UJI SIFAT LISTRIK FILM TIPIS BST DENGAN BERBAGAI KONSENTRASI PELARUT AZKI ZAINAL MILACH

Transkripsi

1 UJI SIFAT LISTRIK FILM TIPIS BST DENGAN BERBAGAI KONSENTRASI PELARUT AZKI ZAINAL MILACH DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2010

2 UJI SIFAT LISTRIK FILM TIPIS BST DENGAN BERBAGAI KONSENTRASI PELARUT Irzaman 1, A Milach 1 1 Departemen Fisika FMIPA IPB, Kampus IPB Dramaga Bogor Abstrak Film tipis Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3 (BST) pada Si tipe-p menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD). Karakteristik film tipis Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3 oleh LCZ meter model 2343 NF, sumber arus keithley 617, spektrofotometer, hasil osiloskop pada rangkaian seri sampel-resistor. Kondisi penumbuhan BST pada Si tipe-p menggunakan spin coating dengan kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik, setelah spin coating maka proses selanjutnya adalah pemanggangan dalam furnace model nabertherm Type 27 pada suhu 850 C selama 15 jam. Pengukuran konduktivitas menggunakan alat LCZ meter Model 2343 NF. Perhitungan konstanta dielektrik dengan menggunakan power supply, Osiloskop, resistor dengan hambatan Ω, dan, komputer. Power supply di set menggunakan sinyal kotak-kotak dengan tegangan 10 V peak-to-peak dan frekuensi 1 KHz. Karakterisasi kurva I-V menggunakan alat Keithley 617. Pengukuran reflektansi menggunakan alat spectrasuit spectrophotometer. Kata kunci : Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3, lapisan tipis, metode (CSD), kapasitansi, dielektrik

3 UJI SIFAT LISTRIK FILM TIPIS BST DENGAN BERBAGAI KONSENTRASI PELARUT AZKI ZAINAL MILACH SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi Fisika DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2010

4

5 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 15 Desember 1987 sebagai anak keempat dari pasangan Abdul Manaf dan Chofifah Pada tahun 2005, penulis diterima di Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) sebagai mahasiswa di Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.

6 i KATA PENGANTAR Alhamdulillahirobbil alamin, puji dan syukur penulis panjatkan hanya kepada Allah SWT, kebenaran mutlak alam semesta beserta isinya. Sholawat serta salam semoga tercurah kepada Rasulullah SAW. Dengan rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul Uji Sifat Listrik Film Tipis BST dengan Berbagai Konsentrasi Pelarut sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si) pada Departemen Fisika. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang banyak membantu penulis dalam menyelesaikannya, diantaranya : Bapak Dr.Ir. Irzaman M.Si selaku dosen pembimbing atas kesabaran, keikhlasan dan arahannya dalam membimbing penulis. Seluruh dosen, staf dan laboran Departemen Fisika IPB. Mama dan papa, terima kasih atas kasih sayang, do a yang tak terbatas dan pengorbanannya, semoga Allah membalasnya. Teteh sayang mama dan papa. Fisika 42 : Agung, Ahmad, Ais, Aji, Amel, Andre, Andri, Astri, Ario, Azam, Cinot, Cucu, Dahrul, Deni, Dewi, Dian, Eka, Faiz, Fahmi, Fitri Amanah, Gita, Hartip, Ijal, Jessi, Lili, Linda, Mahe, Mena, Mitha, Nani, Neneng, Niken, Nita, Obi, Radot, Roni, Surya, Taufik, Wenny. Pi2t, cinot All my friends Semua pihak yang telah ikut berperan dalam penyusunan proposal ini. Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. oleh karena itu penulis mengharapkan masukan baik kritikan, saran maupun koreksi yang sifatnya membangun. Semoga karya ini dapat bermanfaat. Wassalamu alaikum Wr.Wb. Bogor, Agustus 2010 Azki Zainal Milach

7 ii DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... ii DAFTAR TABEL... iii DAFTAR GAMBAR... iv PENDAHULUAN... 1 Latar belakang... 1 Tujuan... 1 TINJAUAN PUSTAKA... 1 Semikonduktor... 1 Feroelektrik... 2 Barium stronsium titanat ((Ba x Sr 1-x TiO 3 ))... 3 Metode chemical solution deposition (CSD)... 4 Fotodioda... 5 Fotokonduktif... 6 Konstanta dielektrik... 6 BAHAN DAN METODE... 7 Bahan dan alat... 7 Metodelogi... 7 TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN... 9 HASIL DAN PEMBAHASAN... 9 Konduktivitas listrik... 9 Hasil karakterisasi konstanta dielektrik Karakterisasi I -V (arus - tegangan) Reflektansi KESIMPULAN DAN SARAN UCAPAN TERIMA KASIH DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 16

8 iii No. DAFTAR TABEL TEKS Halaman 1. Tabel kentungan dan keterbatasan masing-masing metode penumbuhan BST Tabel pengaruh konduktivitas listrik terhadap daya lampu Tabel pengaruh konsentrasi BST terhadap konstanta dielektrik LAMPIRAN 1. Data konduktansi Data kurva I-V Data konstanta dielektrik Data kerapatan BST dengan berbagai variasi fraksi mol Sr... 22

