SINTESIS FILM TIPIS BST DIDADAH NIOBIUM DAN TANTALUM SERTA APLIKASINYA SEBAGAI SENSOR CAHAYA FARIDA HURIAWATI

Transkripsi

1 SINTESIS FILM TIPIS BST DIDADAH NIOBIUM DAN TANTALUM SERTA APLIKASINYA SEBAGAI SENSOR CAHAYA FARIDA HURIAWATI SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009

2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Sintesis Film Tipis BST Didadah Niobium dan Tantalum serta Aplikasinya sebagai Sensor Cahaya adalah 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 tesis ini. Bogor, Juli 2009 Farida Huriawati NRP G

3 i ABSTRACT FARIDA HURIAWATI. Synthesis BST Thin Film doped by Niobium and Tantalum and It`s Application as Light Sensor. Under direction of IRZAMAN dan HUSIN ALATAS. In this research thin films of Barium Strontium Titanate (BST) has been synthesis with different compositions Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 and Ba 0,25 Sr 0,75 TiO 3 which doped by Nb 2 O 5 (Niobium) and Ta 2 O 5 (Tantalum) on Si (100) type-p substrate. Thin films were produced by chemical solution deposition technique (CSD) and spin coating technique with annealing temperature at 850 o C, 900 o C dan 950 o C. Rotation velocity at 3000 rpm and time of rotation is 30 seconds. Characterization of Films is electric Characterization (I-V Characterization), optic Characterization (absorbance ana reflectance) and light sensor responsibility to light intensity. From the Characterizations were obtained BNST thin film with 5% doping and anneling temperature at C as photodiode light sensor which applied in electronic circuit. This electronic circuit can be setted as otomatic onoff switch in light of street or park. Keywords : Thin Film, Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3, Ba 0,25 Sr 0,75 TiO 3, doping, Nb 2 O 5 (Niobium), Ta 2 O 5 (Tantalum), Si (100) type-p substrate, Chemichal Solution Deposition (CSD), spin coating, annealing temperature, absobance, reflectance, light intensity, photodiode light sensor

4 ABSTRAK FARIDA HURIAWATI. Sintesis Film Tipis BST Didadah Niobium dan Tantalum serta Aplikasinya sebagai Sensor Cahaya. Dibimbing oleh IRZAMAN dan HUSIN ALATAS. Pada penelitian ini telah disintesis film tipis Barium Strontium Titanate (BST) dengan komposisi Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 dan Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3 yang didoping dengan dengan Nb 2 O 5 (Niobium) dan Ta 2 O 5 (Tantalum) di atas substrat Silikon tipe-p. film ini diproduksi dengan teknik chemical solution deposition (CSD) dan teknik spin coating dan suhu anneling pada 850 o C, 900 o C dan 950 o C. kecepatan putar pada 3000 rpm dan waktu putar adalah 30 detik. Karakterisasi film adalah karakterisasi listrik (karakterisasi I-V) dan karakterisaswi optik (absorbansi dan reflektansi) dan uji respon sensor cahaya terhadap intensitas cahaya. Dari karakterisasi yang telah dilakukan diperoleh film tipis BNST dengan doping 5% dan suhu anneling 850 o C sebagai sensor fotodioda yang diaplikasikan pada rangkaian elektronik. Rangkaian elektronik ini dapat diset sebagai saklar otomatis on-off pada lampu jalan atau taman. Kata kunci : Film tipis, Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3, Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3, doping, Nb 2 O 5 (Niobium), Ta 2 O 5 (Tantalum), substrat Silikon tipe-p, Chemichal Solution Deposition (CSD), spin coating, annealing, absorbansi, reflektansi, intensitas cahaya, sensor cahaya fotodioda.

5 ii RINGKASAN FARIDA HURIAWATI. Sintesis Film Tipis BST Didadah Niobium dan Tantalum serta Aplikasinya sebagai Sensor Cahaya. Dibimbing oleh IRZAMAN dan HUSIN ALATAS. Akhir-akhir ini, terdapat peningkatan penggunaan ferroelektrik material yang diaplikasikan dalam berbagai hal diantaranya : sensor dengan detektornya menggunakan sifat pizzoelektrik, multilayer kapasitor dengan memanfaatkan nilai konstanta dielektrik yang tinggi, infra red detector yang memanfaatkan prinsip piroelektrik (Saha, 2000). Beberapa jenis meterial ferroelektrik yang sering dipergunakan antara lain : Barium Strontium Titanate (BST), Lead Zirconium Titanate (PZT), Strontium Titanate (STO). Barium Strontium Titanate (BST) thin film telah lama dipelajari sebagai salah satu material yang dapat diaplikasikan untuk Non Volatile Memory Device, Dynamic Random Access Memory (DRAM), voltage tunable device, Infra Red (IR) dan sensor kelembaban. Karakteristik sifat kelistrikan dan material (mikrostruktur) dari lapisan tipis BST banyak dipengaruhi oleh metode pembuatan film, jenis material doping, suhu annealing, dan ukuran grain (Tae Gon, 2006). Dalam proses pembuatan BST thin film, ada beberapa metode yang dipergunakan diantaranya Pulsed Laser Deposition (PLD), Metal Organic Solution Deposition (MOSD), Sol-Gel Process (Tae Gon, 2006) dan RF Magnetron Sputtering.Metode Chemical Solution Deposition (CSD) telah lama dikembangkan untuk penumbuhan perovskite thin film semenjak tahun 1980-an dan dipublikasikan oleh Fukashima et al (Schwartz, 1997). Ferroelektrik adalah material yang memiliki polarisasi listrik akibat medan listrik eksternal, polarisasi ini dapat dihilangkan oleh medan listrik eksternal yang arahnya berlawanan. Film tipis Barium stronsium titanat (BST) memiliki konstanta dielektrik tinggi, kebocoran arus rendah dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperatur Curie. Temperatur Curie pada barium titanat adalah 130 o C dengan adanya doping stronsium temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar. Film tipis BST telah difabrikasi dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation, dan sol-gel process (N. V. Giridharan et al, 2005). Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenai cahaya. Devices fotokonduktivitas dibuat dengan tujuan menghasilkan perubahan resistansi atau tegangan ketika disinari cahaya. Dengan demikian devices banyak digunakan sebagai ON-OFF devices, measuring devices, atau limited power sources (M. A. Omar,1993). Spin coating telah digunakan pada beberapa dekade untuk pembuatan film tipis. Prosesnya dengan mendeposisikan larutan di tengah-tengah substrat dan kemudian substrat diputar dengan kecepatan tinggi (biasanya 3000 rpm) selama 30 detik. Percepatan sentripetal akan menyebabkan larutan menyebar pada permukaan substrat dan terbentuklah film tipis. Ketebalan film tipis dan sifat lainnya bergantung pada sifat alami larutan (viskositas, laju pengeringan, persentase padatan, tegangan permukaan dan sebagainya) dan parameter yang dipilih pada proses spin coating. Faktor seperti kecepatan rotasi, percepatan dan

