PENENTUAN KOEFISIEN DIFUSI BAHAN SEMIKONDUKTOR LITHIUM TANTALAT (LiTaO3) DI ATAS SUBSTRAT SILIKON (100) TIPE-P PADA VARIASI SUHU AGUS ISMANGIL

Transkripsi

1 PENENTUAN KOEFISIEN DIFUSI BAHAN SEMIKONDUKTOR LITHIUM TANTALAT (LiTaO3) DI ATAS SUBSTRAT SILIKON (100) TIPE-P PADA VARIASI SUHU AGUS ISMANGIL SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015

2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA* Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Penentuan Koefisien Difusi Bahan Semikonduktor Lithium Tantalat (LiTaO3) di atas Substrat Silikon (100) Tipe-p pada Variasi Suhu adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Juni 2015 Agus Ismangil NIM G

3 RINGKASAN AGUS ISMANGIL. Penentuan Koefisien Difusi Bahan Semikonduktor Lithium Tantalat (LiTaO3) di atas Substrat Silikon (100) Tipe-p pada Variasi Suhu. Dibimbing oleh IRZAMAN dan IRMANSYAH. Salah satu penelitian yang belakangan ini menarik perhatian para ahli fisika yaitu penelitian terhadap material ferroelektrik karena material ini sangat menjanjikan terhadap perkembangan device generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Material ferroelektrik, terutama yang didasari oleh campuran lithium tantalat (LiTaO3), diharapkan sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada infrared sensor. Litium tantalat (LiTaO3) merupakan suatu bahan ferroelectric yang memiliki keunikan dari segi sifat pyroelectric dan piezoelectric yang terpadu dengan stabilitas mekanik dan kimia yang baik. Oleh karena itu LiTaO3 sering digunakan untuk beberapa aplikasi misalnya modulator electro-optical dan detektor pyroelectric. LiTaO3 merupakan kristal non-hygroskopis, tidak berwarna, larut dalam air, memiliki tingkat transmisi yang tinggi dan tidak mudah rusak sifat optiknya. LiTaO3 merupakan bahan yang memiliki konstanta dielektrik yang tinggi serta kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi. Pada penellitian ini telah berhasil menentukan nilai koefisien difusi film tipis LiTaO3 menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan spin coating pada suhu annealing C, C, 650 o C, 700 o C, 750 o C dan C. Ketebalan lapisan dan kecepatan spin coating sangat mempengaruhi karakteristik film tipis. Variasi suhu pada film memberikan karakteristik listrik dan optik yang lebih baik pada film tipis tersebut. Dari hasil karakterisasi yang dilakukan diperoleh puncak absorbansi tertinggi pada film lithium tantalat pada suhu annealing 800 o C. Nilai konduktivitas listrik film tipis meningkat seiring dengan kenaikan intensitas cahaya sebaliknya nilai resistansinya akan menurun dan dari nilai konduktivitas listrik yang didapatkan film LiTaO3 yang diperoleh berkisar antara µs/cm hasil ini menunjukkan bahwa film tipis LiTaO3 yang dibuat merupakan bahan material semikonduktor. Pada film LiTaO3 kecepatan pada saat terjadinya difusi semakin tinggi dengan seiringnya kenaikan suhu yang menghasilkan koefisien difusi dari nm 2 /s, film LiTaO3 yang didapat merupakan cikal bakal sensor infra merah. Kata kunci: absorbansi, koefisien difusi, konduktivitas listrik, Lithium Tantalat (LiTaO3)

4 SUMMARY AGUS ISMANGIL. Determination of Diffusion Coefficient of semiconductor materials Lithium Tantalate (LiTaO3) on p-type Silicon (100) Substrate at Various Temperatures. Supervised by IRZAMAN and IRMANSYAH. One study recently attracted the attention of physicists, namely research on ferroelectric material because this material is very promising for the development of a new generation device with respect to the unique properties it has. Ferroelectric materials, especially those based on a mixture of lithium tantalat (LiTaO3), expected pyroelectric properties can be applied to infrared sensors. Lithium tantalat (LiTaO3) is a ferroelectric material that has unique properties in terms of pyroelectric and piezoelectric integrated with mechanical and chemical stability are good. Therefore LiTaO3 is often used for multiple applications eg electro-optical modulators and pyroelectric detectors. LiTaO3 is a non-hygroskopis crystal, colorless, soluble in water, has a high transmission rate and not easily damaged optical properties. LiTaO3 is a material that has a high dielectric constant and high charge storage capacity. At this penellitian has been able to determine the value of the diffusion coefficient of LiTaO3 thin film using Chemical Solution Deposition (CSD) and spin coating on the annealing temperature C, C, 650 o C, 700 o C, 750 o C and C. The thickness of the layer and the speed of spin coating greatly affect the characteristics of the thin film. Temperature variations in the film provide electrical and optical characteristics are better on the thin film. From the results obtained characterization performed at the highest absorbance peak tantalat lithium films on the annealing temperature of 800 o C. The value of the electrical conductivity of thin films increases with the increase of light intensity otherwise the resistance value will decrease and the value of the electrical conductivity of the film obtained LiTaO3 obtained ranged from μs/cm These results indicate that the LiTaO3 thin film made is a semiconductor material. At the film LiTaO3 speed at the time of the higher diffusion with seiringnya temperature rise which results in diffusion coefficient of nm 2 /s, the film LiTaO3 is obtained is the forerunner of infrared sensors. Keywords: absorbance, diffusion coefficient, electrical conductivity, Lithium Tantalate (LiTaO3)

5 Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015 Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

6 PENENTUAN KOEFISIEN DIFUSI BAHAN SEMIKONDUKTOR LITHIUM TANTALAT (LiTaO3) DI ATAS SUBSTRAT SILIKON (100) TIPE-P PADA VARIASI SUHU AGUS ISMANGIL Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Biofisika SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015

7 Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr Agus Kartono, SSi, MSi

8

9 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta ala atas segala karunia-nya sehingga penelitian ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Agustus 2014 ini ialah difusi, dengan judul Penentuan Koefisien Difusi Bahan Semikonduktor Lithium Tantalat (LiTaO3) di atas Substrat Silikon (100) Tipe-p pada Variasi Suhu. Penelitian ini sebagai salah satu syarat kelulusan program pascasarjana di Departemen Fisika Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Ir Irzaman sebagai ketua komisi pembimbing yang selalu memberikan motivasi untuk segera menyelesaikan penelitian ini dan Bapak Dr Ir Irmansyah selaku anggota komisi pembimbing yang telah banyak memberi saran. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, dan istri tercinta, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat untuk kita semua. Kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan untuk kemajuan dari penelitian yang dikembangkan ini. Semoga Allah SWT senantiasa melimpahkan rahmat dan karunianya untuk kita semua. Amin Bogor, Juni 2015 Agus Ismangil