9 iv No. DAFTAR GAMBAR TEKS Halaman 1. Level energi Nilai konduktivitas material semikonduktor Efek yang terjadi pada material ferroelectric Akumulasi muatan pada kapasitor Temperatur berpengaruh terhadap polarisasi spontan dan permitivitas dalam sebuah material ferroelectric BaTiO Kurva histerisis polarisasi terhadap medan listrik dalam ferroelectric PbTiO Perubahan parameter kisi dan daerah stabil ferroelectric dan paraelectric BST dengan komposisi Sr Konstanta dielektrik terhadap temperatur pada Ba 0,7 Sr 0,3 TiO Empat tahapan pada spin coating Karakteristik I-V pada reverse bias Plat fotokonduktif Rangkaian memberi muatan pada kapasitor sampai sebuah potensial ε Setelah saklar ditutup, akan terdapat tegangan jatuh di seberang resistor dan sebuah muatan pada kapasitor Plot muatan pada kapasitor terhadap waktu untuk rangkaian pengisian gambar Proses pemanggangan Diagram alir penelitian Struktur dan konfigurasi sel Fotovoltaik Pengujian fotodioda Hasil osiloskop pada konsentrasi BST 0,75 molar Hasil osiloskop pada konsentrasi BST 1,25 molar Hasil osiloskop pada konsentrasi BST 1,75 molar Kurva I-V pada molaritas BST 0,75 M Kurva I-V pada molaritas BST 1,25 M Kurva I-V pada molaritas BST 1,75 M Kurva reflektansi terhadap panjang gelombang... 13

10 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Peningkatan produksi film tipis dipengaruhi dua kejadian. Pertama-tama, penemuan HTSC (super konduktor panas tinggi) yang menunjukkan kerapatan arus yang lebih besar jika dideposisikan sebagai film tipis. Kedua, pengetahuan memori semikonduktor-ferroelectric yang dipakai untuk meningkatkan teknologi semikonduktor silikon. Dua ide ini mendorong ke arah satu usaha riset dan pengembangan di seluruh dunia dalam rangka mengintegrasikan film tipis electroceramic dengan chip. Film tipis ferroelectric menghadirkan pembaharuan untuk aplikasi elektronik sejak dan menghasilkan ferroelectric non-volatile misalnya. FeRAMs [random access memory feroelektrik]) dan hal ini diikuti oleh pengembangan film tipis ferroelectric di tahap paraelectric, untuk dipakai sebagai dielectric permitivitas tinggi untuk DRAM (random access memory dinamis).[5] Film tipis BST merupakan material dielektrik dan telah dipakai untuk beberapa aplikasi seperti kapasitor dan dynamic random access memory (DRAM) karena konstanta dielektrik yang tinggi dan kapasitas penyimpanan muatan.[4] Perilaku ferroelectric BST terjadi karena material tersebut dipengaruhi suhu serta perbandingan barium dan stronsium. sifat listrik bahan BST berhubungan pada fitur mikrostruktural, suhu pemanggangan, dan proses pembuatan BST.. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah : 1. Melakukan penumbuhan film tipis dengan perubahan molaritas BST (0,75 M, 1.25 M, 1.75 M) murni diatas substrat Si tipe-p dengan metode chemical solution deposition (CSD). 2. Menguji konduktivitas listrik film tipis dengan LCR meter. 3. Menghitung konstanta dielektrik 4. Menetukan sifat kelistrikan suatu film tipis BST dengan menggunakan I-V meter. 5. Menguji reflektansi film tipis yang tumbuh pada silikon tipe-p TINJAUAN PUSTAKA Semikonduktor Semikonduktor mempunyai hambat jenis antara 10-3 Ω cm 10 8 Ω cm, konduktivitas sebuah semikonduktor bertambah jika ada kenaikan suhu dan adanya irradiasi atau tumbukan cahaya. Konduktor mempunyai pita valensi dan pita konduksi yang saling tumpang tindih. Sehingga energi elektron untuk meloncat dari pita valensi ke pita konduksi sangat kecil atau hampir tidak membutuhkan energi. Seluruh elektron valensi dapat bebas berpindah ke bagian konduksi sehingga konduktivitas konduktor kecil. Isolator mempunyai band gap sekitar 6 ev yang memisahkan pita valensi dengan pita konduksi. Jika elektron tidak mempunyai energi sebesar 6 ev maka elektron tidak bisa bereksitasi ke pita konduksi. Band gap pada semikonduktor umunya 3 ev pada suhu kamar, pada BST band gap sekitar 3 ev. Pada suhu suhu 0 K, pita valensi penuh dengan elektron sedangkan pita konduksi tidak ada elektron, maka semikonduktor menjadi sebuah isolator. Jika suhu naik maka elektron mempunyai energi termal. Pada suhu ruang, elektron valensi mempunyai energi tambahan. Ini menunjukan bahwa semikonduktor mempunyai koefisien suhu negatif. Jika sebuah elektron menghilang pada pita kovalen maka dalam pita kovalen posisi dari elektron digantikan oleh hole, hole bermuatan positif. Pembentukan elektron-hole sebanding dengan transisi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Gambar 1. Level energi : (a). Konduktor (b). Semikonduktor (c). Isolator

