Efek Magnetisasi Spontan dan Karakterist
Jurnal Matematika dan Sains
Vol. 10 No. 1, Maret 2005, hal 21-25
Efek Magnetisasi Spontan dan Karakteristik Transport Listrik Film Tipis TiO2:Co
yang ditumbuhkan dengan Metode MOCVD
1)
Horasdia Saragih1,2), Pepen Arifin1) dan Mohamad Barmawi1)
Laboratorium Fisika Material Elektronik, Institut Teknologi Bandung, Bandung, Indonesia
2)
Jurusan Fisika, Universitas Pattimura, Ambon, Indonesia
Diterima Januari 2004, disetujui untuk dipublikasikan Pebruari 2005
Abstrak
Film tipis TiO2:Co telah ditumbuhkan di atas subtrat Si(100) dengan metode MOCVD. Kandungan atom Co di
dalam film divariasikan dari 0,73% sampai 12,19%. Efek magnetisasi spontan dan karakteristik transpot listrik film
diukur. Dari data pengukuran resistivitas Hall sebagai fungsi medan magnetik luar H, diamati adanya efek
magnetisasi spontan. Terjadi suatu pertambahan resistivitas Hall yang tajam pada H < 1500 Oe pada semua film.
Pertambahan resistivitas Hall yang paling tajam ditunjukkan oleh film dengan kandungan Co yang lebih tinggi.
Resistivitas Hall bertambah dengan bertambahnya kandungan Co. Data hasil pengukuran resistivitas sebagai
fungsi temperatur menunjukkan bahwa film bersifat semikonduktif. Ada suatu pertambahan resistivitas minimum
pada film dengan bertambahnya kandungan Co di dalamnya.
Kata kunci : MOCVD, resistivitas Hall, TiO2:Co.
Abstract
TiO2:Co thin films were grown on Si(100) substrate by MOCVD method. The Co content in the film was varied in
the range of 0.73% to 12.19%. The spontaneous magnetization effect and the electrical transport of films were
measured by means of a Hall effect measurement. The Hall resistivity as a function of the magnetic field data show
that the spontaneous magnetization effect occurs in films at the field lower than 1500 Oe. The Hall resistivity
increases with the increase of Co concentration. The measurement of resistivity as function of temperature shows
that the films have semiconductive properties. The minimum resistivity increases with increasing Co.
Keyword : Hall resistivity, MOCVD, TiO2:Co.
penumbuhannya. Film tipis TiO2:Co yang
ditumbuhkan dengan metode pulsed laser deposition
(PLD) pada tekanan parsial oksigen yang tinggi (PO2
> 10-6 Torr) tidak menunjukkan efek Hall anomali.
Sementara penumbuhan pada tekanan parsial oksigen
yang lebih rendah menghasilkan kekosongan oksigen
yang tinggi yang menyebabkan penambahan
resistivitas6). Penumbuhan dengan metode molecular
beam epitaxy (MBE) menghasilkan kluster-kluster
logam Co yang berukuran beberapa puluh nanometer
yang menghasilkan pulau-pulau berkonduktivitas
tinggi7). Film tipis dengan kualitas baik masih belum
dihasilkan. Oleh karena itu pencarian metode dan
kondisi penumbuhan optimum menjadi pusat
perhatian.
Di dalam makalah ini, proses penumbuhan
film tipis TiO2:Co dengan metode metalorganic
chemical vapor deposition (MOCVD) vertikal,
diterangkan. Kondisi penumbuhan, karakteristik
transpot listrik dan efek magetisasi spontan pada
pengukuran Hall filmnya dibicarakan.
1. Pendahuluan
Persoalan utama dalam pengembangan
divais
spin-elektronik
(spintronik)
adalah
meningkatkan efisiensi injeksi arus spin dari bahan
magnetik ke dalam bahan semikonduktor pada divais
persambungan dari kedua bahan tersebut pada
temperatur ruang 1-2). Efisiensi injeksi optimum
dicapai apabila konduktivitas bahan magnetik sama
nilainya dengan konduktivitas bahan semikonduktor.
Jadi, suatu cara yang mungkin adalah dengan
menggunakan bahan semikonduktor magnetik
sebagai sumber arus spin 3).
Semikonduktor magnetik dapat diperoleh
dengan mendadah bahan semikonduktor dengan
suatu elemen magnetik4). Elemen magnetik
disubstitusi ke dalam matrik kisi semikonduktor.
Sejauh ini yang paling intensif diinvestigasi adalah
film tipis GaAs yang didadah dengan elemen
magnetik Mn (Ga1-xMnxAs)5). Sifat ferromagnetik
dimiliki sampai pada temperatur maksimum (Tc)
110oK. Nilai Tc ini masih jauh dari harapan praktis.
Pencarian material baru terus dilakukan, dan
akhir-akhir ini film tipis semikonduktor-oksida TiO2
yang didadah dengan elemen Co (TiO2:Co),
ditemukan memperlihatkan sifat ferromagnetisme
pada temperatur ruang4). Penemuan ini memberikan
kemajuan
yang
sangat
signifikan.
Dan
penginvestigasian terhadap sifat fisisnya yang lain
menjadi tugas berikutnya.
