dengan metode sawyer tower.
B. Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan di atas, maka masalah
dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Bagaimana pengaruh variasi persen mol Zr dan Ti terhadap struktur kristal,
ukuran partikel, morfologi, ukuran butir, ketebalan dan sifat ferroelektrik dari
lapisan tipis BaZrxTi1-xO3?
2. Bagaimana pengaruh variasi suhu annealing terhadap struktur kristal, ukuran
partikel, morfologi, ukuran butir, ketebalan, dan sifat ferroelektrik lapisan tipis
BaZrxTi1-xO3?
C. Batasan Masalah
Berdasarkan identifikasi masalah yang ada, maka agar jelas dan terarah
penelitian ini dibatasi pada hal-hal berikut :
1.
Metode penumbuhan lapisan tipis BZT dalam penelitian ini menggunakan
metode CSD yang disiapkan dengan Spin Coating.
commit to user
5
digilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
2.
Pembuatan lapisan tipis BZT dalam penelitian ini menggunakan molaritas 0,2
M dan kecepatan putar 4000 rpm.
3.
Pembuatan lapisan tipis BZT dalam penelitian ini menggunakan variasi mol
Zr (x). Perbandingan Zr dan Ti : 5:95, 90:10, 85:15, 80:20.
4.
Pembuatan lapisan tipis BZT dalam penelitian ini menggunakan variasi suhu
annealing 8000C dan annealing 9000C.
D. Tujuan Penelitian
Berdasakan rumusan masalah yang telah dipaparkan, maka tujuan dari
penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mengetahui pengaruh variasi persen mol Zr dan Ti terhadap struktur kristal,
ukuran partikel, morfologi, ketebalan, ukuran butir dan sifat ferroelektrik dari
lapisan tipis BaZrxTi1-xO3.
2. Mengetahui pengaruh variasi suhu annealing terhadap struktur kristal, ukuran
partikel, morfologi, ketebalan, ukuran butir dan sifat ferroelektrik dari lapisan
tipis BaZrxTi1-xO3.
E. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian yang dilakukan ini adalah :
1. Memberikan pengetahuan tentang pemanfaatan lapisan tipis BZT untuk
aplikasi dalam memori.
2. Memberikan referensi sebagai bahan pengembangan peneliti selanjutnya.
commit to user
digilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Ilmu pengetahuan dan teknologi semakin berkembang dari masa ke masa
seiring dengan perubahan jaman. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi
(IPTEK) saat ini tidak terpisahkan dari peranan fisika. Hal itu disebabkan karena
fisika adalah salah satu ilmu yang paling dasar dari ilmu pengetahuan (Young dan
Freedman, 1999). Salah satu bidang yang dikaji dalam ilmu fisika adalah fisika
material. Oleh karena itu perlu dilakukan upaya-upaya untuk terus meningkatkan
ilmu pengetahuan dan teknologi di segala bidang tidak terkecuali pada bidang
material.
Material ferroelektrik merupakan salah satu bukti dari perkembangan ilmu
pengetahuan dan teknologi khususnya bidang material yang telah dikembangkan
sejak tahun 1960-an. Material ferroelektrik sangat berperan dalam perkembangan
device generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat yang dimilikinya, yaitu sifat
histerisis dan tetapan dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori
Dynamic Random Access Memory (DRAM), sifat piezoelektrik dapat digunakan
sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai
Non Volatile Ferroelectric Random Access Memory (NVFRAM), sifat
pyroelektrik dapat diterapkan pada sensor infra merah dan sifat elektro optik dapat
diterapkan pada switch termal infra merah (Uchino, 2000).
commit to user
1
2
digilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
Ferroelektrik merupakan dielektrik yang terpolarisasi spontan dan dapat
dibalik keadaanya oleh medan listrik (Uchino, 2000). Keunggulan dari bahan
ferroelektrik
yaitu mampu menyimpan
hingga
108 bit/cm2, sedangkan
ferromagnetik yang hanya mampu menyimpan 105 bit/cm2 (Azizahwati, 2002).
BaTiO3 merupakan salah satu material ferroelektrik yang secara umum
digunakan sebagai kapasitor karena memiliki konstanta dielektrik tinggi. Untuk
mengurangi loss dielektrik pada frekuensi rendah, Sr atau Zr digunakan sebagai
tambahan. Nilai konstanta dielektrik tinggi dikombinasikan dengan faktor disipasi
rendah membuat Ba1-xSrxTiO3 (BST) salah satu bahan yang menjanjikan untuk sel
memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM) (Gao et al., 2007).
Belakangan ini, BaZrxTi1-xO3 telah dipilih sebagai alternatif pengganti untuk
BST karena Zr4+ secara kimiawi lebih stabil dibandingkan Ti4+ dan memiliki
ukuran ion yang lebih besar sehingga memperluas kisi perovskit (Zhai et al.,
2004). BZT memiliki loss dielektrik rendah dari pada BST. Sebagai alternatif
untuk BST, barium zirkonium titanat telah mendapat perhatian karena beberapa
sifat dielektrik yang menarik terkait dengan transisi fase feroelektrik-menuju
paraelektrik dapat direalisasikan oleh substitusi titanium (Ti) di situs B dari
BaTiO3 dengan zirkonium (Zr) (Darbyshire,
2011). Selain itu, BZT juga
digunakan untuk menggantikan PZT yang memiliki kandungan Plumbum yang
dapat merusak beberapa organ tubuh.