11 2 Kapasitor dielektrik bisa menyimpan banyak muatan listrik karena polarisasi dielektrik P seperti gambar 4. jumlahnya tergantung muatan listrik yang tersimpan per unit area yang disebut electric displecement D, dan berelasi dengan medan listrik E. D = ε 0 E + P = ε 0 ε E Gambar 2. Nilai konduktivitas material semikonduktor. Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang murni, sifat kristal hanya ditentukan oleh atom material semikonduktor itu sendiri. Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor di doping dengan sebagian kecil atom lain, Ferroelectric Material ferroelectric adalah device material yang bisa mengeluarkan output berupa arus listrik jika diberi input berupa tekanan, panas dan cahaya. Material ferroelectric digunakan sebagai dielektrik permitivitas tinggi, sensor pyroelectric (panas), sensor piezoelectric (tekanan), device electrooptic, PTC (konstanta temperature positif), kadang kadang dikomersialkan sebagai sensor cahaya, aplikasi memory, dan display optik. Material dielektrik berisikan atomatom yang mampu berionisasi. Dalam kristal ionik, saat medan listik muncul, kation bergerak menuju katoda dan anion bergerak menuju anoda maka terjadi interaksi elektrostatik. Awan-awan elektron terbentuk karena dipole-dipole listrik. Fenomena ini dikenal sebagai polarisasi listrik dielektrik, polarisasi sebanding dengan jumlah dipoledipole listrik per unit volume [C/m 2 ]. Polarisasi material tergantung frekuensi medan yang timbul. Material ferroelectric dengan dipole permanen tidak bisa dipakai pada material-material dielektrik gelombang mikro. Permitivitas dari ferroeletric bertipikal tinggi pada frekuensi rendah (dalam orde KHz), tetapi menurun signifikan dengan kenaikan frekuensi medan listrik yang timbul. Bergantung pada struktur kristal, muatan positif dan negatif tersebar acak ketika tidak ada muatan listrik eksternal. polarisasi spontan adalah ketika ada medan listrik eksternal maka muatan-muatan tersebut terpolarisasi. Material ferroelectric, jika diberi tegangan atau panas maka material tersebut mengalami regangan. Material ferroelectric menimbulkan arus listrik karena deformasi. Fenomena ini disebut medan listrik disebabkan regangan. Jika sebuah medan listrik eksternal muncul pada kristal. Kristal mengalami perubahan dimensi. Maka kerapatan berkurang dan refraktif indeks bertambah. Fenomena ini disebut efek electrooptic. Gambar 3. Gambar 4. Efek yang terjadi pada material ferroelectric. Akumulasi muatan pada kapasitor [1].

12 3 listrik naik pada arah yang berlawanan, polarisasi menjadi jenuh. Medan listrik menghilang maka polarisasi menjadi -P r. Ketika, Medan listrik timbul kembali dengan arah seperti semula dan pada sebuah nilai medan lsitrik tertentu, medan koersif (E c ) jumlah polarisasi menjadi 0. Gambar 5. Temperatur berpengaruh terhadap polarisasi spontan dan permitivitas dalam sebuah material ferroelectric BaTiO 3 [1]. Gambar 6. Kurva histerisis polarisasi terhadap medan listrik dalam ferroelectric PbTiO 3 [2]. Barium stronsium titanat ((Ba x Sr 1-x TiO 3 )) BaTiO 3 mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi. Penambahan Sr pada BaTiO 3 menyebabkan temperatur curie menurun dari 130 C menjadi suhu ruang. BST mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi, loss dielectric, tegangan breakdown dielektrik tinggi dan komposisinya tergantung pada temperatur curie. Penelitian pada BST tidak berpusat pada konsentrasi film tipis dan polycrystalline. Namun, juga diteliti komposisi, stokiometri, mikrostruktur, ketebalan, karakteristik material elektroda dan homogenitas. Teknik penumbuhan BST berpengaruh terhadap komposisi, stokiometri, kristalinitas, dan ukuran serbuk sehingga mempengaruhi dielectric properties. Metode yang dipakai untuk penumbuhan BST seperti rfsputtering, laser ablation, metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), metalorganic deposition (MOD), dan sol-gel processing. Metode-metode diatas ada kekurangan dan kelebihan yang dimiliki masing-masing. Fase ferroelectric memunculkan histerisis karena transisi polarisasi spontan antara positif dan negatif. Material-material ferroelectric memberikan respon polarisasi non-linear terhadap medan listrik yang timbul. Kurva histerisis film ferroelectric dengan domains medan listrik. polarisasi menjadi linier dengan medan yang timbul. Maka kenaikan medan listrik, polarisasi mengalami kenaikan lebih cepat. Ketika semua berorientasi pada arah yang sama polarisasi menjadi jenuh. maka kenaikan medan listrik tidak akan membuat perbedaan pada nilai polarisasi maksimum. P s, ketika sebuah medan E menghilang polarisasi menurun menuju ke arah nilai tertentu, P r yaitu polarisasi sisa; jumlah polarisasi saat medan listrik 0. Ketika timbul medan listrik yang berlawanan arah dan pada sebuah nilai medan lsitrik tertentu, medan koersif (-E c ) jumlah polarisasi menjadi 0. Ketika medan

13 4 Tabel 1. Kentungan dan keterbatasan masing-masing metode penumbuhan BST Metode Keuntungan Keterbatasan Chemical Solution Deposition Inexpensive, low capital investment Rapid sampling of materials Homogeneity Low processing temperatures Phase control Morphology Reproducibility Pulsed Laser Deposition Rapid sampling of materials Quickly produce new materials Morphology Point defect concentration Scalability (small areas only) Uniformity High residual stress Gambar 7. Perubahan parameter kisi terhadap daerah stabil ferroelectric dan paraelectric BST dengan komposisi Sr. Sputtering MOCVD Cost Uniformity Scalability Standard IC processing Low growth temperatures Uniformity Morphology Small Scalability Point defect concentration Residual stresses Stoichiometry control Slow deposition rate for oxides Immature technology Precursor stability Precursor availability Expensive Jika BST dibawah temperature curie, pada suhu ruang untuk komposisi mol % Sr 0,25, struktur cubic perovskite, dan selain mol % Sr 0,25 struktur tetragonal perovskite. Gambar 8. Konstanta dielektrik terhadap temperatur pada Ba 0,7 Sr 0,3 TiO 3 Ketidakhadiran kondisi ferroelectric disebabkan : 1. Ukuran serbuk dibawah ukuran kritis serbuk (120 nm). 2. Heterogen. 3. Tertragonality (c/a) BST menurun dengan kenaikan komposisi Sr dan nilai (c/a) kecil tidak cukup untuk membuat pemisahan muatan dan polarisasi spontan Berikut Persamaan reaksi BST yang digunakan pada penelitian ini : 0.25Ba(CH 3 COO) Sr(CH 3 COO) 2 + Ti(C 12 H 28 O 4 ) + 22O 2 Ba 0.25 Sr 0.75 TiO CO H 2 O Metode chemical solution deposition Metode chemical solution deposition mempunyai keuntungan yaitu kontrol, homogen, dan murah. Prinsip dasar CSD adalah pembuatan larutan dan coating larutan pada substrat. Precursor yang dipakai untuk membuat larutan solid adalah alkoxides dengan komposisi umumnya