Sifat fisis film tipis TiO2:Co sangat
dipengaruhi
oleh
metode
dan
kondisi
2.
Eksperimen
Film tipis TiO2:Co ditumbuhkan di atas
subtrat Si(100) dengan menggunakan reaktor
MOCVD vertikal. Prekursor metalorganik yang
digunakan adalah titanium (IV) isopropoxide
[Ti{OCH(CH3)2}4] 99,99% dalam bentuk cair (Sigma
Aldrich Chemical Co., Inc.) dan serbuk tris (2,2,6,6tetramethyl-3, 5-heptanedionato) cobalt (III), 99%,
Co(TMHD)3 (Strem Chemical, Inc.) serta gas oksigen
21
22
sebagai sumber O. Serbuk Co(TMHD)3 dilarutkan
kedalam pelarut tetrahydrofuran (THF, C4H8O)
dengan konsentrasi 0,2 mol per liter. Hasil larutan,
dan bahan cair Ti{OCH(CH3)2}4 dimasukkan
kedalam masing-masing bubbler yang terhubung
dengan suatu sistem perpipaan ke ruang
penumbuhan.
Bubbler
dipanaskan
untuk
menghasilkan uap bahan. Uap masing-masing bahan
dialirkan ke ruang penumbuhan dengan gas argon
(Ar) sebagai pembawa. Tekanan uap di dalam
bubbler dikendalikan dengan suatu katub pengendali.
Tekanan awal ruang penumbuhan adalah 1x10-2 Torr.
Gas O2 dialirkan ke dalam ruang penumbuhan saat
penumbuhan film dilakukan.
Pengujian energy dispersive spectroscopy
(EDS) (Jeol JSM 6360LA) dilakukan untuk
mengetahui komposisi persentasi atom penyusun
film. Struktur kristal film ditentukan dari hasil pola
X-ray diffraction (XRD) dengan menggunakan
radiasi Cu Kα (λ=1,54056Å) (Philips PW3710).
Ketebalan dan morfologi permukaan film dianalisa
dari hasil potret scanning electron microscope (SEM)
(Jeol JSM 6360LA). Sifat magnetik film diuji dengan
suatu sistem vibrating sample magnetometer (VSM)
(Oxford). Dan karakteristik transpot listrik film
ditentukan dari hasil pengukuran Hall dengan metode
empat titik van der Paw.
JMS Vol. 10 No. 1, Maret 2005
subtrat pada awal penumbuhan relatif homogen dan
rapat sehingga menghasilkan permukaan film yang
relatif rata. Kehadiran atom pengotor di dalam film
dengan baik dapat dihindari. Hal tersebut ditunjukkan
secara tidak langsung oleh bentuk butiran yang
kolumnar dari permukaan subtrat hingga ke
permukaan film. Di samping itu, penumbuhan butiran
abnormal tidak terjadi.
Pola XRD film tipis yang dihasilkan
ditunjukkan pada Gambar 2. Puncak difraksi terjadi
pada sudut 61,5o dan tunggal. Artinya, butiran
penyusun film tumbuh dengan membentuk bidang
tunggal anatase-213 (A213) yang sejajar dengan
permukaan subtrat. Hasil ini sesuai dengan potret
SEM penampang lintang film yang ditunjukkan pada
Gambar 1(b) dimana bentuk butiran penyusun film
secara umum sama.
3. Hasil dan diskusi
Sebagai material induk, film tipis TiO2
terlebih dahulu ditumbuhkan. Parameter optimal
penumbuhan adalah: temperatur bubbler (Tb(Ti)) 50oC,
temperatur subtrat (Ts) 450oC, tekanan bubbler
(Pb(Ti)) 260 Torr, laju aliran gas Ar(Ti) 100 sccm, laju
aliran gas O2 60 sccm dan tekanan total penumbuhan
(PTot) 2 Torr. Lama penumbuhan 120 menit. Film
tipis yang tumbuh memiliki morfologi permukaan
dan pola penampang lintang seperti ditunjukkan pada
Gambar 1.
Gambar 2. Pola XRD film tipis TiO2 yang tumbuh
di atas subtrat Si(100)
Penggunaan tekanan total penumbuhan yang
lebih rendah dan yang lebih tinggi dari 2 Torr,
menghasilkan puncak pase anatase yang beragam
(polycrystalline) dan penggunaan temperatur
penumbuhan yang lebih tinggi dan yang lebih rendah
dari 450oC masing-masing menghasilkan pase
anatase disertai pase rutile dan mendekati amorphous.
Gambar 3 memperlihatkan pola XRD film tipis TiO2
di atas subtrat Si(100) yang ditumbuhkan pada
temperatur 550oC.
