UJI SIFAT LISTRIK DAN SIFAT OPTIK FOTODETEKTOR BERBASIS FILM TIPIS BST DIDADAH Ta 2 O 5 SEBAGAI SENSOR WARNA INNA NOVIANTY

Transkripsi

1 1 UJI SIFAT LISTRIK DAN SIFAT OPTIK FOTODETEKTOR BERBASIS FILM TIPIS BST DIDADAH Ta 2 O 5 SEBAGAI SENSOR WARNA INNA NOVIANTY SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2011

2 2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini menyatakan bahwa tesis Uji Sifat Listrik dan Sifat Optik Fotodetektor Berbasis Film Tipis BST Didadah Ta 2 O 5 sebagai Sensor Warna adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun yang tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Bogor, Juli 2011 Inna Novianty NRP G

3 3 ABSTRACT INNA NOVIANTY. Electrical and Optical Properties of Photodetector Based On BST Thin Film Doped Ta 2 O 5 as Color Sensor. Under direction of IRZAMAN and AKHIRUDDIN MADDU. Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BST) thin films have been prepared on Si (100) p-type substrates using a chemical solution depotition (CSD) methode, using Ta 2 O 5 (BSTT) with variation of doping content (0%, 2,5%, 5%, 7,5%, and 10%). Chemical Solution Deposition Method (CSD) used the spin coating technique at a speed of around 3000 rpm for 30 seconds. BST thin films annealed at a temperature 850 o C, then characterized by spectrophotometer for optical properties characterization, LCR meter for electrical conductivity characterization and Shimadzu-7000 X-ray diffractometer for XRD characterization. The result shows that optical absorption has smaller reflectance with increasing Ta 2 O 5 dopant. This resulted in a decreased refractive index and bandgap energy of BST thin films. From current-voltage (I-V) characterization, we can conclude that BST thin film has a good response to color and light source. Electrical conductivity and dielectric constant value of BST and BSTT thin films are in the range semiconductor materials and electrical conductivity values obtained increased when the higher intensity light is used whereas resistance value could decrease if the light intensity is increased. The addition of tantalum pentaoxide dopant will increases electrical conductivity value of BST and BSTT thin films. X-Ray diffraction showed that BST thin film has a tetragonal crystal structure. Then, SEM-EDX characterization showed that BST thin film with Ta 2 O 5 dopant have been made successfully, we can see that grain size of BST thin film will decrease with increasing Ta 2 O 5 dopant. Keywords : BST thin film, Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3, Si type-p substrate, Chemical Solution Deposition (CSD), absorbance, reflectance, electrical conductivity, dielectric constant, XRD,SEM-EDX, Ta 2 O 5, color sensor.