14 5 M(O-R) n dimana R alkyl radical (CH 3, C 2 H 5, dll). properties dan efek reaksi menentukan ciri khas material. Precursors yang dipakai harus memenuhi kriteria : precursors metal tinggi. Kelarutan tinggi. Precursors sesuai untuk reaksi kimia. Murah dan efektif untuk produksi. Decompose termal tanpa penguapan, mencair atau kehilangan deposit karbon. Kriteria zat pelarut : Pelarut harus mempunyai kecepatan menguap tinggi. Pelarut harus mempunyai konsentrasi yang dibutuhkan, viskositas dan tegangan permukaan yang sesuai. Homogen pada larutan sangat penting agar atom-atom dalam susunan lebih berdekatan sehingga menghasilkan fase crystalline. Spin coating mempunyai empat tahapan, yaitu : deposition, spin-up, spinoff, dan evaporation. Pada tahap deposition larutan ditumbuhkan pada substrat. Pada tahap spinup substrat diberi percepatan rotasi sehingga sehingga larutan dapat menyebar secara merata pada substrat. Pada tahap spin-off larutan menyebar merata pada substrat, larutan berangsur-angsur menjadi menipis. Gaya viskositas mempengaruhi kelakuan penipisan. Pada tahap evaporation larutan menjadi film tipis karena evaporation. Keuntungan spin coating adalah sebuah larutan cenderung mempunyai ketebalan seragam selama spin-off. Kecenderungan ini disebabkan keseimbangan antara sentrifugal dan gaya viskositas. Fotodioda Fotodioda beroperasi jika menyerap foton atau partikel bermuatan. Fotodioda bisa dipakai untuk mendeteksi ada atau tidaknya cahaya dan bisa dikalibrasi untuk pengukuran yang akurat dari intensitas dibawah 1 pw/cm 2 sampai intensitas diatas 100 mw/cm 2. Fotodioda digunakan pada spectroscopy, photography, instrumentasi analisis, sensor posisi optik, arah sinar, karakterisasi permukaan, penentu intensitas laser, komunikasi optik, dan instrumen imaging medis. Fotodioda adalah semikonduktor p-n junction beroperasi pada daerah reversebias berdasarkan fenomena efek fotovoltaic. Dalam kondisi ini, hole dan elektron menjauhi daerah junction sehingga menyebabkan pelebaran daerah deplesi. Ketika reverse-bias mulai naik, pembawa muatan mayoritas menjadi tidak bisa melewati potensial junction dan arus pembawa mayoritas berkurang. Karena jumlah arus dari daerah tipe-n ke tipe p meningkat. Kenaikan arus dengan kenaikan tegangan reverse bias berlanjut pada sampai titik dimana pembawa muatan mayoritas melewati junction. Arus konstan melewati junction adalah sama dengan arus pembawa muatan minoritas dan dikenal arus saturasi reverse. Karena dalam reverse-bias. dioda mempunyai hambatan tinggi untuk arus. Sebuah tegeangan kritis dikenal sebagai tegangan breakdown, dimana arus naik meningkat secara tajam. Dua parameter yang digunakan untuk menggambarkan sensitivitas photovoltaic yaitu: efisiensi kuantum η, jumlah pembawa muatan pada junction dan hambatan pada tegangan voltage zero-bias. ( ) Gambar 9. Empat tahapan pada spin coating Gambar 10. Karakteristik I-V pada reverse bias

15 6 Maka arus total yang mengalir pada fotodioda adalah I t = - I P + I d photocurrent berlawanan arah dengan arus forward-bias. Photocurrent didefinisikan sebagai: Dimana : I p : arus photocurrent e : muatan elektron η : efisiensi kuantum Q : jumlah foton per detik Fotokonduktif Sebuah semikonduktor mempunyai kemampuan untuk menjadi sebuah konduktor jika diberi panas, listrik, cahaya, dan lain-lain. Elektron yang berada pada sebuah semikonduktor akan mempunyai energi untuk loncat ke pita konduksi jika diberi energi. Sebuah plat fotokonduktif dengan panjang l, lebar w, dan ketebalan d, seperti gambar di bawah ini. Dengan R hambatan device. Ketika sebuah cahaya hadir pada suhu ruang di fotokonduktor maka hambatan pada fotokonduktor berubah. Elektron yang sebelumnya tidak mempunyai energi menjadi mempunyai energi karena mendapatkan energi dari foton yang menumbuk fotokonduktor. Karena adanya penambahan jumlah elektron dan hole maka akan mempengaruhi konduktivitas bahan, perubahan konduktivitas berbanding terbalik dengan perubahan hambatan. Perubahan hambatan fotokonduktor berbanding terbalik dengan daya cahaya yang hadir. Konstanta dielektrik Gambar 13. memperlihatkan sebuah rangkaian untuk mengisi kapasitor, yang kita asumsikan mula-mula tak bermuatan. Saklar tebuka awalnya, pada saat t = 0 muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positif kapasitor (gambar 13). Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal Kirchoff memberikan (1) Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor meningkat. σ = konduktivitas bahan w = lebar plat fotokonduktivitas d = tebal plat fotokonduktivitas l = panjang plat fotokonduktivitas σ d = konduktivitas gelap σ b = konduktivitas termal σ s = konduktivitas terang e = muatan elektron 1, C n 0 = kerapatan elektron p 0 = kerapatan hole µ n = mobilitas elektron µ p = mobilitas hole n b = kerapatan pasangan elektron-hole η = efisiensi kuantum τ n = half-time elektron τ p = half-time hole J s = jumlah foton per unit area dan unit waktu Subtitusikan +dq/dt untuk I dalam persamaan (1) memberikan (2) Pada saat t = 0 muatan pada kapasitor nol dan arusnya I 0 = ε/r. muatan lalu bertambah dan arus berkurang. Muatan mencapai nilai maksimum Q f = Cε ketika I sama dengan nol. Kalikan setiap suku dengan C pada persamaan (2). (3) Dengan A adalah konstanta sembarang. Dengan mengeksponensialkan tiap sisi persamaan (3) Gambar 11. Plat fotokonduktif (4) Dimana B adalah konstanta. Nilai B ditentukan oleh kondisi awal Q = 0 pada t = 0.