10 DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Ruang Lingkup Penelitian 3 2 TINJAUAN PUSTAKA Bahan Ferroelektrik Substrat Silikon (100) Lithium Tantalate (LiTaO3) P-N Junction Teknik Chemical Solution Deposition (CSD) Proses Kimia Spin Coating Difusi Difusi Volume Difusi Bidang Batas Difusi Permukaan Ketidak Sempurnaan Kristal 8 3 METODE Karakterisasi Optik Karakterisasi Konduktivitas Listrik 11 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat Optik Sifat Konduktivitas Listrik Koefisien Difusi 18 5 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran 21 DAFTAR PUSTAKA 22 LAMPIRAN 24 RIWAYAT HIDUP 68 vi vi vi

11 DAFTAR TABEL 4.1 Koefisien difusi terhadap variasi suhu dan intensitas 19 DAFTAR GAMBAR 3.1 Proses annealing Desain film LiTaO3 Ferroelektrik Alat oceanoptic Spektrum konduktivitas listrik Absorbansi terhadap panjang gelombang Reflektansi terhadap panjang gelombang Energi band gap film LiTaO3 pada suhu annealing Hubungan konduktivitas listrik terhadap Intensitas cahaya 17 DAFTAR LAMPIRAN 1 Tahapan penelitian secara lengkap 24 2 Tabel nilai absorbansi film LiTaO Perhitungan konduktivitas listrik film LiTaO Perhitungan koefisien difusi film LiTaO3 65

12 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator dan konduktor. Bahan ini sangat berguna dalam bidang elektronik karena konduktivitas listriknya dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendadah). Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor, dan integrated circuit (IC). Semikonduktor sangat luas pemakaiannya, terutama sejak ditemukannya transistor pada akhir tahun 1940-an. Bahan semikonduktor yang banyak dikenal adalah silikon (Si), germanium (Ge), dan Galium Arsenida (GaAs). Belakangan ini, silikon menjadi terkenal setelah ditemukan cara mengekstrak bahan silikon dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak kedua yang ada di bumi setelah oksigen. Pasir, kaca, dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur silikon (Irzaman et al 2001). Semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya struktur pita dan resistivitas listriknya akan berubah. Ketidakmurnian dalam semikonduktor dapat menyumbangkan elektron maupun hole dalam pita energi. Dengan demikian, konsentrasi elektron dapat menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole, namun masing-masing bergantung pada konsentrasi dan jenis bahan ketidakmurnian. Dalam aplikasinya terkadang hanya diperlukan bahan dengan pembawa muatan elektron saja, atau hole saja. Hal ini dilakukan dengan pendadah ketidakmurnian ke dalam semikonduktor Untuk mendapatkan device semikonduktor yang bermutu tinggi, yang harus diperhatikan adalah kemurnian dan kesempurnaan kristal tunggal dari semikonduktor yang dipergunakan sebagai bahan untuk pembuatan alat-alat tersebut. Hal ini disebabkan karena secara umum penambahan sedikit ketidakmurnian mempengaruhi pembawa muatan, sehingga mempengaruhi komponen yang akan dibuatnya. Sebaliknya, semakin sempurna kristalnya yang berarti mempunyai kerusakan lapisan kristal yang sangat sedikit, kesempurnaan kristal ini sangat menentukkan karakteristik dari komponen yang dibuatnya. Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja. Pada Kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya. Pada Kristal semikonduktor instrinsik Si, sel primitifnya berbentuk kubus. Ikatan yang terjadi antar atom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen. Hal ini disebabkan karena adanya pemakaian 1 buah elektron bersama oleh dua atom Si yang berdekatan. Menurut teori pita energi, pada T = 0 K pita valensi semikonduktor terisi penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18-3,7 ev. Pada suhu kamar Si dan Ge masing-masing memiliki celah energi 1,11 ev dan 0,66 ev (Sutrisno, 1986). Pada saat material mendapat cukup energi, misalnya berasal dari energi panas, elektron dapat melepaskan diri dari ikatan kovalen dan tereksitasi menyeberangi celah energi. Elektron valensi pada atom Ge lebih mudah tereksitasi menjadi elektron bebas daripada elektron valensi pada atom Si, karena celah energi Si lebih besar dari pada celah energi Ge. Elektron ini bebas bergerak diantara atom. Sedangkan tempat

13 2 kekosongan elektron disebut hole. Dengan demikian dasar pita konduksi dihuni oleh elektron, dan puncak pita valensi dihuni hole. Ketika kedua pita terisi sebagian, maka akan menimbulkan arus netto bila dikenakan medan listrik. Jika pada sebuah material dielektrik dikenakan 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 polarisasi dielektrik. Polarisasi terjadi di dalam dielektrik sebagai akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri pada struktur kristalografi di dalam sel satuan. Ferroelektrik menunjukkan bahwa kelompok material dielektrik yang dapat terpolarisasi listrik secara internal pada rentang temperatur tertentu (Seo, 2004). Salah satu penelitian yang belakangan ini menarik perhatian para ahli fisika yaitu penelitian terhadap material ferroelektrik karena material ini sangat menjanjikan terhadap perkembangan device generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Material ferroelektrik, terutama yang didasari oleh campuran lithium tantalat (LiTaO3), diharapkan sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada infrared sensor, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelektrik Random Acsess Memory (NVRAM), serta sifat electro-optic dapat digunakan dalam switch termal infrared (Irzaman et al 2010). Sifat suatu material ferroelectric dimanfaatkan untuk kebutuhan perangkat elektronika. Peranan bahan ferroelectric LiTaO3 sangat menarik untuk diteliti karena dalam penerapannya dapat digunakan sebagai sensor infra merah. LiTaO3 merupakan objek yang diteliti secara intensif selama beberapa tahun terakhir karena memiliki sifat yang unik. LiTaO3 bersifat ferroelectric pada suhu kamar. Dari beberapa hasil kajian, LiTaO3 merupakan material optik, pyroelectric serta piezoelectric. LiTaO3 memiliki konstanta dielektrik yang tinggi serta kapasitas penyimpan muatan yang tinggi juga (Uchino, 2000). Selain itu LiTaO3 merupakan kristal non-hygroskopis yang tidak mudah rusak sifat optiknya, sifat ini yang menjadikan bahan LiTaO3 unggul dari bahan lainnya (Seo et al 2004). 1.2 Perumusan Masalah Dalam penelitian ini lithium tantalat (LiTaO3) dibuat dengan metode chemical solution deposition (CSD) yang mengoptimasi parameter penumbuhan lapisan tipis mencakup: kelarutan, kecepatan putar, suhu annealing, dan lama annealing pada lapisan tipis lithium tantalat (LiTaO3). Masalah penelitian ini difokuskan pada kajian teoritis dan eksperimen dari film (LiTaO3) seberapa besar laju difusi lithium tantalat (LiTaO3) pada variasi suhu dengan metode CSD dan spin coating. Dari film lithium tantalat (LiTaO3) yang dihasilkan dikarakterisasi sifat optik dan konduktivitas listriknya. 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan umum penelitian ini adalah menumbuhkan film lithium tantalat (LiTaO3) pada substrat Si (100) tipe-p dengan variasi suhu, kemudian diuji sifat optik dan konduktivitas listrik dari setiap film yang telah dibuat. Tujuan khusus penelitian ini adalah menentukan koefisien difusi lithium tantalat (LiTaO3) diatas substrat silikon (100) tipe-p pada suhu annealing 550 o C, 600 o C, 650 o C, 700 o C, 750 o C, dan 800 o C.