6 iii keadaan gas lingkungan berkontribusi terhadap sifat lapisan film. Salah satu faktor terpenting dalam spin coating adalah kemampuan pengulangannya. Pada penellitian ini telah berhasil dilakukan sintesis film tipis BST, BNST dan BTST menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan spin coating pada suhu annealing C, C dan C. Kemerataan lapisan, proses penyolderan dan kekuatan kontak sangat mempengaruhi karakteristik film tipis. Variasi kombinasi kontak pada film yang sama memberikan karakteristik yang berbeda. Penambahan doping pada film tipis BST memberikan karakteristik listrik dan optik yang lebih baik pada film tipis tersebut. Dari hasil karaktersasi yang dilakukan diperoleh bahwa film tipis BNST 5% dengan suhu annealling C memberikan respon paling baik terhadap intensitas cahaya yang mengenainya, sehingga diaplikasikan sebagai sensor cahaya pada rangkaian elektronika saklar otomatis. Respon dari sensor cahaya pada rangkaian mulai pada intensitas 38 Lux dan sangat ekstrim pada intensitas 400 sampai 580 Lux. BST dan BST dengan penambahan doping dalam penelitian ini telah menunjukan sifat istimewanya yang peka terhadap cahaya atau sifat fotoelektrik, sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor cahaya fotodioda. Kata kunci : Film tipis, Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3, Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3, doping, Nb 2 O 5 (Niobium), Ta 2 O 5 (Tantalum), substrat Silikon tipe-p, Chemichal Solution Deposition (CSD), spin coating, annealing, absorbansi, reflektansi, intensitas cahaya, sensor cahaya fotodioda.

7 Hak Cipta Milik IPB, tahun 2009 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pandidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan wajar IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

8 SINTESIS FILM TIPIS BST DIDADAH NIOBIUM DAN TANTALUM SERTA APLIKASINYA SEBAGAI SENSOR CAHAYA FARIDA HURIAWATI Tesis sebagai salah satu syarat untuk memeperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Biofisika SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009

9 Halaman Pengesahan Judul Tesis Nama NRP : Sintesis Film Tipis BST Didadah Niobium dan Tantalum serta Aplikasinya sebagai Sensor Cahaya : Farida Huriawati : G Disetujui Komisi Pembimbing Dr. Irzaman Ketua Dr. Husin Alatas Anggota Diketahui Ketua Program Studi Biofisika Dekan Sekolah Pascasarjana Dr.Akhiruddin Maddu Prof. Dr. Ir.Khairil A. Notodiputro, M.S Tanggal Ujian: 24 Juli 2009 Tanggal Lulus:

10 Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr

11 iv KATA PENGANTAR Assalamualikum Wr.Wb Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT karena atas segala rahmat dan karunia-nya, penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul Sintesa Film Tipis BST Didadah Niobium dan Tantalum serta Aplikasinya sebagai Sensor Cahaya. Penelitian ini sebagai salah satu syarat kelulusan program pascasarjana di Departemen Fisika Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Penulis ucapkan terima kasih kepada kedua orang tua, kakak dan saudarasaudara penulis yang selalu memberikan doa, nasehat dan semangat kepada penulis. Kepada Bapak Dr. Irzaman sebagai ketua komisi pembimbing dan Bapak Dr. Husin Alatas sebagai anggota komisi pembimbing yang selalu memberikan motivasi untuk segera menyelesaikan penelitian ini. Kepada Bapak Dr. Akhiruddin yang telah memberikan saran dan menyempatkan waktunya untuk berdiskusi mengenai penelitian ini. Kepada Ihsan, heri, teman material seperjuangan, teman satu kontrakan, dan rekan-rekan Biofisika yang telah banyak membantu penulis selama ini. Akhir kata, semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat untuk kita semua. Kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan untuk kemajuan dari aplikasi material yang dikembangkan ini. Semoga Allah SWT senantiasa melimpahkan rahmat dan karunianya untuk kita semua. Amiin. Bogor, Juli 2009 Penulis

12 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Ponorogo pada tanggal 21 Juli 1983 dari pasangan Bapak Kateni dan Ibu Darmini. Penulis merupakan putri kedua dari dua bersaudara. Penulis menempuh pendidikan di SD N Kepatihan 11 ( ), SLTP N 1 Ponorogo ( ), SMU N 1 Ponorogo ( ) dan tahun 2002 penulis masuk ke Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor melalui jalur USMI. Pada tahun 2007 penulis melanjutkan pendidikan sebagai mahasiswa Pascasarjana pada Program Studi Biofisika Institut Pertanian Bogor. v

13 1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penguasaan ilmu dasar dan teknologi film tipis sangat penting dalam pengembangan ilmu bahan pada masa mendatang. Penelitian bahan ferroelektrik saat ini diarahkan pada pengembangan device generasi baru sehubungan dengan sifatsifat yang dimilikinya. Akhir-akhir ini, terdapat peningkatan penggunaan ferroelektrik material yang diaplikasikan dalam berbagai hal diantaranya : sensor dengan detektornya menggunakan sifat piezoelektrik, multilayer kapasitor dengan memanfaatkan nilai konstanta dielektrik yang tinggi, infra red detector yang memanfaatkan prinsip piroelektrik (Saha, 2000). Beberapa jenis meterial ferroelektrik yang sering dipergunakan antara lain : Barium Strontium Titanate (BST), Lead Zirconium Titanate (PZT), Strontium Titanate (STO). Barium Strontium Titanate (BST) thin film telah lama dipelajari sebagai salah satu material yang dapat diaplikasikan untuk Non Volatile Memory Device, Dynamic Random Access Memory (DRAM), voltage tunable device, Infra Red (IR) dan sensor kelembaban. Karakteristik sifat kelistrikan dan material (mikrostruktur) dari lapisan tipis BST banyak dipengaruhi oleh metode pembuatan film, jenis material doping, suhu annealing, dan ukuran grain (Tae Gon, 2006). Dalam proses pembuatan BST thin film, ada beberapa metode yang dipergunakan diantaranya Pulsed Laser Deposition (PLD), Metal Organic Solution Deposition (MOSD), Sol-Gel Process (Tae Gon, 2006) dan RF Magnetron Sputtering. Metode Chemical Solution Deposition (CSD) telah lama dikembangkan untuk penumbuhan perovskite thin film semenjak tahun 1980-an dan dipublikasikan oleh Fukashima et al (Schwartz, 1997). HgCdTe atau MCT, mempunyai efisiensi kuantum yang tinggi, tetapi kerugiannya daerah operasi pada suhu Nitrogen (77 K). Sedangkan daerah operasi sensor (Ferroelektrik) pyroelektrik di sekitar suhu kamar selama di bawah suhu Currie (Tc = C). Oleh karena itu dalam penelitian ini dipilih bahan pyroelektrik sebagai bahan sensor. Cara pembuatan bahan pyroelektrik ini lebih mudah dibandingkan dengan MCT. Walaupun bahan pyroelektrik ini mempunyai kelemahan-kelemahan seperti waktu responnya tidak secepat sensor fotovoltaik,