4 4 RINGKASAN INNA NOVIANTY. Uji Sifat Listrik dan Sifat Optik Fotodetektor Berbasis Film Tipis BST Didadah Ta 2 O 5. Dibimbing oleh IRZAMAN dan AKHIRUDDIN MADDU. Kajian material ferroelektrik semakin banyak dilakukan dan dikembangkan oleh para ilmuwan. Salah satu material ferroelektrik yang banyak dikembangkan adalah Barium Strontium Titanate (BST). Barium Strontium titanate (BST) thin film banyak diaplikasikan sebagai Non Volatile Memory Device, Dynamic random Acces Memory (DRAM), voltage tunable device, Infra Red (IR), sensor kelembaban, sensor cahaya dan sensor gula. Selain itu, BST thin film dapat diaplikasikan sebagai fotodetektor. Salah satu jenis fotodetektor yang pernah dibuat adalah ZnSe metal insulator semikonductor (MIS). Fotodetektor ini disintesis pada substrat ZnSe yang dilapisi oleh BST (Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3 ) dan SiO 2. Selain itu terdapat pula fotodetektor berbasis GaN. Fotodetektor ini dibuat dari material yang memiliki energi bandgap yang lebar. Hal ini menyebabkan terbentuknya fotodetektor yang sensitif pada daerah panjang gelombang sinar ultra violet. Hal ini menimbulkan munculnya ide pembuatan fotodetektor berbasis film tipis BST yang dibuat pada substrat silikon. Fotodetektor ini sensitif pada daerah panjang gelombang sinar tampak dan infra merah. Sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor warna yang membutuhkan sensor yang peka pada daerah panjang gelombang cahaya tampak. BST thin film didadah Ta 2 O 5 dibuat dengan variasi persentase Ta 2 O 5, yaitu 0%, 2.5%, 5%, 7.5%, 10% dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD). Proses penumbuhan film tipis dilakukan dengan menggunakan reaktor spin coating. Kemudian reaktor spin coating diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Proses penetesan dilakukan sebanyak 3 kali. Film tipis BST di annealing pada suhu 850 o C selama 15 jam. Hasil sintesis film tipis BST di karakterisasi arus-tegangan (I-V), konduktivitas listrik, sifat optik mencakup absorbansi dan reflektansi, indeks bias, energi gap, konstanta dielektrik dan analisis mikrostruktur BST thin film berupa XRD dan SEM-EDX. Berdasarkan hasil karakterisasi I-V terlihat adanya pergeseran pada masing-masing kurva I-V. Sehingga dapat disimpulkan bahwa film tipis BST memiliki respon terhadap panjang gelombang sinar tampak sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor warna. Karakterisasi optik film tipis menunjukkan bahwa semakin besar persentase pendadah, maka semakin kecil nilai persen absorbansi film tipis. Hal ini berkaitan dengan energi gap film tipis yang akan semakin menurun seiring dengan bertambahnya persentase pendadah. Penurunan energi gap ini disebabkan oleh munculnya level baru diantara level valensi dan level konduksi yang dibentuk oleh pendadah Ta 2 O 5 sehingga memudahkan elektron naik ke level konduksi. Indeks bias film tipis BST meningkat hingga panjang gelombang 440 nm kemudian cenderung menurun seiring dengan bertambah besarnya panjang gelombang, dan mulai meningkat lagi membentuk hiperbolik. Nilai indeks bias cenderung menurun dengan bertambahnya persentase pendadah Ta 2 O 5. Penambahan pendadah akan menyebabkan bertambahnya nilai konstanta dielektrik. Pendadah Ta 2 O 5 akan

5 5 menyebabkan meningkatnya donor doping. Hal ini menyebabkan meningkatnya konsentrasi pembawa muatan negatif, sehingga medan listrik internal meningkat, daerah deplesi bertambah besar dan molekul dielektrik akan bertambah besar pula. Peningkatan intensitas yang jatuh pada film tipis meningkatkan arus pada film tipis, akhirnya akan menaikkan konduktivitas listrik film tipis. Secara umum penambahan doping Ta 2 O 5 meningkatkan konduktivitas film tipis akibat doping atom pentavalen menghasilkan banyak elektron pada pita konduksi. Berdasarkan hasil uji konduktivitas, film tipis BST berada pada rentang konduktivitas semikonduktor. Hasil XRD dan SEM-EDX menunjukkan bahwa film tipis BST yang ditumbuhkan diatas substrat silikon berhasil dibuat. Kata kunci : film tipis BST, Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3, substrat Si tipe-p, Chemical Solution Deposition (CSD), absorbansi, reflektansi, konduktivitas listrik, konstanta dielektrik, XRD,SEM-EDX, Ta 2 O 5, sensor warna.

6 6 \ Hak Cipta Milik IPB, tahun 2011 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan kependidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB Dilarang mengunumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis dalam bentuk apa pun tanpa ijin IPB

7 7 UJI SIFAT LISTRIK DAN SIFAT OPTIK FOTODETEKTOR BERBASIS FILM TIPIS BST DIDADAH Ta 2 O 5 SEBAGAI SENSOR WARNA INNA NOVIANTY Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Biofisika SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2011

8 Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Agus Kartono, M.Si 8

9 9 Judul Penelitian Nama NRP : Uji Sifat Listrik dan Sifat Optik Fotodetektor Berbasis Film Tipis BST Didadah Ta 2 O 5 sebagai Sensor Warna : Inna Novianty : G Disetujui Komisi Pembimbing Dr.Ir. Irzaman, M.Si Dr. Akhiruddin Maddu,S.Si, M.Si Ketua Anggota Diketahui Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Biofisika Dr. Agus Kartono, M.Si Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr Tanggal Ujian : 25 Juli 2011 Tanggal Lulus :

10 10 Tulisan ini saya persembahkan untuk Orang Tua tercinta Suami dan anakku tersayang Keluarga besar di Bogor dan Bintaro