Gambar 1. Potret SEM permukaan (a) dan
penampang lintang (b) film tipis TiO2/Si(100): Tb(Ti)
= 50oC, Ts = 450oC, Pb(Ti) = 260 Torr, laju aliran gas
Ar(Ti) = 100 sccm, laju aliran gas O2 = 60 sccm
Film tumbuh dengan ketebalan sekitar 0,8
µm. Butiran penyusun film tumbuh berbentuk
kolumnar yang relatif homogen dan sangat kompak
(Gambar 1b). Hubungan antar butir sangat kuat
sebagaimana ditunjukkan oleh pola batas butir yang
jelas. Sebaran titik-titik nukleasi di permukaan
Gambar 3. Pola XRD film tipis TiO2/Si(100): Tb(Ti)
= 50oC, Ts = 550oC, Pb(Ti) = 260 Torr, laju aliran gas
Ar(Ti) = 100 sccm, laju aliran gas O2 = 60 sccm.
JMS Vol. 10 No. 1, Maret 2004
Film tipis TiO2:Co ditumbuhkan dengan
menggunakan parameter optimal penumbuhan seperti
yang diterangkan di atas dengan suatu prekursor
tambahan Co(TMHD). Atom Co disubstitusi secara
fraksial ke dalam matrik kisi material induk TiO2.
Laju aliran gas Ar yang dilewatkan ke dalam bubbler
Co(TMHD), yang berperan membawa uap
Co(TMHD) ke ruang penumbuhan, divariasikan,
yaitu: (a) 20 sccm, (b) 30 sccm, (c) 40 sccm, (d) 50
sccm, (e) 60 sccm, (f) 70 sccm dan (g) 90 sccm
dengan tekanan uap Pb(Co) yang sama, yaitu 260 Torr
dan temperatur bubbler Tb(Co) 100oC. Dari hasil uji
EDS, komposisi persen atom Co yang terkandung di
dalam masing-masing film yang dihasilkan adalah (a)
0,73% ; (b) 2,00% ; (c) 4,10% ; (d) 9,00% ; (e)
11,35% ; (f) 12,01% dan (g) 12,19%. Terjadi suatu
perubahan pada pola XRD. Bidang anatase-213 tidak
muncul, digantikan oleh bidang-bidang anatase-112,
anatase-211 dan anatase-301. Hal ini terjadi pada
film yang mengandung Co sampai pada konsentrasi
9%. Namun bidang anatase-213 kembali hadir
dengan suatu bidang tambahan anatase-301 yang
tidak dominan pada film yang memiliki konsentrasi
Co 11,35% (Gambar 4). Sementara morfologi
permukaan film berubah menjadi semakin kasar
dengan bertambahnya konsentrasi Co di dalamnya
(Gambar 5). Ada 3 kemungkinan yang menyebabkan
hal ini terjadi, yaitu: pertama, atom Co akan
mengganti atom Ti dan menghasilkan perubahan
panjang parameter kisi sehingga menyebabkan
berubahnya volume sel satuan; kedua, kehadiran
23
atom Co, apakah menggantikan posisi Ti atau masuk
secara liar (interstitial), memperbesar kekuatan
ikatan kohesi dari atom-atom yang telah terdeposisi
dengan atom-atom prekursor yang menghujani
permukaan butiran sehingga mempertinggi laju
penumbuhan
butiran.
Ketiga,
sebagaimana
dilaporkan pada referensi 4, atom Co dapat juga
membentuk kluster-kluster Co yang ukurannya
mencapai 150 nm untuk konsentrasi Co di atas 8%.
Jumlah dan ukuran kluster akan semakin banyak dan
besar pada saat konsentrasi Co bertambah. Film tipis,
dengan berbagai kandungan Co ini, diukur efek Hall
dan karakteristik transpot listriknya.
Gambar 4. Pola XRD film tipis TiO2:Co dengan
kandungan Co 11,35%.
Gambar 5. Potret SEM permukaan film tipis TiO2:Co dengan kandungan Co : (a) 2,00%, (b) 9,00% dan (c)
12,19%.
ρ Hall = Ro µ o H + R A µ o M S
1)
Karena atom Co adalah material magnetik
(feromagnetik), maka kehadiran Co di dalam matrik
di mana ρHall adalah resistivitas Hall, Ro adalah
kisi TiO2 membuat bahan semikonduktor ini bersifat
koefisien Hall biasa (ordinary Hall coefficient) , RA
magnetik. Pada material semikonduktor magnetik,
adalah
koefisien Hall anomali (anomaly all
seperti TiO2:Co, momen magnetik atom yang
coefficient)
atau koefisien Hall spontan akibat
terdapat di dalam material, memberikan pengaruh
terjadinya
magnetisasi
spontan dan µo adalah
(komponen tambahan) pada persamaan Hall karena
permeabilitas
ruang
hampa.
Suku kedua persamaan 1
terjadinya magnetisasi spontan (Ms). Jadi, persamaan
8)
(resistivitas
Hall
spontan)
secara konvensional
Hall-nya, selengkapnya ditulis menjadi :
24
menunjukkan suatu proses hamburan asimetri yang
melibatkan suatu interaksi spin-orbit antara elektron
konduksi dan momen magnetik atom di dalam
material. Pada medan magnetik rendah, dimana
saturasi magnetik belum tercapai, perilaku ρHall
didominasi oleh MS yang bergantung pada medan
luar H. Sementara, pada saat material telah
termagnetisasi seluruhnya (keadaan saturasi),
kebergantungan ρHall terhadap H adalah linier dan
diakibatkan oleh efek Hall biasa (suku pertama
persamaan 1).