14 2 namun juga memiliki kelebihan seperti untuk proses pembuatannya tidak memerlukan pendinginan, berarti pembuatannya layak dilakukan di laboratorium kampus di Indonesia. Dalam penelitian ini film tipis BST, BNST dan BTST dibuat dengan metode chemical solution deposition (CSD) dan spin coating di atas substrat Si tipe-p. Dari film tipis BST, BNST dan BTST yang telah dihasilkan akan dikarakterisasi sifat listrik, optik, dan kepekaan setiap film tipis sebagai sensor cahaya dilakukan dengan menggunakan multimeter. Selanjutnya dari film tipis BST, BNST atau BTST yang terbaik (sensitivitasnya tinggi terhadap sumber cahaya) akan diaplikasikan pada rangkaian elektronik saklar otomatis sensor cahaya. 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan umum dari penelitian ini adalah membuat film tipis fotodioda pyroelektrik BST, BNST dan BTST menggunakan metode chemical solution deposition (CSD) dan spin coating serta penerapannnya sebagai sensor cahaya untuk spektrum cahaya tampak yang mudah dibuat, dapat diandalkan, biaya murah, dapat mengguanakan komponen-komponen yang ada di pasaran, mudah diinstalasi dan mudah dikembangkan. Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat untuk memperoleh wawasan yang lebih luas tentang teknologi lapisan tipis BST dan dari sensor cahaya yang telah dihasilkan dapat diaplikasikan pada berbagai rangkaian elektronik dengan karakteristik dari film tipis yang dihasilkan. 1.3 Perumusan Masalah Dalam penelitian ini bahan BST, BNST dan BTST dibuat dengan metode chemical solution deposition (CSD) yang mengoptimasi parameter penumbuhan lapisan tipis mencakup : kelarutan, kecepatan putar, suhu annealing, lama annealing, jenis pendadah dan persentase pendadah yang digunakan pada sintesis lapisan tipis BST, BNST dan BTST. Masalah penelitian ini difokuskan pada kajian teoritis dan eksperimen dari penerapan film tipis BST, BNST dan BTST sebagai saklar otomatis sensor cahaya

15 3 untuk spektrum cahaya tampak menggunakan metode CSD dan spin coating yang mencakup : Variasi pendadahan Tantalum pentoksida (Ta 2 O 5 ) 2,5%, dan 5% (BTST) di atas substrat Si (100) tipe-p. Variasi pendadahan Niobium pentoksida (Nb 2 O 5 ) 2,5%, dan 5% (BNST) di atas substrat Si (100) tipe-p. Tanpa pendadah (0%) di atas substrat Si (100) tipe-p (BST). Variasi suhu annealing pada C, C dan C. Dari film tipis BST, BNST dan BTST yang telah dihasilkan akan dikarakterisasi sifat listriknya yaitu : kurva I-V. Untuk karakterisasi sifat optiknya digunakan serat optik sebagai sumber cahaya tampak yang telah dihubungkan dengan suatu program Oceanooptik untuk mengetahui kemampuan absorbansi dan reflektansi dari film tipis yang telah dihasilkan. Uji kepekaan setiap film tipis sebagai sensor cahaya dilakukan dengan menggunakan multimeter. Selanjutnya dari film tipis BST, BNST atau BTST yang terbaik (sensitivitasnya tinggi terhadap sumber cahaya tampak) akan diaplikasikan pada rangkaian elektronik saklar otomatis sensor cahaya. Dari film tipis yang telah diapikasikan sebagai sensor cahaya pada rangkaian elektronik saklar otomatis dapat diuji responnya terhadap intensitas cahaya yang mengenainya.

16 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bahan Ferroelektrik Film tipis ferroelektrik banyak digunakan dalam aplikasi untuk piranti elektrooptik dan elektronik. Bahan pyroelektrik dan piezoelektrik merupakan sub kelompok dari bahan ferroelektrik. Bahan ferroelektrik (tercakup di dalamnya pyroelektrik) seperti LiTaO 3, Ba x Sr 1-x TiO 3 dan turunannya (Ba x Sr 1-x TiO 3 didadah dengan Indium). Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara spontan pada material tanpa gangguan medan listrik dari luar. Ferroelektrifitas merupakan fenomena yang ditunjukkan oleh kristal dengan suatu polarisasi spontan dan efek histerisis yang berkaitan dengan perubahan dielektrik dalam menanggapi penerapan medan listrik. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melampaui 1 Gbit, pada lapisan dielektrik semikonduktor diharuskan ukuran sel direduksi besar-besaran, sehingga dianggap tidak praktis lagi, sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada switch termal infra merah, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelektrik Random Acsess Memory (NVFRAM) (Azizahwati, 2002). Sedangkan daerah operasi sensor ferreoelektrik (yang juga pyroelektrik) di sekitar suhu kamar selama di bawah suhu Curie (T c = C). Dalam penelitian ini dipilih bahan ferroelektrik (yang juga pyroelektrik) sebagai bahan untuk sensor cahaya dengan alasan cara pembuatan bahan ferroelektrik ini lebih mudah dan dapat dibuat dalam lingkungan yang tidak memerlukan pendinginan, berarti pembuatannya mudah dilakukan di laboratorium kampus Indonesia. Ferroelektrik menunjukkan bahwa kelompok material dielektrik yang dapat terpolarisasi listrik secara internal pada rentang temperatur tertentu. Polarisasi terjadi di dalam dielektrik sebagai akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri pada struktur kristalografi di dalam sel satuan. Jika pada material ferroelektrik dikenakan