11 11 PRAKATA Asslamu alalikum Wr.Wb Alhamdulillahi rabbil alamin. Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-nya, penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul Uji Sifat Listrik dan Sifat Optik Fotodetektor Berbasis Film Tipis BST Didadah Ta 2 O 5 sebagai Sensor Warna. Penelitian dilaksanakan sejak bulan Novemberr 2010 hingga Mei 2011 di Lab Biofisika Departemen Fisika IPB, Bogor. 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, M.Si dan Dr.Akhiruddin Maddu, S.Si, M.Si selaku komisi pembimbing yang selalu memberikan motivasi dan bantuan selama penulis menjalankan studi dan menyelesaikan penelitian ini. Penghargaan sebesar-besarnya kepada Biro Perencanaan Kerja sama Luar Negeri (BPKLN) Kemendiknas atas Beasiswa Unggulan yang diberikan kepada penulis sehingga penulis mendapatkan bantuan dana pendidikan dan penelitian. Ucapan terima kasih tak terhingga penulis sampaikan kepada Arief Nugroho Nur Prasetyo, Anisah Arienna NP, keluarga kecilku yang senantiasa menemani perjuangan penulis menyelesaikan tesis ini. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada ibu dan bapak atas kegigihan dan semangat pantang menyerah. Juga kepada keluarga penulis di Bintaro, mama, dan kakak tercinta atas segala kasih sayang, doa dan dukungan. Terima kasih kepada teman-teman mahasiswa Mayor Biofisika Sekolah Pascasarjana IPB, keluarga ketigaku, Mba Weni, Mba Desi, Mba Dila, Mba Ika, Mba Diah, Mba Manda, Nidia, Mba Novi, Rina, Ratih, Weni, Agis, Nur, Bu Irma, Bu Gusni, teman HIMMPAS IPB dan semua pihak yang telah memberikan bantuannya baik secara langsung maupun tidak selama penelitian hingga selesai tesis ini. Akhir kata, semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat untuk kita semua. Kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan untuk kemajuan aplikasi material yang sedang dikembangkan. Bogor, Juli 2011 Penulis

12 12 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 19 November 1986 dari pasangan Bapak Encep Sukatma dan Ibu Cicih. Penulis merupakan putri kedua dari tiga bersaudara. Penulis menempuh pendidikan di SDN Gunung Batu 1 Bogor pada tahun , SLTP N 1 Bogor pada tahun , SMU N 1 Bogor pada tahun dan pada tahun yang sama penulis diterima sebagai mahasiswa IPB melalui jalur SPMB di jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Penegetahuan Alam. Penulis menyelesaikan studi strata satu (S1) pada tahun Tahun 2008 penulis menjadi pengajar di SDIT Al Yasmin hingga Tahun Tahun 2009 penulis mendapat beasiswa dari Biro Perencanaan Kerja sama Luar Negeri (BPKLN) Kemendiknas berupa Beasiswa Unggulan untuk melanjutkan pendidikan ke Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor Program Mayor Biofisika.

13 13 DAFTAR ISI Halaman DAFTAR GAMBAR...xii DAFTAR TABEL...xiv DAFTAR LAMPIRAN...xv PENDAHULUAN... 1 Latar Belakang... 1 Tujuan Penelitian... 3 Perumusan Masalah...3 TINJAUAN PUSTAKA... 5 Bahan Ferroelektrik...5 Bahan Barium Stronsium Titanat...5 Bahan Pendadah Tantalum Pentaoksida (Ta 2 O 5 )...6 Fotodetektor...9 Kapasitansi dan Dielektrik Bahan Sifat Optik...14 Difraksi Sinar-X Morfologi Lapisan Tipis...17 METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian...19 Bahan dan Alat...19 Prosedur Penelitian...19 Metode Chemical Solution Deposition (CSD)...19 Pembuatan Film Tipis...19 Persiapan Substrat Si Tipe-p Pembuatan Larutan BST dan BSTT Proses Penumbuhan Film Tipis...21 Proses Annealing...22 Pembuatan Kontak pada Film Tipis Karakterisasi Film Tipis...24 Karakterisasi Kuat Arus Tegangan (I-V)...24 Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis Karakterisasi Sifat Dielektrik...24 Karakterisasi Konduktivitas Listrik Film Tipis...25 Karakterisasi Difraksi Sinar-X (XRD) Karakterisasi Scanning Electron Microscope (SEM)... 26