Hasil pengukuran resistivitas Hall film tipis
TiO2:Co, yang ditumbuhkan seperti yang diterangkan
di atas dan yang diukur pada temperatur ruang,
sebagai fungsi H ditunjukkan pada Gambar 6.
Tampak bahwa terjadi suatu perubahan pada nilai
resistivitas Hall untuk berbagai kandungan atom Co
di dalam film. Perilaku resistivitas Hall sebagai
fungsi kuat medan H secara kasar terlihat terbagi dua.
Pertama, resistivitas Hall pada H kecil (1500 Oe).
Pertambahan resistivitas Hall sangat tajam pada saat
medan luar H lebih kecil dari 1500 Oe dan terjadi
pada semua film dengan kandungan Co yang
berbeda-beda. Penambahan kandungan atom Co
menambah pula besarnya resistivitas Hall.
Penambahan resistivitas Hall yang tajam pada H kecil
menunjukkan adanya kontribusi efek magnetisasi
spontan (Ms) yang terjadi pada momen magnetik
atom Co yang terkandung di dalam material. Momen
magnetik atom Co menghasilkan gaya Lorentz pada
muatan pembawa yang kekuatannya berbanding lurus
dengan laju magnetisasi. Film dengan kandungan Co
yang lebih besar memiliki pertambahan resistivitas
Hall yang lebih tajam. Penambahan yang tajam pada
resistivitas Hall tidak terjadi pada saat H telah
melebihi 1500 Oe. Secara tidak langsung hal ini
menginformasikan bahwa proses magnetisasi spontan
atom-atom Co yang terdapat di dalam film telah
mencapai keadaan saturasi. Hal ini sesuai dengan
hasil pengukuran magnetisasi salah satu film sebagai
fungsi medan luar H seperti ditunjukkan pada
Gambar 7. Magnetisasi mulai bersaturasi pada
H=1500 Oe.
Gambar 6. Resistivitas Hall film tipis TiO2:Co
sebagai fungsi kuat medan magnetik (H). Persentasi
kandungan atom Co untuk masing-masing film
adalah: (a) 0,73%; (b) 2,00%; (c) 4,10%; (d) 9,00%;
dan (e) 11,35%.
JMS Vol. 10 No. 1, Maret 2005
Respon transpot listrik film sebagai fungsi
temperatur juga diinvestigasi. Dari hasil pengukuran,
resistivitas
film
menunjukkan
karakteristik
semikonduktif (Gambar 8), dimana resistivitas film
bertambah dengan berkurangnya temperatur. Terjadi
suatu pertambahan yang tajam pada resistivitas
dibawah temperatur 120oC. Resistivitas minimum
setiap film berbeda, berawal pada temperatur sekitar
130oC. Demikian halnya dengan kemiringan grafik di
bawah temperatur 130oC.
Gambar 7. Kurva histeresis magnetisasi film tipis
TiO2:Co dengan persentasi kandungan Co = 9,00%.
Gambar 8. Resistivitas film tipis TiO2:Co sebagai
fungsi temperatur.
Sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 8
bahwa, penambahan konsentrasi atom Co ke dalam
film mempertinggi nilai resistivitas minimum.
Perubahan perilaku resistivitas minimum ini tentu
erat kaitannya dengan perubahan kondisi yang
terbangun di dalam material akibat perubahan
konsentrasi atom Co. Kehadiran atom Co dapat
berperan sebagai pengganti ion Ti4+ melalui suatu
proses substitusi. Proses subtitusi Co menghasilkan
ion Co2+, sehingga terjadi suatu pengosongan ion O2pada kisi kristal yang menghasilkan penambahan
konsentrasi muatan pembawa8). Pengosongan O akan
membangkitkan sebaran tegangan (strain) pada kisi
kristal film. Kehadiran atom Co dapat juga bersifat
liar (interstitial) sehingga juga menghasilkan cacad
pada kristal. Kedua kondisi ini memperbesar
resistivitas. Di lain pihak, atom Co dapat
memperbaiki struktur kristal TiO2-δ sehingga dapat
menurunkan resistivitas film8).
JMS Vol. 10 No. 1, Maret 2004
Dari data yang didapatkan, penambahan
kandungan Co dari 2% ke 9% terlihat memperbesar
resistivitas minimum, namun tidak signifikan. Tapi,
penambahan Co sebesar 11,35% memberikan
penambahan yang berarti. Hasil ini menunjukkan
bahwa kehadiran atom Co pada kristal TiO2
meningkatkan
nilai
resistivitas
minimum.
Sebagaimana disebutkan di atas, hal ini diperkirakan
disebabkan oleh adanya sebaran tegangan dan atau
cacat kristal yang jumlahnya semakin besar dengan
bertambahnya kandungan Co.
4.
2.
3.
4.
Kesimpulan
Telah ditumbuhkan dengan baik film tipis
TiO2:Co di atas subtrat Si(100) dengan metode
MOCVD. Konsentrasi persen atom Co divariasikan.