17 5 medan listrik, maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran dan menimbulkan momen dipol listrik. Momen dipol ini yang menyebabkan polarisasi. Momen dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisai dielektrik (J. Y. Seo, 2004). Kurva hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E) ditunjukkan pada Gambar 1. Ketika kuat medan listrik ditingkatkan maka polarisasi meningkat cepat (OA) hingga material akan mengalami kondisi saturasi (AB). Jika kuat medan diturunkan, polarisasinya tidak kembali lagi ke titik O, melainkan mengikuti garis BC. Ketika medan listrik tereduksi menjadi nol, material akan memiliki polarisasi remanan (Pr) (OC). Untuk menghapus nilai polarisasi dari material akan memiliki polarisasi dari material dapat dilakukan dengan menggunakan sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga dari medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan koersif (E c ). Jika medan listrik kemudian dinaikkan kembali, maka material akan kembali mengalami saturasi, hanya saja bernilai negatif (EF). Putaran kurva akan lengkap jika medan listrik dinaikkan lagi dan pada akhirnya akan didapatkan kurva hubungan polarisasi (P) dengan medan koersif (Ec) yang ditunjukan loop histerisis (A. Marwan, 2007). 2.2 Bahan Barium Stronsium Titanat (BST) Barium Stronsium Titanat (BST) adalah film tipis yang berpotensi untuk DRAM dan NVRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi, kebocoran arus rendah dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperatur Curie. Temperatur Curie pada Barium Titanat adalah C dan dengan adanya doping Stronsium temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada device yang memerlukan temperatur kamar. Film tipis BST telah difabrikasi dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation dan sol-gel process (N. V. Giridharan et al, 2001). Kenaikan temperatur annealing akan menaikkan ukuran grain dalam kristal film tipis BST. Pada suhu annealing C struktur BST yang teramati adalah struktur kubik dengan konstanta kisi a = 3,97 Å untuk 30% mol Stronsium. Konstanta dielektriknya diukur dari kurva C-V kira-kira 120 dengan faktor disipasi

18 6 0,0236. Kebocoran rapat arus dari film adalah 4x10-8 A/cm dari perhitungan I-V menggunakan device peralatan fabrikasi (N. V. Giridharan et al, 2001). Teknologi kapasitor BST multi-layer dengan kerapatan tinggi menawarkan keuntungan yang jelas untuk mendapatkan variasi modul dan paket elektronik. Kapasitor BST memiliki keuntungan yaitu memiliki range 0.5 pf sampai 500 nf, kapasitor bypass dan berbagai macam kapasitansi yang bisa dihubungkan dengan sebuah chip pasife singel film tipis. Chip kecil kapasitor multi fungsi bisa meningkatkan performa dan mereduksi ukuran Multi-chip module (MCM) dan Systems-in-Package (Si P), lihat Gambar 2. (Thomas et al, 2004) Gambar 1 Kurva histerisis. Gambar 2 Chip kapasitor BST. Gambar 3 Struktur Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (a) Polarisasi ke atas (b) Polarisasi kebawah

19 7 Berikut Persamaan reaksi Barium Stronsium Titanate (BST) : (x)ba(ch 3 COO) 2 + (1-X) Sr(CH 3 COO) 2 + y Ti(C 12 H 23 O 4 ) + zo 2 a Ba (X) Sr (1X) TiO 3 + bco 2 + c H 2 O (2.1) 0,5Ba(CH 3 COO) 2 + 0,5 Sr(CH 3 COO) 2 + Ti(C 12 H 28 O 4 ) + 22 O 2 Ba 0,5 Sr 0,5 TiO H 2 O + 16CO 2 (2.2) 0.25Ba(CH 3 COO) Sr(CH 3 COO) 2 +Ti(C 12 O 4 H 28 )+22O 2 Ba 0.25 Sr 0.75 TiO H 2 O+16CO 2 (2.3) Film tipis Ba x Sr 1-x TiO 3 (BST) merupakan material ferroelektrik yang banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik yang tinggi (ε r >> ε SiO 2 ) dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity) yang dapat diaplikasikan sebagai kapasitor (A. Marwan. 2007). Beberapa penelitian juga berpendapat bahwasana BST memiliki potensi untuk mengganti lapisan tipis SiO 2 pada sirkuit MOS di masa depan. Dari penelitian yang telah dilakukan sampai saat ini, lapisan tipis BST biasanya memiliki konstanta dielektrik yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya. Struktur mikro butir yang baik, tingkat tekanan yang tinggi, kekosongan oksigen, formasi lapisan interfacial dan oksidasi pada bottom electrode atau Si dipercaya menjadi faktor yang menyebabkan penurunan sifat listrik ini (A. Marwan. 2007). 2.3 Bahan Pendadah Tantalum Pentoksida (Ta 2 O 5 ) Penambahan sedikit pendadah dapat menyebabkan perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari keramik ataupun film tipis (A. C. W. Utami. 2007). Bahan pendadah material ferroelektrik dibedakan menjadi dua jenis, yaitu soft dopan dan hard dopan. Ion soft dopan dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi lebih soften, yaitu koefisien elastis lebih tinggi, sifat medan koersif yang lebih rendah, faktor kualitas mekanik yang lebih rendah dan kualitas listrik yang lebih rendah. Soft dopan disebut juga dengan istilah donor dopan karena menyumbang valensi yang berlebih pada struktur kristal BST. Ion hard dopan dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi lebih hardness, seperti loss dielectric yang rendah, bulk resistivitas lebih rendah, sifat medan koersif lebih tinggi, faktor kualitas mekanik lebih tinggi dan

20 8 faktor kualitas listrik lebih tinggi. Hard dopan disebut juga dengan istilah acceptor dopan karena menerima valensi yang berlebih di dalam struktur kristal BST (A. C. W. Utami. 2007). Tantalum merupakan logam yang memiliki kemiripan sifat-sifat kimia dengan unsur non logam, Tantalum jarang sekali didapati dalam bentuk kation tetapi lebih sering didapati sebagai anion. Beberapa persenyawaan yang penting dari Tantalum adalah halida dan oksida halida yang bersifat volatil dan cepat terhidrolisis. Beberapa sifat dari Tantalum adalah logam mengkilat, titik lelehnya tinggi C, tahan terhadap asam, dapat larut dalam campuran HNO 3 -HF, bereaksi lambat dengan leburan NaOH. Ta 2 O 5 merupakan persenyawaan dengan oksigen yang berbentuk serbuk putih dan bersifat inert, tidak larut dengan semua asam kecuali dengan HF pekat serta dapat larut dalam leburan NaOH dan NaHSO 4. Persenyawaan halida Tantalum adalah pentafluorida, dibuat dari reaksi fluorinasi dari logamnya, merupakan padatan putih volatil, dalam keadaan cair tidak berwarna dan volatil. Persenyawaan halida tantalum yang lain adalah pentaklorida dibuat melalui reaksi klorinasi dari logamnya, merupakan padatan kuning, terhidrolisis menjadi hidrat oksida (Darjito, 1996). Penambahan Tantalum pentaoksida akan mendapatkan bahan pyroelektrik bersifat menyerupai semikonduktor tipe-n (donor doping) (A. C. W. Utami, 2007). Gambar 4 dan 5 menjelaskan keadaan tersebut. Soft dopan berperan penting dalam pembentukan ruang kosong pada posisi A struktur perovskite akibat ion Ba tidak dapat dengan mudah melompat ke ruang kosong A karena terhalang ikatan ionik oksigen (Darjito. 1996). Penambahan presentase bahan pendadah mengakibatkan nilai karakterisasi I-V sel surya mengalami perubahan (A. C. W. Utami, 2007). Pada annealing dengan temperatur tinggi dapat mengakibatkan film tipis BTST yang telah dideposisi menguap sehingga mengurangi kualitas kristal film tipis BTST. Dengan adanya penambahan Tantalum pentaoksida sebesar 10%, bahan pendadah yang tidak mengalami penguapan, maka lapisan film tipis BTST (semikonduktor tipe-p) akan lebih banyak terisi Tantalum pentaoksida, sehingga akan meningkatkan sifat listriknya. Penambahan Tantalum pentaoksida meningkatkan efisiensi sel surya fotoelektrokimia, ditunjukkan pada penelitian yang telah dilakukan (A. C. W. Utami, 2007).