16 7 (5) Dimana Q f adalah muatan akhir. Arus diperoleh dengan menderensialkan persamaan (5). Tegangan pada kapasitor diperoleh dengan membagi tiap suku pada persamaan (5) dengan C. (6) Gambar 12. Rangkaian memberi muatan pada kapasitor sampai sebuah potensial ε. Kapasitor pada saat t = 0 bermuatan Q = 0, jika saklar ditutup maka kapasitor akan terisi muatannya. Jika laju pengisian kapasitor sama dengan laju mula-mula maka kapasitor akan terisi penuh setelah t = RC. Namun dari persamaan (6) laju pengisian kapasitor sebenarnya tidak konstan tapi lajunya turun terhadap waktu. Hal ini terjadi pada laju dimana kuantitas bertambah sebanding dengan kuantitas itu sendiri. Spesifikasi dasar yang dibutuhkan agar menjadi kapasitor yang bagus : Ukuran kecil, konstanta dielektrik tinggi, stabil terhadap perubahan temperatur. Konstanta dielektrik adalah sebuah pengukuran kemampuan material untuk menyimpan muatan dibandingkan dengan dengan ruang vakum dan sifat khas sebuah material. Kapasitansi sebuah material didefinisikan sebagai muatan tersimpan per unit tegangan C (farad) = Q (coulumb) / V (volt) Untuk sebuah plat paralel kapasitor Dimana adalah permitivitas vakum, A adalah luas plat konduktor, d adalah jarak antara dua plat, K adalah konstanta dielektrik bahan. Bahan dan Metode Gambar 13. Setelah saklar ditutup, akan terdapat tegangan jatuh di seberang resistor dan sebuah muatan pada kapasitor Gambar 14. Plot muatan pada kapasitor terhadap waktu untuk rangakaian pengisian gambar 12. Bahan dan alat 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 ), %] sebagai pelarut 2-methoksietanol [H 3 COOCH 2 CH 2 OH, 99.9 %], wafer silikon tipe-p berukuran 10 mm x 10 mm Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, spin coating, mortar, pipet, pemanas, pinset, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petri, isolasi, Ultrasonic model branson Masker. Furnace, Tissue. Alumunium foil. Pasta perak, kabel serabut, LCZ meter model 2343 NF, sumber arus keithley 617, spektrofotometer, Metodelogi Pembuatan film tipis Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3 menggunakan metode chemical solution depotition. 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 ), %]

17 8 sebagai pelarut 2-metoksietanol [H 3 COOCH 2 CH 2 OH, 99.9 %] dicampur pada tabung reaksi. Ultrasonic model branson 2210 dipakai selama 1 jam pada pencampuran agar bahan menjadi homogen. Larutan ditumbuhkan di atas wafer silikon (100) tipe-p dengan ukuran 10 mm x 10 mm. substrat dan silikon ditaruh pada spin coating. satu lapisan film diputar pada putaran 3000 rpm selama 30 detik. selanjutnya dipanggang pada suhu 850 C selama 15 jam di dalam furnace model nabertherm Type 27. karakterisasi Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3 oleh LCZ meter model 2343 NF, sumber arus keithley 617, spektrofotometer, hasil osiloskop pada rangkaian seri sampel-resistor. Gambar 15. Proses pemanggangan Gambar 16. Diagram alir penelitian