Dari hasil pengukuran resistivitas Hall sebagai fungsi
kuat medan luar H, efek magnetisasi spontan
teramati. Efek magnetisasi spontan ini dominan pada
H rendah (
Vol. 10 No. 1, Maret 2005, hal 21-25
Efek Magnetisasi Spontan dan Karakteristik Transport Listrik Film Tipis TiO2:Co
yang ditumbuhkan dengan Metode MOCVD
1)
Horasdia Saragih1,2), Pepen Arifin1) dan Mohamad Barmawi1)
Laboratorium Fisika Material Elektronik, Institut Teknologi Bandung, Bandung, Indonesia
2)
Jurusan Fisika, Universitas Pattimura, Ambon, Indonesia
Diterima Januari 2004, disetujui untuk dipublikasikan Pebruari 2005
Abstrak
Film tipis TiO2:Co telah ditumbuhkan di atas subtrat Si(100) dengan metode MOCVD. Kandungan atom Co di
dalam film divariasikan dari 0,73% sampai 12,19%. Efek magnetisasi spontan dan karakteristik transpot listrik film
diukur. Dari data pengukuran resistivitas Hall sebagai fungsi medan magnetik luar H, diamati adanya efek
magnetisasi spontan. Terjadi suatu pertambahan resistivitas Hall yang tajam pada H < 1500 Oe pada semua film.
Pertambahan resistivitas Hall yang paling tajam ditunjukkan oleh film dengan kandungan Co yang lebih tinggi.
Resistivitas Hall bertambah dengan bertambahnya kandungan Co. Data hasil pengukuran resistivitas sebagai
fungsi temperatur menunjukkan bahwa film bersifat semikonduktif. Ada suatu pertambahan resistivitas minimum
pada film dengan bertambahnya kandungan Co di dalamnya.
Kata kunci : MOCVD, resistivitas Hall, TiO2:Co.
Abstract
TiO2:Co thin films were grown on Si(100) substrate by MOCVD method. The Co content in the film was varied in
the range of 0.73% to 12.19%. The spontaneous magnetization effect and the electrical transport of films were
measured by means of a Hall effect measurement. The Hall resistivity as a function of the magnetic field data show
that the spontaneous magnetization effect occurs in films at the field lower than 1500 Oe. The Hall resistivity
increases with the increase of Co concentration. The measurement of resistivity as function of temperature shows
that the films have semiconductive properties. The minimum resistivity increases with increasing Co.
Keyword : Hall resistivity, MOCVD, TiO2:Co.
penumbuhannya. Film tipis TiO2:Co yang
ditumbuhkan dengan metode pulsed laser deposition
(PLD) pada tekanan parsial oksigen yang tinggi (PO2
> 10-6 Torr) tidak menunjukkan efek Hall anomali.
Sementara penumbuhan pada tekanan parsial oksigen
yang lebih rendah menghasilkan kekosongan oksigen
yang tinggi yang menyebabkan penambahan
resistivitas6). Penumbuhan dengan metode molecular
beam epitaxy (MBE) menghasilkan kluster-kluster
logam Co yang berukuran beberapa puluh nanometer
yang menghasilkan pulau-pulau berkonduktivitas
tinggi7). Film tipis dengan kualitas baik masih belum
dihasilkan. Oleh karena itu pencarian metode dan
kondisi penumbuhan optimum menjadi pusat
perhatian.
Di dalam makalah ini, proses penumbuhan
film tipis TiO2:Co dengan metode metalorganic
chemical vapor deposition (MOCVD) vertikal,
diterangkan. Kondisi penumbuhan, karakteristik
transpot listrik dan efek magetisasi spontan pada
pengukuran Hall filmnya dibicarakan.
1. Pendahuluan
Persoalan utama dalam pengembangan
divais
spin-elektronik
(spintronik)
adalah
meningkatkan efisiensi injeksi arus spin dari bahan
magnetik ke dalam bahan semikonduktor pada divais
persambungan dari kedua bahan tersebut pada
temperatur ruang 1-2). Efisiensi injeksi optimum
dicapai apabila konduktivitas bahan magnetik sama
nilainya dengan konduktivitas bahan semikonduktor.
Jadi, suatu cara yang mungkin adalah dengan
menggunakan bahan semikonduktor magnetik
sebagai sumber arus spin 3).
Semikonduktor magnetik dapat diperoleh
dengan mendadah bahan semikonduktor dengan
suatu elemen magnetik4). Elemen magnetik
disubstitusi ke dalam matrik kisi semikonduktor.
Sejauh ini yang paling intensif diinvestigasi adalah
film tipis GaAs yang didadah dengan elemen
magnetik Mn (Ga1-xMnxAs)5). Sifat ferromagnetik
dimiliki sampai pada temperatur maksimum (Tc)
110oK. Nilai Tc ini masih jauh dari harapan praktis.
Pencarian material baru terus dilakukan, dan
akhir-akhir ini film tipis semikonduktor-oksida TiO2
yang didadah dengan elemen Co (TiO2:Co),
ditemukan memperlihatkan sifat ferromagnetisme
pada temperatur ruang4). Penemuan ini memberikan
kemajuan
yang
sangat
signifikan.
Dan
penginvestigasian terhadap sifat fisisnya yang lain
menjadi tugas berikutnya.