14 14 HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Arus Tegangan (I-V) Film Tipis Analisis Sifat Optik Film Tipis...32 Analisis Konstanta Dielektrik Film Tipis...37 Analisis Konduktivitas Listrik Film Tipis...40 Analisis Difraksi Sinar-X...41 Analisis SEM-EDX...45 KESIMPULAN DAN SARAN...51 Kesimpulan...51 Saran...52 DAFTAR PUSTAKA...53

15 15 DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Aplikasi BST berupa RAM Lambang skematis fotodioda Kurva histerisis Chip kapasitor BST Struktur Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 didadah Tantalum Pentaoksida Penampang melintang Fotodioda Keadaan fotodioda persambungan p-n Grafik karakteristik diode ideal silikon Rangkaian pengisi muatan pada kapasitor Absorpsi optik Prinsip dasar analisis struktur Kristal menggunakan difraksi sinar-x Skema Scanning Electron Microscope (SEM) Hubungan ketebalan film tipis terhadap (a) kecepatan spin coating (b) lama spin coating (c) Exhause volume. (d) exhause volume terhadap keseragaman ketebalan film tipis Proses spin coating Proses Annealing Prototipe sel Fotovoltaik (BST/Si) tampak atas Rangkaian RC untuk mengukur kapasitansi film tipis (a) Kurva I-V Film tipis BST tanpa doping. (b) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 2,5%. (c) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 5%. (d) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 7,5%. (e) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 10% (a) Kurva I-V Film tipis BST tanpa doping. (b) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 2,5%. (c) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 5%. (d) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 7,5%. (e) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 10% Kurva Absorbansi Film Tipis BST dengan Doping Ta 2 O Kurva Reflektansi Film Tipis BST dengan Doping Ta 2 O {ln(r-rmin)/(rmax-rmin)} 2 sebagai fungsi hʋ dan Plot Tauc untuk Film Tipis BST: (a) Tanpa Doping. (b) Doping 2,5%. (c) Doping 5%. (d) Doping 7,5%. (e) Doping 10%. (f) Hubungan Energi Gap terhadap persen doping Ta 2 O Kurva hubungan indeks bias terhadap panjang gelombang (a) Hasil Sinyal Osiloskop BST tanpa doping. (b) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta 2 O 5 2,5%. (c) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta 2 O 5 5%. (d) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta 2 O 5 7,5%. (e) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta 2 O 5 10 % Hubungan variasi doping Ta 2 O 5 terhadap konstanta dielektrik Grafik hubungan konduktivitas listrik terhadap intensitas cahaya Kristalografi Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 (a). Murni. (b) Doping Ta 2 O 5 2,5 %. (c) Doping Ta 2 O 5 5 % (d) Doping Ta 2 O 5 7,5 %.

16 (e) Doping Ta 2 O 5 10 %. (f) Pola difraksi BST dan BSTT Pola difraksi dari film tipis Ba 1-x Sr x TiO Hubungan parameter kisi terhadap komposisi Ba 1-x Sr x TiO Penampang melintang sampel BST :(a) murni, (b) doping Ta 2 O 5 7.5%, (c) doping Ta 2 O 5 10% Foto SEM film tipis BST dengan perbesaran 30000x : (a) murni, (b) doping Ta 2 O 5 7.5%, (c) doping Ta 2 O 5 10% Hasil EDX film tipis BST:(a) murni, (b) doping Ta 2 O 5 7.5%, (c) doping Ta 2 O 5 10%

17 17 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1 Kapasitansi dan konstanta dielektrik film tipis BST Tabel 2 Nilai konduktivitas listrik film tipis BST Tabel 3 Nomor puncak dan orientasi BST/BSTT pada bidang kristal Tabel 4 Parameter kisi BST dan BSTT struktur tetragonal Tabel 5 Ukuran kristal (crystalline size) partikel BST...45 Tabel 6 Ketebalan film tipis di atas substrat silikon tipe-p terhadap variasi doping Ta 2 O

18 18 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 Pembuatan Film Tipis Lampiran 2 Data Ketebalan Film Tipis BST dengan Metode Volumetrik Lampiran3 Data dan Perhitungan Konduktivitas Listrik Film Tipis BST Dan BSTT Lampiran 4 Olah data XRD Lampiran 5 Peralatan yang digunakan dalam penelitian... 65