21 9 Gambar 4 Struktur Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 didadah Tantalum pentaoksida. Gambar 5 Donor dopan. 2.4 Fotodioda Dioda adalah sambungan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi anoda sedangkan bahan tipe-n akan menjadi katoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, dioda bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan positif, sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan negatif sedangkan katoda mendapatkan tegangan positif). Kondisi tersebut terjadi hanya pada dioda ideal. Pada dioda faktual (riil), perlu tegangan lebih besar dari 0,7 V (untuk dioda yang terbuat dari bahan silikon). Tegangan sebesar 0,7 V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Dioda yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3 V ( Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenai cahaya. Fotodioda dapat dianggap sebagai baterai solar, tetapi biasanya mengacu pada sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh dioda foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-x. Pada Gambar 6 memperlihatkan penampang bagian dari fotodioda. Fotodioda memiliki daerah permukaan aktif yang ditumbuhkan di atas permukaan substrat, yang pada akhirnya akan menghasilkan persambungan p-n. Ketebalan lapisan yang

22 10 ditumbuhkan biasanya memiliki ketebalan 1 µm atau lebih kecil lagi dan pada daerah persambungan lapisan-p dan lapisan-n terdapat daerah deplesi. Daerah spektral dan frekuensi aktif dari fotodioda bergantung pada ketebalan lapisan atau doping ( Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron dalam struktur kristalnya akan terstimulus. Jika energi cahaya lebih besar dari pada energi band gap Eg, elektron akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan hole pada pita valensi. Pada Gambar 7 terlihat pasangan elektron-hole terjadi pada lapisan-p dan lapisan-n. Di dalam lapisan deplesi medan listrik mempercepat elektron-elektron ini menuju lapisan-n dan hole menuju lapisan-p. Pasangan elektron-hole dihasilkan di dalam lapisan-n, bersamaan dengan elektron yang datang dari lapisan-p sama-sama akan menuju pita konduksi di sebelah kiri (pita konduksi). Pada saat itu juga hole didifusikan melewati lapisan deplesi dan akan dipercepat, kemudian hole ini akan dikumpulkan pada pita valensi lapisan-p. Pasangan elektron-hole yang dihasilkan sebanding dengan cahaya yang diterima oleh lapisan-p dan lapisan-n. Muatan positif dihasilkan pada lapisan-p dan muatan negatip pada lapisan-n. ( Gambar 6 Penampang melintang Fotodioda. Gambar 7 Keadaan fotodioda persambungan p-n.

23 11 Gambar 8 Konsep fotokonduktivitas. 2.5 Fotokonduktivitas Devices fotokonduktivitas dibuat dengan tujuan menghasilkan perubahan resistansi atau tegangan ketika disinari cahaya. Dengan demikian devices banyak digunakan sebagai ON-OFF devices (saklar), measuring devices, atau limited power sources (M. A. Omar. 1993). Fenomena fotokonduktivitas terjadi ketika sinar cahaya jatuh pada sebuah semikonduktor dan menyebabkan meningkatnya konduktivitas listrik. Ini berhubungan dengan eksitasi elektron melalui energi bandgap, yang menyebabkan peningkatan pasangan elektron-hole dan meningkatkan konduktivitas listrik. Eksitasi hanya dapat terjadi jika h ν > E (M. A. Omar. 1993). Konsep fotokonduktivitas diilustrasikan pada Gambar 7. Sebelum ada cahaya yang menyinari, konduktivitasnya diberikan oleh Persamaan 1. o g ( n μ p μ ) σ = e + (2.4) di mana n o dan p o adalah konsentrasi pada kesetimbangan, dan σ o adalah konduktivitas dalam ruang gelap. Ketika cahaya jatuh pada semikondutor akan ada peningkatan konsentrasi pembawa bebas sebesar n dan p dan arus meningkat dengan tiba-tiba. Jika elektron dan hole selalu tercipta secara berpasangan maka akan didapatkan n = p. konduktivitas sekarang menjadi di mana adalah o h σ = σ o o o σ = σ o o + eδn + eδn e o h ( μ e + μ h ) μ ( 1 + b) h (2.5) b = μ μ, adalah perbandingan mobilitas. Peningkatan relatif konduktivitas o ( b) Δ σ eδnμ + h 1 = σ σ o (2.6)

24 12 Faktor yang mempengaruhi variasi n terhadap waktu yaitu; carrier (pembawa) bebas yang terus tercipta secara kontinu saat disinari cahaya dan hilangnya carrier secara kontinu juga akibat rekomedasi. Adanya rekomedasi menyebabkan terjadinya kondisi tidak seimbang. Variasi konsentrasi terhadap waktu diberikan oleh persamaan; dn n n = g o (2.7) ' dt τ di mana g adalah laju generasi elektron per-satuan volume terhadap penyerapan cahaya. τ disebut waktu rekomendasi. 2.6 Penguat Operasional Pengenalan Penguat Operasional Operational Amplifier atau disingkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan kali ini akan dipaparkan beberapa aplikasi op-amp yang paling dasar, dimana rangkaian feedback (umpan balik) negatif memegang peranan penting. Secara umum, umpan balik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan umpan balik negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur Op-Amp Ideal Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp seperti yang telah dimaklumi ada yang dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 dan LM358 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 10 4 ~ Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi tidak stabil dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Di sinilah peran rangkaian negative feedback (umpan balik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatan yang terukur (finite). Impedansi input op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap masukannya adalah nol.