18 9 Gambar 17. Struktur dan konfigurasi sel Fotovoltaik BST yang sudah mengalami proses annealing dipasang kontak di atas permukaan substrat silikon dan di atas film tipis BST. Pembuatan kontak ini dilakukan di Lab fisika material (ITB). Gambar 17. merupakan sketsa kontak dan posisinya pada substrat dan film tipis. TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di laboratorium material dan laboratorium biofisika departemen fisika IPB dari bulan maret 2009 hingga bulan juli HASIL DAN PEMBAHASAN Konduktivitas Listrik Pengukuran konduktivitas menggunakan alat LCZ meter Model 2343 NF. Nilai konduktivitas yang diambil adalah nilai yang bertahan lama pada display. Pengukuran nilai konduktivitas listrik pada penelitian dilakukan dalam tiga kondisi yang berbeda, yaitu gelap (0 Watt), keadaan dengan lampu berdaya 50 Watt dan keadaan dengan lampu berdaya lampu 100 Watt. Pengukuran dilakukan pada temperatur ruang 27 o C. Hasilnya ditunjukkan oleh tabel 2. Berdasarkan data konduktivitas listrik yang tertera dalam tabel 2. semakin besar daya lampu semakin meningkatkan nilai konduktivitas listrik. Hal ini dikarenakan sifat fotokonduktif film. ketika semakin besar daya lampu yang digunakan untuk menyinari persambungan p-n antara film tipis BST dengan Si tipe-p akan mengakibatkan elektron pada film tipis menerima energi dari foton karena proses tumbukan antara elektron dengan foton. Elektron yang ditumbuk oleh foton mempunyai energi untuk keluar dari pita valensi menuju pita konduksi sehingga menyebabkan konduktivitas listrik semakin besar. Karena semakin meningkatnya jumlah elektron dari film tipis menuju silikon maka meningkatkan arus yang mengalir pada sampel. Molaritas BST mempengaruhi banyaknya elektron yang berada di film. Semakin besar konsentrasi BST maka akan semakin banyak elektron yang berada pada sampel maka konduktivitas listrik film tipis naik begitu juga sebaliknya. Nilai konduktivitas listrik terbesar didapat pada konsentrasi 1,75 molar dan nilai terkecil pada konsentrasi 0,75 molar.

19 10 Tabel 2. Tabel pengaruh konduktivitas terhadap daya lampu intensitas cahaya (watt) 0,75 molar (S/cm) 1,25 molar (S/cm) 1,75 molar (S/cm) 0 0,01 0,40 0, ,05 0,45 51, ,06 0,73 52,46 Tabel 3. Tabel pengaruh konsentrasi BST terhadap konstanta dielektrik Konsentrasi BST Konstanta Dielektrik (Molaritas) 0,75 5, ,25 41,2862 1,75 211,9355 Hasil Karakterisasi Konstanta Dielektrik Perhitungan konstanta dielektrik dengan menggunakan power supply. Osiloskop, resistor dengan hambatan Ω, dan, komputer. Power supply di set menggunakan sinyal kotak-kotak dengan tegangan 10 V peak-to-peak dan frekuensi 1 KHz. Osiloskop untuk melihat hasil dari grafik yang terbentuk. Data yang didapat dari osiloskop dieksport ke microsofot excel untuk diolah dalam perhitungan konstanta dielektrik film tipis BST Gambar 19. Hasil osiloskop pada konsentrasi BST 0,75 molar Gambar 20. Hasil osiloskop pada konsentrasi BST 1,25 molar Nilai konstanta dielektrik merupakan gambaran dimana material tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan. Dari gambar hasil keluaran pada osiloskop dapat dilihat bahwa kelengkungan pada sinyal menunjukan adanya penyimpanan muatan pada material tersebut Gambar 21. Hasil osiloskop pada konsentrasi BST 1,75 molar GGambar 18. Pengujian fotodioda Dari data di atas dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi kepekatan dari BST

20 11 maka semakin tinggi pula konstanta dielektrik dari bahan tersebut. Ini disebabkan karena semakin banyaknya bahan dielektrik antara plat konduktor tersebut, sehingga mempengaruhi konstanta dielektrik bahan, hasil pada osiloskop menunjukan pengisian tiap konsentrasi berbeda-beda. Pada konsentrasi 1,75 molar mempunyai konstanta dielektrik terbesar sedangkan konstanta dielektrik terendah pada konsentrasi 0,75 molar, Karakterisasi I -V (Arus - Tegangan) Karakterisasi kurva I-V menggunakan alat Keithley 617. kurva I-V diperlukan untuk melihat sifat fotodioda dari sampel, fotodioda bekerja pada daerah reverse bias. Nilai tegangan yang menyebabkan arusnya naik bervariasi untuk semua film. Tegangan yang menyebabkan arus mulai naik disebut tegangan breakdown. Karakterisasi I-V dilakukan dengan menggunakan I-V meter dengan dua perlakuan : kondisi terang dan kondisi gelap. Berdasarkan gambar 22 sampai dengan gambar 24 berbentuk kurva dioda dan ada perbedaan antara terang dan gelap. Karena ada perbedaan antara terang-gelap maka sampel bersifat fotodioda. Perbedaan kondisi terang dan gelap mempengaruhi besar tegangan breakdown dari masing-masing sampel. Fotodioda adalah suatu alat yang dibuat untuk berfungsi paling baik berdasarkan kepekaan terhadap cahaya sehingga cahaya yang datang menghasilkan elektron dan hole. Makin kuat cahayanya makin banyak pembawa minoritas dan makin besar arus baliknya. Untuk BST 0,75 M arus mulai mengalir deras pada kondisi gelap pada tegangan -1 V dan 1,5 V. Pada kondisi terang pada tegangan -0,5 V dan 3 V. Untuk BST 1,25 M arus mulai mengalir deras pada kondisi gelap pada tegangan -2,1 V dan 2,3 V. Pada kondisi terang pada tegangan -3,1 V dan 3 V. Untuk BST 1,75 M arus mulai mengalir deras pada kondisi gelap pada tegangan -0,3 V dan 1,3 V. Pada kondisi terang pada tegangan -1,1 V dan 1,7 V. Gambar 22. Gambar 23. Kurva I-V pada molaritas BST 0,75 M Kurva I-V pada molaritas BST 1,25 M