19 19 PENDAHULUAN Latar Belakang Kajian material ferroelektrik semakin banyak dilakukan dan dikembangkan oleh para ilmuwan. Beberapa material ferroelektrik yang sering digunakan adalah : Barium Strontium Titanate (BST), Lead Zirconium titanate (PZT), Strontium Titanate (STO). Barium Strontium titanate (BST) thin film banyak diaplikasikan sebagai Non Volatile Memory Device, Dynamic random Acces Memory (DRAM), voltage tunable device, Infra Red (IR), sensor kelembaban, sensor cahaya dan sensor gula. Karakteristik sifat kelistrikan dan material lapisan tipis BST tergantung pada metode pembuatan film, jenis material doping, suhu annealing, dan ukuran grain. Metode pembuatan BST thin film diantaranya adalah Pulsed Laser Deposition (PLD), Metal organic Solution Deposition (MOSD), Sol-Gel Process dan RF Magnetron Sputtering. Pada penelitian ini, akan disintesa film tipis BST (Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 ) menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD) (Azizahwati, 2002). Salah satu aplikasi material ferroelektrik ditunjukkan pada Gambar 1. Fotodioda adalah salah satu contoh fotodetektor, yaitu sebuah alat optoelektronika yang dapat mengubah cahaya datang menjadi besaran listrik. Menurut Miles, efek fotodetektor berupa konversi energi foton menjadi energi listrik secara langsung. Si berbasis fotodetektor sensitif didaerah cahaya tampak dan infra merah. Respon Si berbasis fotodetektor rendah pada daerah ultraviolet karena energi bandgapnya yang kecil ( 1.1 ev pada suhu ruang) (Lin et al., 2006). Beberapa fotodetektor yang telah dikembangkan adalah ZnSe metal insulator semiconductor (MIS). Fotodetektor ini sensitif pada daerah UV karena bandgapnya yang lebar. Selain itu, fotodetektor merupakan sensor cahaya atau sensor energi elektromagnetik lainnya yang dapat mendeteksi dan mengukur output laser atau jenis sumber lainnya. Fotodetektor adalah devais yang dapat memberikan respon listrik yang bermanfaat untuk mengukur radiasi elektromagnetik yang datang. Fungsi fotodetektor diantaranya adalah devais

20 20 Gambar 1. Aplikasi BST berupa RAM penting pada hampir seluruh sistem listrik-optik dan laser. Fotodetektor menerima cahaya datang dan mengubahnya menjadi respon yang dapat diukur sehinga dibutuhkan pengukuran intensitas atau iradians dari cahaya datang. Fotodetektor sering digunakan bersama laser pada hampir seluruh aplikasi teknologi laser. Sebagai contoh, fotodetektor digunakan untuk mengukur dan mengontrol daya output laser pada aplikasi kerja logam. Selain itu, fotodetektor dibutuhkan untuk mengukur posisi dan gerak tepi interferensi dalam aplikasi pengukuran jarak. Selain itu, fotodetektor bertugas sebagai penerima dalam komunikasi optik. Fotodetektor dapat menghasilkan respon listrik berupa arus listrik atau tegangan. Sifat yang dimiliki fotodetektor diantaranya adalah respon yang tinggi pada suatu panjang gelombang untuk dideteksi, nilai noise yg kecil dan kecepatan yang cukup untuk mengikuti variasi sinyal optik yang akan dideteksi. Gambar 2 menunjukkan lambang skematis fotodioda. Panah yang mengarah ke dalam melambangkan cahaya yang datang. Sumber dan tahanan seri memberikan prategangan balik pada fotodioda. Bila cahaya makin cerah maka arus balik naik. Dalam fotodioda yang lazim arus balik tersebut besarnya sekitar puluhan mikroampere. Penelitian ini akan membuat film tipis BST yang didadah tantalum dengan berbagai variasi doping. Film tipis yang dihasilkan akan diaplikasikan pada rangkaian elektronik sensor warna terkait dengan kemampuannya menjadi fotodetektor. Gambar 2. Lambang skematis fotodioda