25 13 Sebagai perbandingan praktis, op-amp LM741 memiliki impedansi input Z in = 10 6 Ohm. Nilai impedansi ini masih relatif sangat besar sehingga arus input op-amp LM741 mestinya sangat kecil. Ada dua aturan penting dalam melakukan analisa rangkaian op-amp berdasarkan karakteristik op-amp ideal. Aturan ini dalam beberapa literatur dinamakan golden rule, yaitu : Aturan 1 : Perbedaan tegangan antara input v + dan v - adalah nol (v + - v - = 0 atau v + = v - ) Aturan 2 : Arus pada input Op-amp adalah nol (i + = i - = 0) Inilah dua aturan penting op-amp ideal yang digunakan untuk menganalisa rangkaian op-amp Inverting Amplifier Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 9, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Seperti tersirat pada namanya, pembaca tentu sudah menduga bahwa fase keluaran dari penguat inverting ini akan selalu berbalikan dengan masukannya. Pada rangkaian ini, umpan balik negatif dibangun melalui resistor R2. Input non-inverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground atau v + = 0. Dengan mengingat dan menimbang aturan 1, maka akan dipenuhi v - = v + = 0. Karena nilainya = 0, namun tidak terhubung langsung ke ground, input op-amp v - Pada rangkaian ini dinamakan virtual ground. Dengan fakta ini, dapat dihitung tegangan jepit pada R1 adalah v in v - = v in dan tegangan jepit pada resistor R2 adalah v out v - = v out. Kemudian dengan menggunakan aturan 2, diketahui bahwa : i in + i out = i - = 0, karena menurut aturan 2, arus masukan op-amp adalah nol. i in + i out = v in /R1 + v out /R2 = 0 Selanjutnya v out /R2 = - v in /R1... atau v out /v in = - R2/R1 Jika penguatan G didefenisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka dapat ditulis :

26 14 Vout Rf Gain, Av = Vin = Rin (2.8) Impedansi rangkaian inverting didefenisikan sebagai impedansi input dari sinyal masukan terhadap ground. Karena input inverting (-) pada rangkaian ini diketahui adalah nol (virtual ground), maka impedansi rangkaian ini tentu saja adalah Z in = R Non Inverting Amplifier Prinsip utama rangkaian penguat non-inverting adalah seperti yang diperlihatkan pada gambar 10 berikut ini. Seperti namanya, penguat ini memiliki masukan yang dibuat melalui input non-inverting. Dengan demikian tegangan keluaran rangkaian ini akan satu fasa dengan tegangan inputnya. Untuk menganalisa rangkaian penguat op-amp non inverting, caranya sama seperti menganalisa rangkaian inverting. Dengan menggunakan aturan 1 dan aturan 2, kita uraikan dulu beberapa fakta yang ada, antara lain : v in = v + v + = v - = v in... lihat aturan 1. Dari sini ketahui tegangan jepit pada R 2 adalah v out v - = v out v in, atau i out = (v out -v in )/R 2. Lalu tegangan jepit pada R 1 adalah v - = v in, yang berarti arus i R1 = v in /R 1. Gambar 9 Rangkaian Inverting.

27 15 Hukum kirchkof pada titik input inverting merupakan fakta yang mengatakan bahwa : i out + i (-) = i R1 Aturan 2 mengatakan bahwa i (-) = 0 dan jika disubtitusi ke rumus yang sebelumnya, maka diperoleh i out = i R1 dan Jika ditulis dengan tegangan jepit masing-masing maka diperoleh (v out v in )/R 2 = v in /R 1 yang kemudian dapat disederhanakan menjadi : v out = v in (1 + R 2 /R 1 ) Jika penguatan G adalah perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka didapat penguatan op-amp non-inverting : Vout R1 Gain, Av = = + 1 (2.9) Vin R2 Impedansi untuk rangkaian Op-amp non inverting adalah impedansi dari input non-inverting op-amp tersebut. Dari data sheet, LM741 diketahui memiliki impedansi input Z in = 10 8 to Ohm Pengikut Tegangan (Voltage Follower) Dari gambar yang ditunjukan dibawah ini dapat dijelaskan tentang tegangan pengikut sebagai berikut : Dimana Vin mempunyai masukan tegangan DC Ciri-cirinya: Vout = Vin (2.10) Vout Gain, Av = = 1 (2.11) Vin Memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi (lebih dari 100 KΩ) Memiliki impedansi keluaran yang sangat rendah (lebih kecil dari 75 Ω) Ada banyak IC op-amp dengan harga yang bervariasi. Berikut ini adalah contoh IC LM358 dan LM741 yang digunakan sebagai op-amp dan komparator berbagai macam aplikasi.

28 16 Gambar 10 Rangkaian Non Inverting. Gambar 11 Rangkaian Voltage Follower. Gambar 12 LM358 (a) op-amp dan LM741 (b) op-amp.

29 Tempat dan Waktu Penelitian BAB III METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Material Departemen Fisika IPB dari bulan September 2008 sampai dengan bulan Juni Bahan dan Alat Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, reaktor spin coating, mortal, pipet, gelas ukur Iwaki 10 ml, hot plate, pinset, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petritis, tissue, isolasi, doubletip dan blower PT310AC, Bransonic 2510, Light Meter Lutron LX-100, Lampu bohlam 60 Watt. Komponen-komponen yang digunakan dalam rangkaian elektronik sensor cahaya (Trimpot 100 KΩ, 200 KΩ, Resistor 220 Ω, 10 KΩ, 100 KΩ, 1 MΩ, IC Op Amp LM741 dan LM358, Kapasitor 1000µF/16V, 220µF/25V, 100nJ, Relay 5V, Dioda 1N4007, IC VReg LM7805, Transistor C9013, Transformator 500 ma, Saklar, PCB IC, Pin Header, Buzzer, Lampu Neon, kawat atau kabel). Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bubuk Barium Asetat [Ba(CH 3 COO) 2, 99%], Stronsium Asetat [Sr(CH 3 COO) 2, 99%], Titanium Isopropoksida [Ti(C 12 O 4 H 28 ), %], Tantalum Pentoksida [(Ta 2 O 5 )], Niobium Oksida [(Nb 2 O 5 )], pelarut 2-metoksietanol [H 3 COCH 2 CH 2 OH, 99%], substrat Si (100) tipe-p, aquabides, HF (asam florida), kaca preparat dan alumunium foil. 3.3 Prosedur Penelitian Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Spin coating telah digunakan pada beberapa dekade untuk pembuatan film tipis. Prosesnya dengan mendeposisikan larutan di tengah-tengah substrat dan kemudian substrat diputar dengan kecepatan tinggi (biasanya 3000 rpm) selama 30 detik. Percepatan sentripetal akan menyebabkan larutan menyebar pada permukaan substrat dan terbentuklah film tipis. Ketebalan film tipis dan sifat lainnya bergantung pada sifat alami larutan (viskositas, laju pengeringan, persentase padatan, tegangan permukaan dan sebagainya) dan parameter yang dipilih pada proses spin coating. Faktor seperti kecepatan rotasi, percepatan dan keadaan gas lingkungan berkontribusi