21 12 Gambar 24. Kurva I-V pada molaritas BST 1,75 M Reflektansi Pengukuran reflektansi menggunakan alat spectrasuit spectrophotometer. Dengan menggunakan referensi gelap berupa benda hitam dan referensi terang berupa cermin. dengan panjang gelombang yang dipakai antar 347,13 nm-1022,71 nm. Nilai reflektansi adalah kemampuan suatu bahan dapat memantulkan cahaya. Hasil yang diperoleh dengan variasi konsentrasi BST dapat dilihat bahwa BST mempunyai kemampuan reflektansi paling besar konsentrasi 0,75 molar dan paling kecil 1,75 molar

22 Gambar 25. Kurva reflektansi terhadap panjang gelombang 13

23 14 KESIMPULAN Film tipis Ba 0,25 Sr 0,75 TiO 3 (BST) murni di atas substrat Si tipe-p dengan menggunakan metode chemical solution deposition (CSD) merupakan bahan semikonduktor karena mempunyai nilai konduktivitas listrik antara S/cm, Konduktivitas listrik film tipis pada keadaan gelap pada suhu kamar dipengaruhi oleh konsentrasi BST. semakin besar konsentrasi BST semakin besar konduktivitas listrik, dan intensitas cahaya mempengaruhi kuantitas tambahan pasangan elektron-hole pada sampel. Nilai konstanta dielektrik akan semakin besar dengan semakin besarnya konsentrasi BST. Film tipis Ba 0,25 Sr 0,75 TiO 3 (BST) yang telah ditumbuhi di atas Si tipe-p dapat berfungsi sebagai fotodioda. Semakin tinggi konsentrasi BST maka semakin tinggi pula intensitas cahaya yang diserap begitu juga sebaliknya. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini didanai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi (DIKTI), Departemen Pendidikan Nasional sesuai surat perjanjian pelaksanaan hibah kompetitif penelitian unggulan strategis nasional: 431/SP2H/PP/DP2M/VI/2009, tanggal 25 Juni 2009 dan program penelitian Ilmu Pengetahuan Terapan/Penelitian Strategis Nasional 2010, DIPA IPB, Republik Indonesia dengan nomor kontrak 2/I3.24.4/SPK/PSN/2010 SARAN Pada penelitian selanjutnya untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, disarankan untuk melakukan teknik pendeposisian yang lebih terkontrol dan ruang pendeposisian harus bersih agar dapat mengurangi kontaminasi zat pada film tipis. Film tipis yang sudah di-coating sebaiknya langsung dipanggang agar tidak tercampur oleh bahan pengotor yang ada di atmosfer Pada proses anneling sebaiknya dilakukan secara masing-masing, karena kontaminasi zat akan terjadi pada proses penguapan. Pengukuran optik hendaknya dilakukan pada saat larutan belum dideposisikan pada silikon tipe-p Kabel penghubung antara masing-masing kontak dengan intreger (header) hendaknya memiliki konduktivitas yang tinggi karena arus yang timbul dari film tipis-si sangat kecil. Pada pemasangan kontak menggunakan pasta perak sebaiknya hati-hati jangan sampai pasta perak keluar dari area kontak agar tidak terjadi short circuit. Pada perhitungan konstanta dielektrik sebaiknya menggunakan resistor yang tidak besar hambatannya, dikhawatirkan resistor pada osiloskop terbaca sebagai kapasitor. Usahakan karakterisasi pada malam hari karena sangat kecil adanya noise.

24 15 DAFTAR PUSTAKA [1]. N. V. Giridharan, R. Jayavel, P. Ramasamy. Structural, Morphological and Electrical Studies on Barium Strontium Titanate Thin Films Prepared by Sol-Gel Technique. Crystal Growth Centre, Anna University, Chennai, India, 36, (2001). [2] A. Beiser, Konsep Fisika Modern, Erlangga, (1992). [3] K. Krane. Fisika Modern. Penerjemah Hans J. Universitas Indonesia ; Depok (1992). [4]. Irzaman, H. Darmasetiawan, M. Nur Indro, S.G. Sukaryo, M. Hikam, Na Peng Bo, M.Barmawi. Electrical Properties of Crystalline Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 Thin Films. [5]. U Adem. Preparation of Ba x Sr 1-x TiO 3 Thin Films by Chemical Solution Deposition And Their Electrical Characterization. [11]. Darmastiawan. H, Irzaman, Hikam M, Yogaraksa T Growth of Lead Zirconium Titanate (PbZr0.525Ti0.475O3) Thin Films Using Chemical Solution Deposition (CSD) Methode [12] S. T. Nurdianto, Pembuatan dan Karakterisasi Sel Surya Fotoelektrokimia Tersensitiasi Sye Berbasis Elektroda ZnO, Skripsi, Institut Pertanian Bogor, (2003). [13] Hamonangan A Operational Amplifier (Analisa Rangkaian Op-Amp Popular). [14]. Azizahwati. Studi Morfologi Permukaan Film Tipis PbZR 0,525 Ti 0,475 O 3 yang Ditumbuhkan Dengan Metode DC Unbalanced Magnetron Sputtering. Jurnal Nasional Indonesia 5(1), Indonesia, (2002). [6]. Ming-li. Ming Xia Xu.. Preparation of cauliflower-like shaped Ba 0,6 Sr 0,4 TiO 3. powders by modified oxalate coprecipitation method. Journal of Alloys and Compounds., 474 (2009) [7] V. Vlack, Ilmu dan Teknologi Bahan, Erlangga, (1987). [8]. F.M. Pontes, E. R. Leite, D. S. L. Pontes, and E. Longo. Ferroelectric and optical properties of Ba 0,8 Sr 0,2 TiO 3 Thin Films. J. Appl. Phys. Volume 91, Number [9] Handayani A., Sumaryo, Sitompul A Pengamatan Struktur Mikro dengan Mikroskop Optik dan Scanning Electrón Microscope (SEM-EDAX). Pusat Pendidikan dan Pelatihan Badan Tenaga Nuklir Nasional. Serpong. [10]. Irzaman, Y.Darvina, A Fuad, P.Arifin, M.Budiman and M Barmawi. Physical and Pyroelectric properties of Tantalum-oxide doped lead Zirconium titanate [Pb 0,995 O(Zr 0,525 Ti0,465Ta0,010)O3] Thin film and Their Application for IR Sensor,phys,stat,sol (a) 199, no ,9 (2003).