21 21 Tujuan Penelitian 1. Mensintesis film tipis BST dan film tipis BST didadah Ta 2 O 5 dengan variasi persentase Ta 2 O 5, yaitu 0%, 2.5%, 5%, 7.5%, 10%. 2. Membahas mengenai sifat fotodetektor dari film tipis BST didadah Ta 2 O 5 yang ditumbuhkan dengan metode CSD. 3. Mengamati pengaruh doping Ta 2 O 5 terhadap sifat listrik fotodetektor film tipis. Film tipis BST dan BSTT yang dihasilkan akan di karakterisasi arustegangan (I-V), konduktivitas listrik, sifat optik mencakup absorbansi dan reflektansi, indeks bias, energi gap, dan mikrostruktur BST. Perumusan Masalah Salah satu jenis fotodetektor yang pernah dibuat adalah ZnSe metal insulator semikonduktor (MIS). Fotodetektor ini disintesis pada substrat ZnSe yang dilapisi oleh BST (Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3 ) dan SiO 2. Selain itu terdapat pula fotodetektor berbasis GaN. Fotodetektor ini dibuat dari material yang memiliki energi bandgap yang lebar. Hal ini menyebabkan terbentuknya fotodetektor yang sensitif pada daerah panjang gelombang sinar ultra violet. Hal ini menimbulkan munculnya ide pembuatan fotodetektor berbasis film tipis BST yang dibuat pada substrat silikon. Fotodetektor ini sensitif pada daerah panjang gelombang sinar tampak dan infra merah. Sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor warna yang membutuhkan sensor yang peka pada daerah panjang gelombang cahaya tampak.

22 22

23 23 TINJAUAN PUSTAKA Bahan Ferroelektrik Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara spontan pada material akibat penerapan medan listrik yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu material ferroelektrik. 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 histerisis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat diaplikasikan pada sel memori Dynamic Random Acess Memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melebihi 1 Gbit seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat polaryzability dapat digunakan sebagai Non Volatile Ferroelectric Random Acsess Memory (NVRAM), sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada sensor inframerah dan sifat elektrooptik dapat diaplikasikan pada switch termal infra merah (Syafutra, 2008). Film tipis ferroelektrik merupakan material elektronik yang memiliki sebuah polarisasi listrik dengan adanya medan listrik eksternal, polarisasi ini dapat dihilangkan dengan memberikan medan eksternal yang arahnya berlawanan. Sifat listrik yang ditunjukkan material ini berkaitan dengan sifat listrik mikroskopiknya. Muatan positif dan negatif pada material ini tidak selalu terdistribusi secara simetris. Jika jumlah muatan dikali jarak untuk semua elemen dari sel satuan tidak nol maka sel akan memiliki momen dipol listrik. Momen dipol persatuan volume disebut sebagai polarisasi dielektrik (Syafutra, 2008). Contoh bahan ferroelektrik adalah LiTaO 3, Ba x Sr 1-x TiO 3, dan turunannya. Kurva hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E) ditunjukkan pada Gambar 3, 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

24 24 Gambar 3. Kurva histerisis 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 (Ec). Jika medan listrik kemudian dinaikkan kembali, 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 ditunjukkan loop histerisis (Marwan, 2007). 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 130 o C dan dengan adanya doping stronsium temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada devais yang memerlukan temperatur kamar. Film tipis BST telah difabrikasi dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation, dan sol-gel process. Kenaikan temperatur annealing akan menaikkan ukuran grain dalam kristal film tipis BST. Pada suhu annealing 700 o C struktur BST yang teramati adalah struktur kubik dengan konstanta kisi a= 3,97Å untuk 30% mol stronsium. Konstanta dielektriknya diukur dari kurva C-V kira-kira 120 dengan faktor disipasi 0,0236. Kebocoran rapat arus dari film adalah 4x10-8 A/cm dari perhitungan I-V menggunakan divais peralatan fabrikasi (Giridharan et al. 2001). Kapasitor BST memiliki keuntungan yaitu punya range 0,5 pf sampai 500 nf. Gambar 4 adalah contoh chip kapasitor BST.