30 18 terhadap sifat lapisan film. Salah satu faktor terpenting dalam spin coating adalah kemampuan pengulangannya. Ciri khas proses spin coating terdiri dari menyiapkan larutan dan pendeposisian di permukaan substrat, pemutaran spin coating, penghilangan pelarut dari film yang dihasilkan. Kecepatan spin coating mempengaruhi derajat gaya sentrifugal yang diberikan pada fluid resin dan karakteristik turbulen udara di atasnya. Secara khusus kecepatan spin akan berpengaruh pada ketebalan film. Perubahan variasi spin ± 50 rpm akan menyebabkan ketebalan berubah kira-kira 10%. Ketebalan film sebagian besar sebanding dengan gaya yang diberikan untuk meratakan larutan pada substrat dan laju pengeringan yang mempengaruhi viskositas larutan ( Gambar 13 adalah grafik yang menggambarkan trend untuk variasi parameter proses. Katebalan film tipis akan berbanding terbalik dengan kecepatan dan waktu spin. Ketebalan film akan sebanding dengan volume gas buang hasil putaran dan akan berbanding terbalik dengan keseragaman ketebalan film tipis ( Gambar 13 Hubungan ketebalan film tipis terhadap (a) kecepatan spin coating (b) lama spin coating (c) Exhause volume. (d) hubungan exhause volume terhadap keseragaman ketebalan film tipis.

31 Aplikasi OP-AMP : Current-to-Voltage Converter Ada beberapa device yang keluarannya berupa arus. Sehingga untuk mendapatkan informasi beberapa karakteristik listrik dari device tersebut dapat digunakan rangkaian aplikasi OP-AMP. Salah satu aplikasinya adalah rangkaian Curren-to-Voltage Converter. Contohnya device yang keluarannya arus adalah photodiode atau photodetector Pembuatan Film Tipis Persiapan Substrat Si Tipe-p Substrat yang digunakan adalah substrat Si (100) tipe-p. Substrat dipotong membentuk segiempat dengan menggunakan mata intan. Substrat yang telah dipotong kemudian dicuci dengan menggunakan asam flurida (HF) 5% dicampur dengan aquades sebanyak 2%. Pencucian dilakukan dengan mencelupkan substrat ke dalam larutan, indikator bersih jika air yang ada pada permukaan substrat langsung hilang (gaya kohesi antara air dan substrat kecil). Setelah terlihat indikator tersebut substrat langsung ditempatkan di atas spin coating untuk membuang air yang tersisa Pembuatan Larutan BST, BNST dan BTST Film tipis BaSrTiO 3 yang ditumbuhkan di atas substrat dengan metode CSD dibuat dengan cara Barium Asetat [Ba(CH 3 COO) 2, 99%] + Stronsium Asetat [Sr(CH 3 COO) 2, 99%] + Titanium Isopropoksida [Ti(C 12 O 4 H 28 ), 99.99%] + bahan pendadah sebagai precursor dan 2-metoksietanol [H 3 COOCH 2 CH 2 OH, 99.9%] sebagai bahan pelarut. Dalam penelitian ini digunakan fraksi molar untuk Ba sebesar 0,5 dan 0,25 sedangkan fraksi molar untuk Sr sebesar 0,5 dan 0,75. Untuk pembuatan larutan BSTT, metode CSD yang digunakan sama seperti pada pembuatan larutan BST. Hanya saja pada BTST ditambahkan bubuk Tantalum Pentoksida (Ta 2 O 5 ) sebanyak 2.5% dan 5% dari BST yang terbentuk. Hal yang sama untuk larutan BNST yaitu dengan pendadah Niobium. Untuk mendapatkan komposisi yang sesuai dengan yang diharapkan, bahan-bahan tersebut sebelumnya diperhalus dengan spatula dan ditimbang dengan menggunakan neraca analitik sebelum dilakukan pencampuran. Setelah bahan-bahan dicampur, larutan dikocok selama 1 jam dengan menggunakan Bransonic Setelah itu larutan disaring untuk mendapatkan larutan yang bersifat homogen.

32 Proses Penumbuhan Film Tipis Substrat silikon (100) tipe-p yang telah dicuci dengan larutan asam flurida (HF) 5% dicampur dengan aquades sebanyak 2% siap dilakukan penumbuhan film tipis dengan menggunakan reaktor spin coating. Piringan reaktor spin coating di tempel dengan doubletip di tengahnya, kemudian substrat diletakkan di atasnya. Penempelan doubletip ini, agar substrat tidak terlepas saat piringan reaktor spin coating berputar. Substrat yang telah ditempatkan di atas piringan spin coating ditetesi larutan BST, BNST atau BTST sebanyak 1 sampai 2 tetes. Kemudian reaktor spin coating diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Proses penetesan dilakukan sebanyak 3 kali. Setelah penetesan, substrat diambil dengan menggunakan pinset dan kemudian dipanaskan di atas hot plate selama 1 jam untuk menguapkan sisa pelarut yang masih tersisa. Proses selanjutnya adalah annealing yang bertujuan mendifusikan larutan BST, BNST atau BTST dengan substrat. Proses penumbuhan film tipis dapat diihat pada gambar Proses annealing Proses annealing pada suhu yang berbeda akan menghasilkan karakterisasi film tipis yang berbeda dalam hal struktur kristal, ketebalan dan ukuran butir. Substrat (100) tipe-p yang telah ditumbuhi lapisan tipis BST, BNST atau BTST (2,5% dan 5% ), kemudian dilakukan proses annealing pada suhu C, C, dan C untuk substrat Si (100) tipe-p. Masing-masing dilakukan selama 15 jam. Proses annealing dilakukan secara bertahap, dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu annealing yang diinginkan dengan kenaikan suhu pemanasan 1,7 0 C/menit. Setelah kenaikan suhu selama 9 jam kemudian pemanas disesuaikan dengan suhu annealing secara konstan selama 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace cooling secara manual sampai didapatkan kembali suhu ruang. Proses annealing dapat ditunjukkan seperti terlihat pada Gambar 15.

33 21 Gambar 14 Proses Penumbuhan film tipis. Gambar 15 Proses annealing. BST/BNST/BTST Si (100) tipe-p Gambar 16 Prototipe sel Fotovoltaik tampak atas.