14 3 1.4 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini dapat memberikan informasi tentang laju difusi film tipis lithium tantalat (LiTaO3) pada variasi suhu, dan dapat mengetahui karakteristik sifat optik dari film tipis lithium tantalat (LiTaO3) pada variasi suhu yang ditumbuhkan dengan metode chemical solution deposition (CSD) yang dalam penerapannya dapat digunakan sebagai sensor infra merah. 1.5 Ruang Lingkup Penelitian Penelitian ini dilakukan pembatasan ruang lingkup untuk penumbuhan lapisan tipis lithium tantalat (LiTaO3) diatas substrat silikon (100) tipe-p yang masing-masing penetesan dalam spin coating dengan jumlah yang sama yaitu sebanyak 3 tetes setiap tetes di spin coating selama 30 detik. Dan besar variasi suhu 550 o C, 600 o C, 650 o C, 700 o C, 750 o C, dan 800 o C yang merupakan suhu annealing.

15 4 2 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 (tercangkup didalamnya pyroelektrik) seperti LiTaO3. 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 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 (Seo, 2004). Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara spontan pada material tanpa gangguan medan listrik dari luar. Ferroelektrivitas 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) (Irzaman et al 2010). 2.2 Substrat Silikon (Si) Silikon adalah suatu unsur kimia yang memiliki lambang Si dan nomor atom 14. Si merupakan unsur terbanyak kedua di bumi dan unsur dari golongan IV A dalam sistem periodik unsur-unsur. Sebagian besar unsur bebas Si tidak ditemukan di alam. Oleh karena itu Si dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan pasir dengan karbon yang berkualitas tinggi. Silikon untuk penggunaan semikonduktor dimurnikan lebih lanjut dengan metode pelelehan berzona kristal czochralski. Kristal Si ini memiliki kilap logam dan mengkristal dengan struktur intan (Saito et al 1996). Silikon adalah semikonduktor pengganti germanium. Sebuah atom Si terisolasi mempunyai 14 proton dan 14 elektron (Malvino, 1990). Setiap atom Si mempunyai empat buah elektron valensi. Atom Si menempati kisi-kisi dalam kristal. Setiap atom Si terikat dengan empat buah atom Si lain membentuk ikatan kovalen. Kristal Si merupakan semikonduktor intrinsik, yaitu semikonduktor murni yang belum dicampur atau dikotori dengan atom lain. Pada suhu 0 K, kristal Si bersifat sebagai isolator karena memiliki pita konduksi yang kosong. Namun ketika dipanaskan elektron mendapat energi, hal ini mengakibatkan adanya perpindahan elektron ke pita konduksi sehingga dapat bersifat sebagai konduktor (Sutrisno, 1986).

16 5 2.3 Lithium Tantalat (LiTaO3) Lithium tantalat (LiTaO3) merupakan suatu bahan ferroelectric yang memiliki keunikan dari segi sifat pyroelectric dan piezoelectric yang terpadu dengan stabilitas mekanik dan kimia yang baik. Oleh karena itu LiTaO3 sering digunakan untuk beberapa aplikasi misalnya modulator electro-optical dan detektor pyroelectric. LiTaO3 merupakan kristal non-hygroskopis, tidak berwarna, larut dalam air, memiliki tingkat transmisi yang tinggi dan tidak mudah rusak sifat optiknya. LiTaO3 merupakan bahan yang memiliki konstanta dielektrik yang tinggi serta kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (Seo et al 2004). Pembuatan LiTaO3 menggunakan peralatan yang cukup sederhana, biaya murah dan dilakukan dalam waktu relatif singkat. LiTaO3 merupakan campuran hasil reaksi antara lithium asetat [(LiO2C2H3), 99,9%] dan tantalum oksida [(Ta2O5), 99,9%]. Berikut ini persamaan reaksi menghasilkan LiTaO3: 2 LiO2C2H3 + Ta2O5 + 4O2 2 LiTaO3 + 3 H2O + 4 CO2 LiTaO3 merupakan kristal ferroelectric yang mengalami proses suhu currie tinggi sebesar (601±5,5) o C (Paula et al 2014). Massa jenis LiTaO3 sebesar 7,45 g/cm 3 yang digunakan untuk menghitung ketebalan film (Irzaman et al 2003). LiTaO3 merupakan objek yang diteliti secara intensif selama beberapa tahun terakhir karena memiliki sifat yang unik. Berdasarkan penelitian, bahan LiTaO3 merupakan semikonduktor tipe-n karena konsentrasi elektron yang dimiliki oleh material LiTaO3 tersebut lebih banyak dibandingkan dengan konsentrasi hole-nya. 2.4 P-N Junction Cara kerja sebagian besar piranti semikonduktor berlandaskan pada sifat sambungan antara bahan tipe-n dan tipe-p. Sambungan seperti itu dapat dibuat dengan beberapa cara misalnya pendifusian ketidakmurnian dalam bentuk uap ke dalam wafer semikonduktor. Sifat penting sambungan semikonduktor p-n adalah arus listrik dapat melewatinya lebih mudah pada suatu arah tertentu dari pada arah yang berlawanan dengan arah itu. Bahan semikonduktor tipe-p terdiri atas unsurunsur dalam golongan IVA pada sistem periodik seperti Si. Bahan semikonduktor tipe-n terdiri atas unsur-unsur dalam golongan V dan golongan III pada sistem periodik P-N junction adalah daerah pertemuan yang terjadi apabila semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n dipertemukan. Nama lain untuk persambungan semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n yang membentuk kristal adalah dioda (Kwok, 1995). Dioda adalah suatu komponen elektronik yang dapat melewatkan arus pada satu arah saja. Dioda memegang peranan penting dalam elektronika, antara lain untuk menghasilkan tegangan searah dari tegangan bolakbalik, untuk membuat berbagai bentuk gelombang isyarat, untuk mengatur tegangan searah agar tidak berubah dengan beban maupun dengan perubahan tegangan, untuk saklar elektronik, LED, laser semikonduktor (Sutrisno, 1986).