BZT diperoleh dengan menggantikan ion di posisi B dari BaTiO3 dengan Zr
dalam senyawa dari perovskit struktur ABO3. Penambahan Zr4+ ke dalam struktur
kristal efektif menurunkan titik Curie (Tc) (Darbyshire, 2011). Titik Curie
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
3
digilib.uns.ac.id
menandai suhu dimana polarisasi spontan jatuh ke nol dan permitivitas mencapai
maksimum.
Jumlah mol Zr (x) pada BaZrxTi1-xO3 berpengaruh terhadap sifat material
BZT. BZT dengan berbagai komposisi Zr telah diteliti untuk mempelajari
pengaruh kandungan Zr dalam lapisan tipis BaZrxTi1-xO3, dengan bertambahnya
komposisi Zr maka dapat memperbesar parameter kisi (Pontes et al., 2004). Selain
itu, bertambahnya komposisi Zr menyebabkan penurunan ukuran butir rata-rata,
menurunkan konstanta dielektrik, dan menjaga kebocoran arus yang rendah dan
stabil (Zhai et al., 2004). Parameter lain yang mempengaruhi lapisan tipis BZT
selain mol Zr (x) adalah suhu annealing. Proses annealing dengan memvariasi
suhu dimaksudkan agar lapisan tipis yang terbentuk menuju kristal dan
meningkatkan homogenitas serta kerapatan butiran kristal (Umiati et al., 2001).
Oleh karena itu, penelitian ini memvariasikan komposisi persen mol Zr dan suhu
annealing.
Penumbuhan lapisan tipis dapat dilakukan dengan cara sputtering (Wang et
al., 2003), metal organic chemical vapour deposition atau MOCVD (Gao et al.,
2000) dan metode Sol Gel (Chen et al., 2010). Metode Sol gel atau Chemical
Solution Deposition (CSD) merupakan cara pembuatan film tipis dengan
pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, kemudian dipreparasi dengan
spin coating pada kecepatan putar tertentu. Metode ini memiliki beberapa
keunggulan diantaranya, memiliki homogenitas yang baik, mudah mengontrol
stoikiometri, dan dapat digunakan pada suhu rendah (Xu, 1991), dan yang paling
penting adalah biaya yang relatif rendah sehingga metode ini menjadi pilihan
commit to user
4
digilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
untuk penelitian ilmiah (Adem, 2003). Oleh karena itu pada penelitian ini akan
dilakukan penumbuhan lapisan tipis Barium Zirconium Titanat (BaZrxTi1-xO3)
dengan variasi persen mol Zr dan variasi suhu annealing menggunakan metode
sol gel. Lapisan tipis BZT yang terbentuk di atas substrat akan dikarakterisasi,
meliputi karakterisasi strukur kristal dan ukuran partikel dengan XRD, komposisi,
morfologi, ukuran butir serta ketebalan lapisan tipis dengan SEM, dan sifat
ferroelektrik dengan metode sawyer tower.
B. Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan di atas, maka masalah
dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Bagaimana pengaruh variasi persen mol Zr dan Ti terhadap struktur kristal,
ukuran partikel, morfologi, ukuran butir, ketebalan dan sifat ferroelektrik dari
lapisan tipis BaZrxTi1-xO3?
2. Bagaimana pengaruh variasi suhu annealing terhadap struktur kristal, ukuran
partikel, morfologi, ukuran butir, ketebalan, dan sifat ferroelektrik lapisan tipis
BaZrxTi1-xO3?
C. Batasan Masalah
Berdasarkan identifikasi masalah yang ada, maka agar jelas dan terarah
penelitian ini dibatasi pada hal-hal berikut :
1.
Metode penumbuhan lapisan tipis BZT dalam penelitian ini menggunakan
metode CSD yang disiapkan dengan Spin Coating.
commit to user
5
digilib.uns.ac.id
perpustakaan.uns.ac.id
2.
Pembuatan lapisan tipis BZT dalam penelitian ini menggunakan molaritas 0,2
M dan kecepatan putar 4000 rpm.
3.
Pembuatan lapisan tipis BZT dalam penelitian ini menggunakan variasi mol
Zr (x). Perbandingan Zr dan Ti : 5:95, 90:10, 85:15, 80:20.
4.
Pembuatan lapisan tipis BZT dalam penelitian ini menggunakan variasi suhu
annealing 8000C dan annealing 9000C.
D. Tujuan Penelitian
Berdasakan rumusan masalah yang telah dipaparkan, maka tujuan dari
penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mengetahui pengaruh variasi persen mol Zr dan Ti terhadap struktur kristal,
ukuran partikel, morfologi, ketebalan, ukuran butir dan sifat ferroelektrik dari
lapisan tipis BaZrxTi1-xO3.
2. Mengetahui pengaruh variasi suhu annealing terhadap struktur kristal, ukuran
partikel, morfologi, ketebalan, ukuran butir dan sifat ferroelektrik dari lapisan
tipis BaZrxTi1-xO3.
E. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian yang dilakukan ini adalah :
1. Memberikan pengetahuan tentang pemanfaatan lapisan tipis BZT untuk
aplikasi dalam memori.
2. Memberikan referensi sebagai bahan pengembangan peneliti selanjutnya.
commit to user