25 16 LAMPIRAN Data konduktansi KEADAAN 0 WATT konsentrasi tebal film (m) Konduktansi (S) konduktivitas (S/m) 0,75 molar , , ,25 molar , , ,75 molar , , KEADAAN 50 WATT konsentrasi tebal film (m) Konduktansi (S) konduktivitas (S/m) 0,75 molar , , ,25 molar , , ,75 molar , , KEADAAN 100 WATT konsentrasi tebal film (m) Konduktansi (S) konduktivitas (S/m) 0,75 molar , , ,25 molar , , ,75 molar , ,

26 17 Data kurva I-V Konsentrasi 0,75 molar Tegangan (V) Arus (A) gelap terang -5-0,0011-7, ,5-0, , ,0007-3, ,5-0, , , , ,5-0, , , , ,5-0, , , , ,5-1, , , , ,5 1, , , , ,5 5, , , , ,5 0, , , , ,5 0, , , , ,5 0, , , ,00105 Konsentrasi 1,25 molar Tegangan (V) Arus (A) gelap terang -5-3, , ,9-3, , ,8-3, , , , ,6-3, , ,5-3, , ,4-2, , ,3-2, , ,2-2, , ,1-2, , , ,9-2, , ,8-2, , ,7-2, , ,6-2, , , , , , ,3-1, , ,2-1, , ,1-1, ,

27 , , ,9-1, , ,8-1, , ,7-1, , ,6-1, , ,5-1, , ,4-1, , ,3-1, , ,2-1, , ,1-8, , , ,9-8, , ,8-8, , ,7-7, , ,6-6, , , , ,4-5, , ,3-5, , ,2-4, , ,1-4, , , , ,9-3, , , , ,7-2, , , , ,5-1, , ,4-1, , ,3-8, , ,2-5, , ,1-1, , , , , ,1 5, , ,2 9, , ,3 1, , ,4 1, , ,5 2, , ,6 2, , ,7 2, , ,8 3, , ,9 3, , , , ,1 4, , ,2 5, , ,3 5, ,

28 19 1,4 5, , ,5 6, , ,6 6, , ,7 7, , ,8 7, , ,9 8, , , , , , ,2 8, , ,3 9, , ,4 1, , ,5 1, , ,6 1, , ,7 1, , ,8 1, , ,9 1, , , , ,1 1, , ,2 1, , ,3 1, , ,4 1, , ,5 1, , ,6 1, , ,7 1, , ,8 1, , ,9 1, , , , ,1 1, , ,2 2, , ,3 2, , ,4 2, , ,5 2, , ,6 2, , ,7 2, , ,8 2, , ,9 2, , , , Konsentrasi 1,75 molar Tegangan (V) Arus (A) gelap terang -5-0, , ,9-0, , ,8-0, , ,7-0, ,0014-4,6-0,0051-0,00132

29 -4,5-0, , ,4-0, , ,3-0, , ,2-0, ,0012-4,1-0, , , , ,9-0, ,001-3,8-0, , ,7-0,0037-0, ,6-0, , ,5-0, , ,4-0, , ,3-0, , ,2-0, , ,1-0, , , , ,9-0, , ,8-0,0025-0, ,7-0, , ,6-0, , ,5-0, , ,4-0, , ,3-0, , ,2-0,0018-0,0003-2,1-0, , , , ,9-0, , ,8-0, , ,7-0, , ,6-0, , ,5-0, , ,4-0, , ,3-0, , ,2-0, , ,1-0, , , ,9-0, , ,8-0, , ,7-0, , ,6-0,0003-3, ,5-0, , ,4-0, , ,3-9, , ,2-4, , ,1-1, , , , , ,1 4, , ,2 9, , ,3 1, ,4 1, , ,5 2, , ,6 3, , ,7 3, , ,8 4, , ,9 5, , , , ,1 7, , ,2 8, , ,3 9, ,

30 1,4 0, , ,5 0, , ,6 0, , ,7 0, , ,8 0, , ,9 0, , , , ,1 0, , ,2 0, , ,3 0, , ,4 0, , ,5 0, , ,6 0, , ,7 0, , ,8 0,0004 0, ,9 0, , , , ,1 0, , ,2 0, , ,3 0, , ,4 0, , ,5 0, , ,6 0, , ,7 0, , ,8 0, , ,9 0, , , , ,1 0, , ,2 0, , ,3 0, , ,4 0, , ,5 0, , ,6 0, , ,7 0, , ,8 0, , ,9 0, , , ,

31 22 Data konstata dielektrik Konsentrasi BST (Molaritas) konstanta waktu (s) kapasitansi (C) tebal film tipis (m) luas kontak almunium (m 2 ) Konstanta Dielektrik 0,75 1, , , , , ,25 5,4E , , , ,2862 1,75 0, , , , ,9355 sampel Data kerapatan BST dengan berbagai variasi fraksi mol Sr fraksi mol Sr (x) temperatur pemanggangan T s ( C) kerapatan (g/cm 3 ) BST 25 0, ,17 BST 50 0, ,15 BST 75 0, ,67 BST 90 0, ,95 BST 25 0, ,13 BST 50 0, ,86 BST 75 0, ,85 BST 90 0, ,85