17 Proses Kimia 2.5 Teknik chemical solution deposition (CSD) Teknik Chemical Solution Deposition (CSD) terdiri dari proses sol gel dan Metalorganic Deposition yang dipergunakan untuk memproduksi lapisan tipis keramik perovskite, khususnya untuk lapisan tipis lithium tantalat (LiTaO3). Metode ini lebih ekonomis tidak hanya untuk penelitian ilmiah, namun juga dipergunakan pada pembuatan keramik modern dan teknologi yang mempersyaratkan kemurnian yang tinggi dan control terhadap mikrostruktur dan komposisi. Semenjak reaktan kimia untuk CSD dapat dimurnikan dengan metode destilasi dan kristalisasi, film dengan kemurnian tinggi dapat difabrikasi. Keuntungan CSD yang sangat penting adalah elemen yang dapat dibuat, dihasilkan komposisi campuran akhir pada tingkat molekul, yang berarti waktu difusi pada film inorganic setelah pyrolysis untuk mencapai kondisi termodinamika, fase stabil cukup singkat, yang pada akhirnya dapat menghasilkan campuran yang homogen (Irzaman et al 2001). Pada prinsipnya CSD untuk mempersiapkan larutan yang terdiri campuran pelarut di spin coating pada permukaan substrat dan larutan di polimerisasi menjadi berbentuk gel dan di panaskan untuk menghilangkan oksidasi inorganic Spin Coating Pendeposisian lapisan tipis dengan metode spin coating telah digunakan dalam beberapa dekade. Proses spin coating dapat dipahami dengan perilaku aliran larutan pada sebuah piringan substrat yang berputar. Aliran volumetric cairan dengan arah radial pada permukaan substrat diminimalisasi yakni tidak ada getaran, tidak ada noda kering dan sebagainya, yang kemudian piringan dipercepat dengan kecepatan rotasi yang spesifik yang menyebabkan cairan terdistribusi merata. Ada empat langkah pada proses spin coating. Langkah pertama adalah deposisi larutan pelapis diatas permukaan substrat. Hal ini dapat dikerjakan menggunakan pipet dengan meneteskan larutan pelapis di atas substrat. Langkah kedua adalah substrat dipercepat dengan kecepatan putar tinggi yaitu 3000 rpm yang merupakan langkah penipisan cairan pelapis. Pada langkah ini biasanya cairan pelapis ada yang ke luar dari permukaan substrat karena adanya gerak rotasi yang menyebabkan inersia dari lapisan larutan bagian atas tidak bisa dipertahankan saat substrat berputar lebih cepat. Langkah ketiga adalah ketika substrat pada kecepatan konstan (sesuai yang diinginkan), yang dicirikan dengan penipisan larutan pelapis secara perlahan-lahan, sehingga didapatkan ketebalan larutan pelapis yang homogen. Kadang-kadang juga terlihat di bagian tepi pada bagian substrat yang ditetesi larutan pelapis lebih tebal. Langkah keempat adalah ketika substrat diputar pada kecepatan konstan dan terjadi penguapan pelarut. Ketebalan lapisan dan sifat lainnya tergantung pada jenis cairan (viskositas, kecepatan pengeringan dan molaritas) serta parameter-parameter yang dipilih saat proses spin coating meliputi kecepatan putar, percepatan, dan kevakuman. Umumnya kecepatan putar yang tinggi dan lama waktu putarnya menghasilkan lapisan yang lebih tipis.

18 7 2.6 Difusi Difusi adalah peristiwa di mana terjadi tranfer materi melalui materi lain. Transfer materi ini berlangsung karena atom atau partikel selalu bergerak oleh agitasi thermal. Walaupun sesungguhnya gerak tersebut merupakan gerak acak tanpa arah tertentu, namun secara keseluruhan ada arah neto dimana entropi akan meningkat. Difusi merupakan proses irreversible. Pada fasa gas dan cair, peristiwa difusi mudah terjadi; pada fasa padat difusi juga terjadi walaupun memerlukan waktu lebih lama. Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi. Contoh yang sederhana adalah pemberian gula pada cairan teh tawar. Lambat laun cairan menjadi manis. Contoh lain adalah uap air dari cerek yang berdifusi dalam udara. Difusi yang paling sering terjadi adalah difusi molekuler. Difusi ini terjadi jika terbentuk perpindahan dari sebuah lapisan (layer) molekul yang diam dari solid atau fluida (Omar, 2007). Cacat kristal yang berupa kekosongan posisi atom, memberikan peluang untuk menyusupnya atom asing. Atom asing juga berpeluang menempati posisi interstisial, terutama jika ukuran atom asing tersebut lebih kecil dari ukuran atom material induk. Posisi interstisial ini lebih memberikan kemudahan bergerak bagi atom asing maupun atom sendiri. Ada beberapa faktor yang memengaruhi kecepatan difusi, yang pertama adalah ukuran partikel, semakin kecil ukuran partikel, semakin cepat partikel itu akan bergerak, sehingga kecepatan difusi semakin tinggi. Kedua ketebalan membran, semakin tebal membran, semakin lambat kecepatan difusi. Ketiga luas suatu area, Semakin besar luas area, semakin cepat terjadi difusinya. Keempat jarak, semakin besar jarak antara dua konsentrasi, semakin lambat kecepatan difusinya. Kelima suhu, semakin tinggi suhu, partikel mendapatkan energi untuk bergerak dengan lebih cepat. Maka, semakin cepat pula kecepatan difusinya (Milton, 1991) Difusi Volume Difusi volume (volume diffusion) adalah transfer materi menembus volume materi lain, Pada umumnya, atom yang bermigrasi dalam difusi volume pada padatan menghadapi halangan yang lebih besar dibandingkan dengan halangan yang dihadapi pada difusi volume dalam cairan atau gas. Hal ini terlihat dari enthalpi aktivasi atau energi aktivasi yang diperlukan untuk terjadinya difusi menembus volume-padatan dibandingkan dengan enthalpi aktivasi yang diperlukan untuk terjadinya difusi menembus volume-cairan atau volume-gas (Milton, 1991). Dalam struktur kristal, adanya kekosongan posisi atom memungkinkan atom di sebelahnya bergerak mengisi kekosongan tersebut sementara ia sendiri meninggalkan tempat semula yang ia isi menjadi kosong. Posisi kosong yang baru terbentuk akan memberikan kemungkinan untuk di isi oleh atom di sebelahnya, dan demikian seterusnya. Mekanisme ini merupakan mekanisme yang paling mungkin untuk terjadinya difusi internal. Kemungkinan lain adalah adanya atom yang lepas dari kisi kristalnya dan menjadi atom interstisial dan menjadi mudah bergerak.