Sifat fisis film tipis TiO2:Co sangat
dipengaruhi
oleh
metode
dan
kondisi
2.
Eksperimen
Film tipis TiO2:Co ditumbuhkan di atas
subtrat Si(100) dengan menggunakan reaktor
MOCVD vertikal. Prekursor metalorganik yang
digunakan adalah titanium (IV) isopropoxide
[Ti{OCH(CH3)2}4] 99,99% dalam bentuk cair (Sigma
Aldrich Chemical Co., Inc.) dan serbuk tris (2,2,6,6tetramethyl-3, 5-heptanedionato) cobalt (III), 99%,
Co(TMHD)3 (Strem Chemical, Inc.) serta gas oksigen
21
22
sebagai sumber O. Serbuk Co(TMHD)3 dilarutkan
kedalam pelarut tetrahydrofuran (THF, C4H8O)
dengan konsentrasi 0,2 mol per liter. Hasil larutan,
dan bahan cair Ti{OCH(CH3)2}4 dimasukkan
kedalam masing-masing bubbler yang terhubung
dengan suatu sistem perpipaan ke ruang
penumbuhan.
Bubbler
dipanaskan
untuk
menghasilkan uap bahan. Uap masing-masing bahan
dialirkan ke ruang penumbuhan dengan gas argon
(Ar) sebagai pembawa. Tekanan uap di dalam
bubbler dikendalikan dengan suatu katub pengendali.
Tekanan awal ruang penumbuhan adalah 1x10-2 Torr.
Gas O2 dialirkan ke dalam ruang penumbuhan saat
penumbuhan film dilakukan.
Pengujian energy dispersive spectroscopy
(EDS) (Jeol JSM 6360LA) dilakukan untuk
mengetahui komposisi persentasi atom penyusun
film. Struktur kristal film ditentukan dari hasil pola
X-ray diffraction (XRD) dengan menggunakan
radiasi Cu Kα (λ=1,54056Å) (Philips PW3710).
Ketebalan dan morfologi permukaan film dianalisa
dari hasil potret scanning electron microscope (SEM)
(Jeol JSM 6360LA). Sifat magnetik film diuji dengan
suatu sistem vibrating sample magnetometer (VSM)
(Oxford). Dan karakteristik transpot listrik film
ditentukan dari hasil pengukuran Hall dengan metode
empat titik van der Paw.
JMS Vol. 10 No. 1, Maret 2005
subtrat pada awal penumbuhan relatif homogen dan
rapat sehingga menghasilkan permukaan film yang
relatif rata. Kehadiran atom pengotor di dalam film
dengan baik dapat dihindari. Hal tersebut ditunjukkan
secara tidak langsung oleh bentuk butiran yang
kolumnar dari permukaan subtrat hingga ke
permukaan film. Di samping itu, penumbuhan butiran
abnormal tidak terjadi.
Pola XRD film tipis yang dihasilkan
ditunjukkan pada Gambar 2. Puncak difraksi terjadi
pada sudut 61,5o dan tunggal. Artinya, butiran
penyusun film tumbuh dengan membentuk bidang
tunggal anatase-213 (A213) yang sejajar dengan
permukaan subtrat. Hasil ini sesuai dengan potret
SEM penampang lintang film yang ditunjukkan pada
Gambar 1(b) dimana bentuk butiran penyusun film
secara umum sama.
3. Hasil dan diskusi
Sebagai material induk, film tipis TiO2
terlebih dahulu ditumbuhkan. Parameter optimal
penumbuhan adalah: temperatur bubbler (Tb(Ti)) 50oC,
temperatur subtrat (Ts) 450oC, tekanan bubbler
(Pb(Ti)) 260 Torr, laju aliran gas Ar(Ti) 100 sccm, laju
aliran gas O2 60 sccm dan tekanan total penumbuhan
(PTot) 2 Torr. Lama penumbuhan 120 menit. Film
tipis yang tumbuh memiliki morfologi permukaan
dan pola penampang lintang seperti ditunjukkan pada
Gambar 1.
Gambar 2. Pola XRD film tipis TiO2 yang tumbuh
di atas subtrat Si(100)
Penggunaan tekanan total penumbuhan yang
lebih rendah dan yang lebih tinggi dari 2 Torr,
menghasilkan puncak pase anatase yang beragam
(polycrystalline) dan penggunaan temperatur
penumbuhan yang lebih tinggi dan yang lebih rendah
dari 450oC masing-masing menghasilkan pase
anatase disertai pase rutile dan mendekati amorphous.
Gambar 3 memperlihatkan pola XRD film tipis TiO2
di atas subtrat Si(100) yang ditumbuhkan pada
temperatur 550oC.
Gambar 1. Potret SEM permukaan (a) dan
penampang lintang (b) film tipis TiO2/Si(100): Tb(Ti)
= 50oC, Ts = 450oC, Pb(Ti) = 260 Torr, laju aliran gas
Ar(Ti) = 100 sccm, laju aliran gas O2 = 60 sccm
Film tumbuh dengan ketebalan sekitar 0,8
µm. Butiran penyusun film tumbuh berbentuk
kolumnar yang relatif homogen dan sangat kompak
(Gambar 1b). Hubungan antar butir sangat kuat
sebagaimana ditunjukkan oleh pola batas butir yang
jelas. Sebaran titik-titik nukleasi di permukaan
Gambar 3. Pola XRD film tipis TiO2/Si(100): Tb(Ti)
= 50oC, Ts = 550oC, Pb(Ti) = 260 Torr, laju aliran gas
Ar(Ti) = 100 sccm, laju aliran gas O2 = 60 sccm.