34 Pembuatan Kontak Pada Film Tipis Setelah dilakukan proses annealing, proses selanjutnya adalah persiapan pembuatan kontak yang meliputi proses penganyaman film tipis dengan ukuran 1 mm x 1mm menggunakan aluminium foil, metalisasi yang dilakukan di Fisika Material Institut Teknologi Bandung (ITB). Bahan kontak yang dipilih adalah Aluminium 99,999%. Setelah kontak terbentuk maka proses selanjutnya adalah pemasangan hider dan penyolderan kawat tembaga pada kontak, agar proses karakterisasi film tipis dapat dilakukan dengan mudah. Gambar dari film tipis yang telah diberi kontak dan hider ditunjukkan oleh Gambar Karakterisasi Karakterisasi Kurva Arus-Tegangan (I-V) Karakterisasi kurva I-V ini akan dilakukan di Lab. Fisika Material IPB menggunakan I-V-Meter. Dari kurva yang didapatkan akan diketahui film tipis yang ditumbuhkan apakah bersifat sebagai dioda, resistansi atau kapasitansi. Hasil pengukuran berupa kurva hubungan antara arus dan tegangan. Arus berada pada sumbu vertikal dan tegangan yang pada sumbu horizontal merupakan variable bebas. Perlakukan yang diberikan adalah tegangan input sampai 8 Volt dengan skala 0,2 Volt. Data keluaran dari alat tersebut adalah nilai arus dan tegangan. Dari data tersebut dibuat hubungan antara tegangan dan arus menggunakan Microsoft Excel. Karakterisasi I-V dilakukan pada dua kondisi yaitu pada kondisi gelap dan kondisi terang yang disinari lampu 40 Watt (578 Lux) untuk semua film tipis dan semua kombinasi kontak pada film yang sama. Kombinasi kontak dalam satu film yang sama adalah perubahan kombinasi dari kontak di substrat dan di lapisan. Terdapat dua kontak di substrat dan dua kontak di lapisan film, sehingga terdapat empat kombinasi kontak yang dapat dikarakterisasi Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis Karakterisasi sifat optik dari film tipis dilakukan di Lab. Fisika IPB menggunakan serat optik sebagai sumber cahaya tampak yang memiliki panjang gelombang dari 339 nm sampai 1022 nm dengan menggunakan metode refleksi. Kemudian perangkat alat ini dihubungkan dengan suatu software dengan program oceanoptic, sehingga diperoleh kurva persen absopsi terhadap panjang gelombang

35 23 dan reflektansi terhadap panjang gelombang. Dari kurva yang diperoleh dapat dianalisis sifat optik dari film tipis. 3.5 Pembuatan Rangkaian Elektronika Rangkaian elektronika yang akan digunakan pada penelitian ini adalah rangkaian elektronik saklar otomatis menggunakan sensor fotodioda. Sensor fotodioda yang digunakan pada rangkaian adalah sensor cahaya BST atau BNST atau BTST yang memiliki respon terhadap cahaya paling baik. Sebagai sensor cahaya, sensor BST (Barium Strontium Titanium) nilai tegangannya akan berubah drastis jika disinari. Dengan menggunakan multimeter dapat diukur range perubahan tegangan dengan perlakuaan intensitas cahaya tertentu pada sensor cahaya BST atau BNST atau BTST. Sensor cahaya BST atau BNST atau BTST yang memiliki range perubahan tegangan yang paling besar adalah sensor cahaya yang memiliki respon paling baik dan dapat diaplikasikan pada rangkaian elektronik saklar otomatis fotodioda. Gambar 17 memperlihatkan metodelogi karakterisasi sensor cahaya BST atau BNST atau BTST. Gambar 17 Metodelogi Karakterisasi Sensor. Sensor Cahaya Penguat Op-Amp Saklar Otomatis Fotodioda Lampu dan Alarm Gambar 18 Blok Diagram Rangkaian Saklar Otomatis Fotodioda.

36 24 Dalam rangkaian elektronik ini, sensor cahaya BST berfungsi sebagai saklar otomatis yang akan menyalakan lampu dan alarm ketika intensitas cahaya yang mengenainya berkurang sampai pada nilai tertentu dan mati pada keadaan terang dengan intensitas cahaya tertentu pula. Rangkaian elektronika saklar otomatis ini dapat diaplikasikan sebagai saklar otomatis pada lampu jalan, taman, rumah bahkan sensor deteksi kebakaran.

37 25 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Karakterisasi Arus-Tegangan Film Tipis Pengukuran Arus dan Tegangan film tipis menggunakan alat I-Vmeter pada kondisi gelap dan disinari lampu bohlam 40 Watt (578 Lux). Pengukuran arus dan tegangan dilakukan untuk semua kombinasi kontak yang ada pada film tipis. Dari hasil karakterisasi film tipis yang dilakukan, diperoleh kurva hubungan arus-tegangan yang mirip dengan karakteristik kurva dioda untuk keseluruhan film tipis dan seluruh kombinasi kontak pada film tipis. Film tipis yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p, sedangkan lapisan tipis BST, BNST dan BSTT merupakan semikonduktor tipe-n (K. Krane, 1992). Persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n dikenal dengan nama p-n junction (J. A. Blackburn, 2001). Dengan adanya p-n junction, maka karakteristik dari film tipis yang dibuat sama dengan karakteristik dari dioda yang merupakan gabungan antara dua elektroda yaitu anoda dan katoda (P.A. Tippler, 1991). Karakterisasi yang dilakukan pada film tipis dilakukan dengan bias maju dan bias mundur. Nilai tegangan yang menyebabkan arusnya naik (tegangan knee) bervariasi untuk semua film dan juga untuk variasi kombinasi kaki kontak yang ada pada satu film tipis yang sama. Pada bahan semikonduktor mempunyai keterbatasan dalam menampung tegangan, sehingga mencapai tegangan breakdown (Cari, A. Supriyanto, 2004). Dari data tegangan knee yang terdapat pada tabel 1 terlihat bahwa suhu anneling yang berbeda pada film tipis dengan persentase dan jenis doping yang sama memberikan nilai tegangan knee yang berbeda pula. Suhu annealing berpengaruh terhadap pembentukan kristal film tipis, sehingga strukturnya bisa berbeda. Struktur film tipis tersebut, berpengaruh terhadap sifat kelistrikannya. Pengaruh doping menyebabkan tegangan knee menjadi turun. Adanya pengaruh doping menyebabkan semakin banyaknya elektron bebas dan hole pada kristal (P.A. Tippler, 1991). Dengan banyaknya elektron bebas pada film tipis, maka menyebabkan film tipis menjadi konduktif.