19 Difusi Bidang Batas Apabila di dalam padatan hadir butiran-butiran yang berlainan fasa dengan material induk, terbentuklah bidang batas antara butiran dengan material induk dan terjadilah gejala permukaan. Di bidang batas ini terdapat energi ekstra yang akan menyebabkan materi yang berdifusi cenderung menyusur permukaan. Peristiwa ini dikenal dengan difusi bidang batas (grain boundary diffusion). Inilah macam difusi yang ke-dua. Energi aktivasi yang diperlukan pada difusi bidang batas ini lebih rendah dari energi aktivasi pada difusi volume (Milton, 1991) Difusi Permukaan Macam difusi yang ke-tiga terjadi manakala ada retakan, materi yang berdifusi cenderung menyusur permukaan retakan. Difusi macam ini dikenal dengan difusi permukaan (surface diffusion). Konsentrasi di permukaan retakan lebih tinggi dari konsentrasi di volume. Energi aktivasi yang diperlukan untuk terjadinya difusi permukaan lebih rendah dibanding dengan energi aktivasi yang diperlukan untuk terjadinya difusi bidang batas (Milton, 1991). 2.7 Ketidak Sempurnaan Kristal Kekosongan posisi atom dalam kristal merupakan salah satu ketidaksempurnaan kristal yang agak istimewa. Tidak seperti yang lain, kekosongan posisi ini hadir dalam keseimbangan di semua kristal. Dalam kenyataan suatu padatan mengandung pengotoran yang dapat melipatgandakan jumlah kekosongan, suatu hal yang akan mempermudah terjadinya difusi. Selain migrasi kekosongan, migrasi interstisial dapat pula terjadi apabila atom materi yang berdifusi berukuran cukup kecil dibandingkan dengan ukuran atom material yang ditembusnya. Pada kristal ionik terdapat ketidaksempurnaan Frenkel dan ketidak sempurnaan Schottky. Ketidaksempurnaan ini tidak mengganggu kenetralan listrik, dan kristal tetap dalam keseimbangan sebagaimana yang terjadi pada kehadiran kekosongan posisi. Ketidak-sempurnaan Frenkel berupa kekosongan kation perpasangan dengan kation interstisial, ketidak sempurnaan Schottky berupa pasangan kekosongan kation dan anion. Ketidak-sempurnaan mana yang akan terjadi tergantung dari besar energi yang diperlukan untuk membentuk kation interstisial atau kekosongan anion. Pada kristal ionik konduktivitas listrik pada temperatur tinggi terjadi karena difusi ion dan hampir tidak ada kontribusi elektron. Oleh karena itu konduktivitas listrik sebanding dengan koefisien difusi (Milton, 1991).

20 9 3 METODE Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Fisika Material dan Spektroskopi Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor dan di Laboratorium Fisika Material Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung. Penelitian ini dilaksanakan dari Agustus 2014 sampai dengan Maret Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah bubuk Lithium Asetat [LiO2C2H3], bubuk Tantalum Oksida [Ta2O5], pelarut 2-metoksietanol [C3H8O2], substrat Si (100) tipep, deionized water, aseton PA [CH3COCH3, g/mol], metanol PA [CH3OH, g/mol], asam florida (HF), kaca preparat, pasta perak, kawat tembaga halus, dan alumunium foil. Dalam penelitian ini film tipis LiTaO3 dibuat dengan metode chemical solution deposition (CSD) yang telah lama dikembangkan untuk penumbuhan perovskite thin film. Metode ini memiliki keunggulan yaitu prosedurnya mudah, biayanya relatif ekonomis, dan mendapatkan hasil yang bagus. Metode chemical solution deposition (CSD) merupakan metode pembuatan film dengan cara pendeposisian larutan bahan kimia di permukaan substrat, kemudian dipreparasi dengan spin coating pada kecepatan 3000 rpm selama 30 detik setiap penetesan larutan LiTaO3. T ( o C) Kenaikan Suhu 1.7 o C/menit Perubahan Suhu Pendinginan T 1 T 0 t (jam) t 1 t 2 Gambar 3.1 Proses annealing Proses annealing dilakukan secara bertahap menggunakan furnace Vulcan TM Annealing berfungsi untuk mendifusikan larutan LiTaO3 dengan substrat silikon yang dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu annealing yaitu 550 o C, 600 o C, 650 o C, 700 o C, 750 o C dan 800 o C dengan kenaikan suhu 1,7 o C/menit dan ditahan konstan selama 8 jam pada suhu annealing tersebut. Selanjutnya dilakukan proses pendinginan sampai kembali pada suhu ruang.