JMS Vol. 10 No. 1, Maret 2004
Film tipis TiO2:Co ditumbuhkan dengan
menggunakan parameter optimal penumbuhan seperti
yang diterangkan di atas dengan suatu prekursor
tambahan Co(TMHD). Atom Co disubstitusi secara
fraksial ke dalam matrik kisi material induk TiO2.
Laju aliran gas Ar yang dilewatkan ke dalam bubbler
Co(TMHD), yang berperan membawa uap
Co(TMHD) ke ruang penumbuhan, divariasikan,
yaitu: (a) 20 sccm, (b) 30 sccm, (c) 40 sccm, (d) 50
sccm, (e) 60 sccm, (f) 70 sccm dan (g) 90 sccm
dengan tekanan uap Pb(Co) yang sama, yaitu 260 Torr
dan temperatur bubbler Tb(Co) 100oC. Dari hasil uji
EDS, komposisi persen atom Co yang terkandung di
dalam masing-masing film yang dihasilkan adalah (a)
0,73% ; (b) 2,00% ; (c) 4,10% ; (d) 9,00% ; (e)
11,35% ; (f) 12,01% dan (g) 12,19%. Terjadi suatu
perubahan pada pola XRD. Bidang anatase-213 tidak
muncul, digantikan oleh bidang-bidang anatase-112,
anatase-211 dan anatase-301. Hal ini terjadi pada
film yang mengandung Co sampai pada konsentrasi
9%. Namun bidang anatase-213 kembali hadir
dengan suatu bidang tambahan anatase-301 yang
tidak dominan pada film yang memiliki konsentrasi
Co 11,35% (Gambar 4). Sementara morfologi
permukaan film berubah menjadi semakin kasar
dengan bertambahnya konsentrasi Co di dalamnya
(Gambar 5). Ada 3 kemungkinan yang menyebabkan
hal ini terjadi, yaitu: pertama, atom Co akan
mengganti atom Ti dan menghasilkan perubahan
panjang parameter kisi sehingga menyebabkan
berubahnya volume sel satuan; kedua, kehadiran
23
atom Co, apakah menggantikan posisi Ti atau masuk
secara liar (interstitial), memperbesar kekuatan
ikatan kohesi dari atom-atom yang telah terdeposisi
dengan atom-atom prekursor yang menghujani
permukaan butiran sehingga mempertinggi laju
penumbuhan
butiran.
Ketiga,
sebagaimana
dilaporkan pada referensi 4, atom Co dapat juga
membentuk kluster-kluster Co yang ukurannya
mencapai 150 nm untuk konsentrasi Co di atas 8%.
Jumlah dan ukuran kluster akan semakin banyak dan
besar pada saat konsentrasi Co bertambah. Film tipis,
dengan berbagai kandungan Co ini, diukur efek Hall
dan karakteristik transpot listriknya.
Gambar 4. Pola XRD film tipis TiO2:Co dengan
kandungan Co 11,35%.
Gambar 5. Potret SEM permukaan film tipis TiO2:Co dengan kandungan Co : (a) 2,00%, (b) 9,00% dan (c)
12,19%.
ρ Hall = Ro µ o H + R A µ o M S
1)
Karena atom Co adalah material magnetik
(feromagnetik), maka kehadiran Co di dalam matrik
di mana ρHall adalah resistivitas Hall, Ro adalah
kisi TiO2 membuat bahan semikonduktor ini bersifat
koefisien Hall biasa (ordinary Hall coefficient) , RA
magnetik. Pada material semikonduktor magnetik,
adalah
koefisien Hall anomali (anomaly all
seperti TiO2:Co, momen magnetik atom yang
coefficient)
atau koefisien Hall spontan akibat
terdapat di dalam material, memberikan pengaruh
terjadinya
magnetisasi
spontan dan µo adalah
(komponen tambahan) pada persamaan Hall karena
permeabilitas
ruang
hampa.
Suku kedua persamaan 1
terjadinya magnetisasi spontan (Ms). Jadi, persamaan
8)
(resistivitas
Hall
spontan)
secara konvensional
Hall-nya, selengkapnya ditulis menjadi :
24
menunjukkan suatu proses hamburan asimetri yang
melibatkan suatu interaksi spin-orbit antara elektron
konduksi dan momen magnetik atom di dalam
material. Pada medan magnetik rendah, dimana
saturasi magnetik belum tercapai, perilaku ρHall
didominasi oleh MS yang bergantung pada medan
luar H. Sementara, pada saat material telah
termagnetisasi seluruhnya (keadaan saturasi),
kebergantungan ρHall terhadap H adalah linier dan
diakibatkan oleh efek Hall biasa (suku pertama
persamaan 1).