21 10 Kawat Kontak Aluminium Kawat Substrat silikon Film LiTaO3 Gambar 3.2 Desain film LiTaO3 Ferroelektrik 3.1 Karakterisasi Sifat Optik Karakterisasi sifat optik dari film tipis dilakukan di Laboratorium Fisika IPB menggunakan oceanoptic dari suatu program oceanoptic yang memiliki panjang gelombang dari 339 nm sampai 1022 nm. Spektroskopi absorbsi memiliki lima komponen utama yaitu sumber radiasi, monokhromator, sampel, detector, dan recorder. Sumber radiasi yang digunakan yaitu lampu xenon yang umum digunakan pada spektroskopi, sedangkan monokhromator berfungsi untuk menghasilkan berkas radiasi dengan satu panjang gelombang. Apabila radiasi atau cahaya putih dilewatkan melalui larutan maka radiasi dengan panjang gelombang tertentu akan diserap secara selektif dan radiasi lain akan diteruskan atau dipantulkan. Kemudian perangkat alat ini dihubungkan dengan suatu software dengan program oceanoptic, sehingga diperoleh kurva absobsi terhadap panjang gelombang dan refleksi terhadap panjang gelombang. Dari kurva yang diperoleh dapat dianalisis sifat optik dari film tipis. Gambar 3.3 Alat oceanoptic

22 Spektrofotometer merupakan metode analisis yang didasarkan pada absorbsi radiasi elektromagnetik. Cahaya terdiri dari radiasi terhadap kepekaan mata manusia, panajang gelombang yang berlainan akan menimbulkan cahaya yang berlainan sedangkan campuran cahaya dengan panjang gelombang akan menyusun cahaya putih. Cahaya putih meliputi seluruh spektrum nampak nm sedangkan cahaya infra merah pada spektrum di atas panjang gelombang 780 nm. Spektrofotometri adalah suatu metode analisis yang berdasarkan pada pengukuran serapan sinar monokromatis oleh suatu lajur larutan berwarna pada panjang gelombang yang spesifik dengan menggunakan monokromator prisma atau kisi difraksi dan detector vakum phototube atau tabung foton hampa. Alat yang digunakan adalah spektrofotometer, yaitu suatu alat yang digunakan untuk menentukan suatu senyawa baik secara kuantitatif maupun kualitatif dengan mengukur absorbsi atau refleksi. Spektrofotometer menghasilkan sinar dari spektrum dengan panjang gelombang tertentu. Pada spektrofotometer panjang gelombang dari sinar putih dapat lebih terseleksi dan ini diperoleh dengan alat pengurai seperti prisma, grating atau celah optis. Suatu spektrofotometer tersusun dari sumber spectrum tampak yang kontinyu, monokromator, sel pengabsorbsi untuk larutan sampel. Spektrofotometer ini hanya terjadi bila elektron berpindah dari tingkat energi yang rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Perpindahan elektron tidak diikuti oleh perubahan arah spin, hal ini dikenal dengan sebutan tereksitasi siglet (Paula et al 2014). Energi bandgap film LiTaO3 dapat diperoleh dengan menggunakan metode Tauc plot dan dari perhitungan reflektansi. Metode Tauc plot menggunakan hubungan antara koefisien absorbansi dan energi foton yang datang pada film. Energi bandgap dari perhitungan reflektansi menggunakan hubungan [ln(rmax-rmin)/(r-rmin)] 2 dan energi foton yang datang pada film, ditunjukkan pada persamaan: αhv = A(hv E g ) n (3.1) 2αd = [ln (Rmax-Rmin)/(R-Rmin)] 2 (3.2) Keterangan: α adalah koefisien absorbansi (cm -1 ), h adalah konstanta Planck (4, x ev s), v adalah frekuensi cahaya (Hz), Eg adalah energi bandgap (ev), R adalah nilai reflektansi (%), dan d adalah ketebalan film (cm) Karakterisasi Konduktivitas Listrik Konduktivitas listrik diukur menggunakan LCR meter dengan berbagai variasi intensitas yaitu pada 0 lux (gelap), 1000 lux, 2000 lux, 3000 lux, dan 4000 lux. Dari alat tersebut diperoleh nilai konduktansi (G). Data konduktansi ini digunakan untuk menghitung nilai konduktivitas listrik. Nilai konduktivitas listrik dapat dicari dari persamaan (3.1). Data konduktivitas listrik film yang didapat akan dicocokkan dengan data literatur apakah film yang terbentuk termasuk bahan konduktor, semikonduktor atau isolator.

23 12 Salah satu karakteristik terbentuk sambungan p-n adalah uji sifat konduktivitas listrik film tipis. Berdasarkan nilai konduktivitas listrik suatu material dapat dibedakan menjadi tiga bagian yaitu konduktor, semikonduktor dan isolator. Gambar 3.4 memperlihatkan untuk material isolator berada dalam selang nilai S/m S/m, semikonduktor berada dalam selang nilai 10-8 S/m S/m dan konduktor berada dalam selang nilai 10 3 S/m S/m (Kwok, 1995). Gambar 3.4 Spektrum konduktivitas listrik (Kwok, 1995) Nilai konduktivitas listrik dapat dicari dari persamaan (3.1): σ = Gl A (3.3) di mana σ, l, G, dan A berturut-turut adalah konduktivitas listrik bahan, jarak antar kontak, konduktansi, dan luas penampang (Tipler, 1991). Nilai konduktivitas listrik pada temperatur tinggi terjadi karena difusi ion dan hampir tidak ada kontribusi elektron. Oleh karena itu konduktivitas listrik sebanding dengan koefisien difusi sesuai dengan persamaan (3.2): σ = kd [ Cq2 kt ] D (3.4) σ adalah konduktivitas listrik oleh konduksi ion, C dan q adalah konsentrasi dan muatan dari ketidaksempurnaan yang berperan, k tergantung dari macam ketidaksempurnaan; kd = 1 untuk ion interstisial, k dan T adalah konstanta Boltzmann dan suhu (Milton, 1991).

24 13 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Sifat Optik Spektroskopi absorbsi memiliki lima komponen utama yaitu sumber radiasi, monokhromator, sampel, detector, dan recorder. Sumber radiasi yang digunakan yaitu lampu xenon yang umum digunakan pada spektroskopi, sedangkan monokhromator berfungsi untuk menghasilkan berkas radiasi dengan satu panjang gelombang. Apabila radiasi atau cahaya putih dilewatkan melalui larutan maka radiasi dengan panjang gelombang tertentu akan diserap secara selektif dan radiasi lain akan diteruskan atau dipantulkan. Spektrofotometer merupakan metode analisis yang didasarkan pada absorbsi radiasi elektromagnetik. Cahaya terdiri dari radiasi terhadap kepekaan mata manusia, panajang gelombang yang berlainan akan menimbulkan cahaya yang berlainan sedangkan campuran cahaya dengan panjang gelombang akan menyusun cahaya putih. Cahaya putih meliputi seluruh spektrum nampak nm sedangkan cahaya infra merah pada spektrum di atas panjang gelombang 780 nm. Energi gap adalah suatu celah energi minimal yang harus dimiliki oleh elektron agar dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron pada pita valensi ini dapat berpindah ke pita konduksi dengan penambahan energi eksternal yang dapat berasal dari medan listrik eksternal, energi termal, dan energi foton. Pengukuran sifat optik film tipis ini menggunakan panjang gelombang pada rentang 339 nm sampai 1022 nm. Rentang panjang gelombang tersebut mencakup cahaya ultraviolet, visible, dan infrared. Absorbansi (a.u) o C 600 o C 650 o C 700 o C 750 o C 800 o C Panjang Gelombang (nm) Gambar 4.1 Absorbansi terhadap panjang gelombang

25 14 Dari kurva yang dihasilkan menunjukan bahwa daerah serapan dari film tipis mulai dari panjang gelombang 400 nm sampai 1000 nm atau pada rentang cahaya visible dan infrared. Dan terlihat puncaknya pada panjang gelombang 680 nm yang merupakan cahaya merah untuk suhu annealing 550 o C namun secara garis besar puncak yang dominan pada cahaya infra merah yaitu pada suhu annealing 800 o C. Hal tersebut menjelaskan bahwa film tipis dapat diaplikasikan sebagai sensor infra merah. Absorbansi maksimum film LiTaO3 terjadi pada daerah infra merah yaitu pada panjang gelombang 950 nm, terlihat pada Gambar 4.1 puncak absorbansi tertinggi film LiTaO3 pada suhu annealing 800 o C dan 750 o C, dengan kata lain film LiTaO3 banyak menyerap energi foton dari cahaya yang mengenainya. Absorbansi film LiTaO3 setelah proses annealing selama 8 jam juga lebih tinggi. Selain itu, grafik absorbansi pada rentang panjang gelombang nm cenderung horizontal, hal ini menunjukkan bahwa film LiTaO3 dapat menyerap seluruh cahaya pada rentang panjang gelombang tersebut. Pada film LiTaO3 setelah proses annealing 550 o C absorbansi terjadi pada panjang gelombang 650 nm, hal ini terjadi pada daerah panjang gelombang merah. Namun nilai puncak absorbansi pada film LiTaO3 setelah proses annealing 850 o C merupakan yang paling tinggi o C 600 o C 650 o C 700 o C 750 o C 800 o C Reflektansi (%) Panjang Gelombang (nm) Gambar 4.2 Reflektansi terhadap panjang gelombang Reflektansi yang diperlihatkan dalam Gambar 4.2 Hubungan antara reflektansi dengan panjang gelombang terlihat pada rentang nm. Pada film lithium tantalat yang telah diannealing pada suhu 800 o C pemantulannya terjadi pada panjang gelombang 910 nm sedangkan pada suhu annealing 550 o C,600 o C, 650 o C, 700 o C, dan 750 o C terjadi pada panjang gelombang nm.

26 15 [ln {Rmax-Rmin/R-Rmin}] Energi (ev) [ln {Rmax-Rmin/R-Rmin}] Energi (ev) (a) (b) [ln {Rmax-Rmin/R-Rmin}] Energi (ev) ln {Rmax-Rmin/R-Rmin}] Energi (ev) (c) (d) [ln {Rmax-Rmin/R-Rmin}] [ln {Rmax-Rmin/R-Rmin}] Energi (ev) Energi (ev) (e) (f) Gambar 4.3 Energi band gap film LiTaO3 pada suhu annealing (a) 550 o C, (b) 600 o C, (c) 650 o C, (d) 700 o C, (e) 750 o C, dan (f) 800 o C

27 16 Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan ikatan kovalen sehingga dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Pada material semikonduktor, karena celah energinya sempit maka jika suhu naik, sebagian elektron di pita valensi naik ke pita konduksi dengan meninggalkan tempat kosong (hole) di pita valensi. Elektron yang telah berada di pita konduksi maupun hole di pita valensi akan bertindak sebagai pembawa muatan untuk terjadinya arus listrik. Konduktivitas listrik akan naik jika suhu dinaikkan. Perhitungan nilai energi bandgap dilakukan dengan metode reflektansi yang menggunakan persamaan (3.2). Energi bandgap yang diperoleh dari perhitungan reflektansi menggunakan ekstrapolasi [ln ((Rmax-Rmin)/(R-Rmin))] 2. Ketebalan film LiTaO3 akan bervariasi. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor. Pertama faktor suhu substrat. Proses terjadinya film disebabkan atom berdifusi di sekitar substrat yang dipengaruhi suhu substrat. Ketika suhu substrat mencapai suhu optimum, atom yang terbentuk menyebar secara merata di permukaan substrat sehingga meningkatkan laju penumbuhan film. Sedangkan ketika suhu substrat melewati suhu optimum, atom yang terbentuk dapat terlepas dari permukaan substrat (evaporasi) yang mengakibatkan laju penumbuhan film menurun. Kedua, metode CSD bergantung pada keterampilan penetesan larutan di permukaan spin coating. Ketiga, dari hasil penelitian yang dilakukan, ada beberapa bagian film yang menjadi kering dan lepas dari substrat sehingga mengurangi ketebalan film. Ketebalan film sangat berpengaruh terhadap besar energi bandgap. Variasi suhu annealing juga mempengaruhi besarnya energi bandgap dari film LiTaO3. Energi bandgap film LiTaO3 pada penelitian ini diperoleh pada rentang nilai 2,02-2,98 ev seperti ditunjukkan pada gambar 4.3. Film LiTaO3 setelah proses annealing pada suhu 550 o C, memiliki energi bandgap paling tinggi sebesar 2,98 ev. Diperlukan energi yang besar pada elektron untuk tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi. Sedangkan pada film LiTaO3 setelah proses annealing 800 o C, energi bandgap yang diperoleh sebesar 2,02 ev. Hal ini memudahkan elektron untuk tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi karena energi yang dibutuhkan tidak terlalu besar. 4.2 Sifat Konduktivitas Listrik Pengukuran nilai konduktivitas listrik film tipis dilakukan dalam 5 kondisi yang berbeda yaitu gelap (0 lux), dengan lampu 1000 lux, 2000 lux, 3000 lux, dan 4000 lux. Gambar 4.3 menunjukkan bahwa nilai konduktivitas listrik meningkat seiring dengan kenaikan intensitas cahaya. Peningkatan konduktivitas listrik ini disebabkan tereksitasinya elektron pada pita valensi ke pita konduksi. Elektron pada pita konduksi bebas bergerak di bawah pengaruh medan listrik sehingga semakin banyak elektron tereksitasi ke pita konduksi akibat disinari cahaya yang menyebabkan arus akan meningkat, dengan demikian konduktivitas listriknya juga meningkat dan sebaliknya nilai resistansinya akan menurun karena konduktivitas listrik dan resistansi memiliki hubungan terbalik (Omar, 2007). Nilai konduktivitas listrik material bergantung dari material tersebut. Suhu mempengaruhi nilai resistansi dan konduktivitas listrik suatu material. Nilai konduktivitas listrik suatu bahan material menunjukkan material tersebut bersifat isolator, semikonduktor atau konduktor. Besarnya nilai konduktivitas listrik