Hasil pengukuran resistivitas Hall film tipis
TiO2:Co, yang ditumbuhkan seperti yang diterangkan
di atas dan yang diukur pada temperatur ruang,
sebagai fungsi H ditunjukkan pada Gambar 6.
Tampak bahwa terjadi suatu perubahan pada nilai
resistivitas Hall untuk berbagai kandungan atom Co
di dalam film. Perilaku resistivitas Hall sebagai
fungsi kuat medan H secara kasar terlihat terbagi dua.
Pertama, resistivitas Hall pada H kecil (1500 Oe).
Pertambahan resistivitas Hall sangat tajam pada saat
medan luar H lebih kecil dari 1500 Oe dan terjadi
pada semua film dengan kandungan Co yang
berbeda-beda. Penambahan kandungan atom Co
menambah pula besarnya resistivitas Hall.
Penambahan resistivitas Hall yang tajam pada H kecil
menunjukkan adanya kontribusi efek magnetisasi
spontan (Ms) yang terjadi pada momen magnetik
atom Co yang terkandung di dalam material. Momen
magnetik atom Co menghasilkan gaya Lorentz pada
muatan pembawa yang kekuatannya berbanding lurus
dengan laju magnetisasi. Film dengan kandungan Co
yang lebih besar memiliki pertambahan resistivitas
Hall yang lebih tajam. Penambahan yang tajam pada
resistivitas Hall tidak terjadi pada saat H telah
melebihi 1500 Oe. Secara tidak langsung hal ini
menginformasikan bahwa proses magnetisasi spontan
atom-atom Co yang terdapat di dalam film telah
mencapai keadaan saturasi. Hal ini sesuai dengan
hasil pengukuran magnetisasi salah satu film sebagai
fungsi medan luar H seperti ditunjukkan pada
Gambar 7. Magnetisasi mulai bersaturasi pada
H=1500 Oe.
Gambar 6. Resistivitas Hall film tipis TiO2:Co
sebagai fungsi kuat medan magnetik (H). Persentasi
kandungan atom Co untuk masing-masing film
adalah: (a) 0,73%; (b) 2,00%; (c) 4,10%; (d) 9,00%;
dan (e) 11,35%.
JMS Vol. 10 No. 1, Maret 2005
Respon transpot listrik film sebagai fungsi
temperatur juga diinvestigasi. Dari hasil pengukuran,
resistivitas
film
menunjukkan
karakteristik
semikonduktif (Gambar 8), dimana resistivitas film
bertambah dengan berkurangnya temperatur. Terjadi
suatu pertambahan yang tajam pada resistivitas
dibawah temperatur 120oC. Resistivitas minimum
setiap film berbeda, berawal pada temperatur sekitar
130oC. Demikian halnya dengan kemiringan grafik di
bawah temperatur 130oC.
Gambar 7. Kurva histeresis magnetisasi film tipis
TiO2:Co dengan persentasi kandungan Co = 9,00%.
Gambar 8. Resistivitas film tipis TiO2:Co sebagai
fungsi temperatur.
Sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 8
bahwa, penambahan konsentrasi atom Co ke dalam
film mempertinggi nilai resistivitas minimum.
Perubahan perilaku resistivitas minimum ini tentu
erat kaitannya dengan perubahan kondisi yang
terbangun di dalam material akibat perubahan
konsentrasi atom Co. Kehadiran atom Co dapat
berperan sebagai pengganti ion Ti4+ melalui suatu
proses substitusi. Proses subtitusi Co menghasilkan
ion Co2+, sehingga terjadi suatu pengosongan ion O2pada kisi kristal yang menghasilkan penambahan
konsentrasi muatan pembawa8). Pengosongan O akan
membangkitkan sebaran tegangan (strain) pada kisi
kristal film. Kehadiran atom Co dapat juga bersifat
liar (interstitial) sehingga juga menghasilkan cacad
pada kristal. Kedua kondisi ini memperbesar
resistivitas. Di lain pihak, atom Co dapat
memperbaiki struktur kristal TiO2-δ sehingga dapat
menurunkan resistivitas film8).
JMS Vol. 10 No. 1, Maret 2004
Dari data yang didapatkan, penambahan
kandungan Co dari 2% ke 9% terlihat memperbesar
resistivitas minimum, namun tidak signifikan. Tapi,
penambahan Co sebesar 11,35% memberikan
penambahan yang berarti. Hasil ini menunjukkan
bahwa kehadiran atom Co pada kristal TiO2
meningkatkan
nilai
resistivitas
minimum.
Sebagaimana disebutkan di atas, hal ini diperkirakan
disebabkan oleh adanya sebaran tegangan dan atau
cacat kristal yang jumlahnya semakin besar dengan
bertambahnya kandungan Co.
4.
2.
3.
4.
Kesimpulan
Telah ditumbuhkan dengan baik film tipis
TiO2:Co di atas subtrat Si(100) dengan metode
MOCVD. Konsentrasi persen atom Co divariasikan.
Dari hasil pengukuran resistivitas Hall sebagai fungsi
kuat medan luar H, efek magnetisasi spontan
teramati. Efek magnetisasi spontan ini dominan pada
H rendah (