28 berbanding terbalik dengan resistansinya. Konduktivitas listrik akan meningkat jika resistansi suatu bahan material menurun. Material yang bersifat isolator konduktivitas listriknya akan meningkat jika suhunya ditingkatkan. Pada material yang bersifat konduktor sebaliknya jika suhunya ditingkatkan maka nilai konduktivitasnya menurun. Konduktivitas listrik dari masing-masing sampel dengan variasi suhu annealing dapat dihitung menggunakan persamaan (3.1). Luas kontak (A) dan jarak antar kontak (l) pada setiap sampel berpengaruh untuk perhitungan konduktivitas listrik. Material semikonduktor mempunyai nilai konduktivitas listrik pada selang antara (10-8 sampai 10 3 ) S/cm. Nilai konduktivitas listrik film LiTaO3 yang diperoleh berkisar antara 10-6 S/cm sampai 10-5 S/cm. Hal ini menunjukkan bahwa film LiTaO3 adalah material semikonduktor. Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara isolator dan konduktor. Sifat bahan baik konduktor, isolator, maupun semikonduktor terletak pada struktur jalur atau pita energi atom-atomnya, yang membedakan apakah bahan itu termasuk konduktor, isolator, atau semikonduktor adalah energi Gap (Eg) (Kwok, 1995). Pengaruh temperatur terhadap nilai konduktivitas listrik memiliki hubungan yang berbanding lurus, artinya peningkatan suhu annealing menimbulkan kenaikan nilai konduktivitas listrik. Hal ini terjadi akibat peningkatan suhu annealing menyebabkan peningkatan evaporasi lapisan film tipis sehingga ketebalan lapisan film tipis berkurang dan cacat strukturnya menurun. Kenaikan konduktivitas listrik akibat elektron yang mengalir akan meningkat karena terjadinya hamburan dengan cacat kristal yang cenderung menurun. Pada pengukuran resistansi dan konduktivitas listrik sebelumnya telah diketahui bahwa film tipis LiTaO3 yang digunakan merupakan bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor yang membentuk persambungan p-n memungkinkan untuk menghasilkan arus dan tegangan ketika diberikan energi yang sesuai bagi elektron dan hole berdifusi. 17 Konduktivitas Listrik (µs/cm) C 600 C 650 C 700 C 750 C 800 C Intensitas Cahaya (Lux) Gambar 4.4 Hubungan konduktivitas listrik terhadap Intensitas cahaya

29 18 Gambar 4.4 menunjukkan kurva konduktivitas listrik film tipis LiTaO3 sebagai fungsi dari intensitas cahaya. Kurva konduktivitas listrik tersebut menunjukkan konduktivitas listrik relatif naik sebagai fungsi intensitas cahaya yang akan meningkatkan nilai konduktivitas listrik. Adapun nilai konduktivitas listrik suatu material bergantung dari sifat material tersebut. Nilai konduktivitas listrik suatu material dapat meningkat karena bahan tersebut menghantarkan arus listrik. Nilai konduktivitas listrik film LiTaO3 yang diperoleh berkisar antara 10-6 S/cm sampai 10-5 S/cm. Hal ini menunjukkan bahwa film LiTaO3 adalah material semikonduktor. Pengaruh temperatur terhadap nilai konduktivitas listrik memiliki hubungan yang berbanding lurus, artinya peningkatan suhu annealing menimbulkan kenaikan nilai konduktivitas listrik. Hal ini terjadi akibat peningkatan suhu annealing menyebabkan peningkatan evaporasi film tipis sehingga ketebalan lapisan film tipis berkurang dan cacat strukturnya menurun. Kenaikan konduktivitas listrik akibat elektron yang mengalir akan meningkat karena terjadinya hamburan dengan cacat kristal yang cenderung menurun. Pengaruh suhu annealing terhadap nilai konduktivitas listrik optimal ketika suhu annealing 800 C namun nilai konduktivitas listrik menurun ketika suhu annealing dilakukan pada suhu 750 C. Penurunan nilai konduktivitas listrik terkait dengan suhu annealing disebabkan oleh penguapan yang dialami oleh film tipis LiTaO3. Atom-atom yang telah tersusun ketika proses pendeposisian mengalami penguapan dan menyebabkan penurunan kualitas kristal. 4.3 Koefisien Difusi Proses difusi dapat terjadi dalam keadaan gas, cair, maupun padat sehingga proses pendifusian ini dapat terjadi pada film lithium tantalat. Difusi merupakan peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Perbedaan konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi. Secara garis besar proses difusi terjadi karena adanya perpindahan struktur atom akibat pergerakan energi, dalam hal ini pergerakan atom-atom tersebut dipercepat pada saat film lithium tantalat berada dalam temperatur tinggi. Pada temperatur tinggi akan mengakibatkan terjadinya peregangan dan pergerakan pada struktur atom sehingga mengakibatkan terjadinya kekosongan antara atom induk dengan atom-atom tetangga. Dengan bantuan proses perlakuan permukaan, kekosongan yang terjadi antara atom induk dan atom tetangga akan terisi oleh atomatom lainnya akibat dari proses perlakuan permukaan, baik itu secara difusi interstisial maupun difusi vacancy (Milton, 1991). Mekanisme pendifusian atom dengan cara perpindahan atom-atom terhadap posisi dari pendifusian atom tersebut. Difusi vacancy merupakan mekanisme perpindahan atom karena adanya kekosongan tempat dalam struktur atom. Kekosongan tersebut akan di isi oleh atom-atom yang mengalami pergerakan akibat