25 25 Gambar 4. Chip kapasitor BST Berikut Persamaan reaksi barium stronsium titanat (BST): 0,5Ba(CH 3 COO) 2 + 0,5Sr(CH 3 COO) 2 + Ti(C 12 H 28 O 4 ) + 22O 2 Ba 0,5 Sr 0,5 TiO H 2 O + 16CO 2 Film tipis Ba x Sr 1-x TiO 3 ( BST ) merupakan material ferroelektrik yang banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi (ε r >> ε SiO2 ) dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity) sehingga dapat diaplikasikan sebagai kapasitor (Syafutra, 2008). Beberapa penelitian juga berpendapat kalau 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. Film tipis BST dapat dibuat dengan berbagai teknik di antaranya CSD, sputtering, laser ablasi, MOCVD dan proses sol gel. Bahan Pendadah Tantalum Pentaoksida (Ta 2 O 5 ) Pendadah memiliki fungsi untuk merubah parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari film tipis. Bahan pendadah material ferroelektrik terbagi menjadi dua jenis yaitu soft dopant dan hard dopant. Ion soft dopant dapat menghasilkan material ferroelektrik memiliki koefisien elastisitas yang lebih tinggi, sifat medan koersif yang lebih rendah, faktor kualitas mekanik dan listrik yang lebih rendah. Soft dopant disebut juga donor dopant karena menyumbang valensi yang berlebih pada struktur Kristal BST. Sedangkan ion hard dopant dapat menghasilkan

26 26 material ferroelektrik menjadi lebih hardness, sifat medan koersif yang lebih tinggi, faktor kualitas mekanik dan listrik yang lebih tinggi. Hard dopant disebut juga acceptor dopant karena menerima struktur berlebih dalam struktur Kristal BST ( Utami, 2007). Tantalum merupakan logam yang memiliki kemiripan sifat-sifat kimia dengan unsur non logam, tantalum lebih banyak ditemui dalam bentuk anion dibandingkan kation. Beberapa persenyawaan yang penting dari tantalum adalah halida dan oksida halida yang bersifat volatil dan mudah terhidrolisis. Beberapa sifat dari tantalum adalah logam mengkilat, titik lelehnya tinggi 2468 o 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, 2002). Penambahan sedikit pendadah dapat menjadikan perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektro-kimia, sifat elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari keramik pada film tipis. Penambahan tantalum pentaoksida akan mendapatkan bahan pyroelektrik bersifat menyerupai semikonduktor tipe-n (Darjito, 2002). Gambar 5 menunjukkan atom tantalum menggantikan atom titanium pada struktur BST (Darjito, 2002). Berat molekul tantalum pentaoksida lebih besar dibandingkan BST (barium stronsium titanat) besarnya berat bahan pendadah memungkinkan ketika proses annealing dilakukan pada temperatur tinggi bahan pendadah tidak mengalami penguapan. Pada annealing dengan temperatur tinggi dapat mengakibatkan film tipis BST yang telah dideposisi menguap sehingga mengurangi kualitas kristal film tipis BST. Dengan adanya penambahan tantalum pentaoksida 2,5%, 5%, 7,5% dan 10 %, bahan pendadah yang tidak mengalami penguapan, maka lapisan film tipis BSTT (semikonduktor tipe-p) akan lebih banyak terisi tantalum, sehingga akan meningkatkan sifat listriknya.

27 27 Gambar 5. Struktur Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 didadah Tantalum Pentaoksida Fotodetektor Fotodetektor terdiri dari beberapa jenis diantaranya devais tabung vakum, fotodioda semikonduktor, devais fotokonduktif semikonduktor dan termokopel. Aplikasi Film tipis BST sebagai fotodetektor dapat berupa devais fotodioda dan fotokonduktiv. Dioda adalah sambungan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi katoda sedangkan bahan tipe-n akan menjadi anoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, diode bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anode mendapatkan tegangan positif sedangkan katodenya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anode mendapatkan tegangan negative sedangkan katode mendapatkan tegangan positif). Kondisi tersebut terjadi hanya pada diode ideal. Pada diode faktual (riil), perlu tegangan lebih besar dari 0,7V (untuk diode yang terbuat dari bahan silikon). Tegangan sebesar 0,7V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Diode yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3V (Syafutra, 2007) Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenakan cahaya. Fotodioda biasanya mengacu pada sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh diode 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 ditumbuhkan biasanya memiliki

28 28 ketebalan 1μm 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(syafutra, 2008). Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron dalam struktur kristalnya akan terstimulus. Jika energi cahaya lebih besar dari pada energy bandgap (Eg), elektron akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan hole pada pita valensi. Pada Gambar 6 terlihat pasangan elektron-hole terjadi pada lapisan-p dan lapisann. 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 samasama akan menuju pita konduksi di sebelah kiri. 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 negatif pada lapisan-n. Jika lapisan-p dan lapisan-n dihubungkan dengan rangkaian luar, elektron akan mengalir dari lapisan-n dan hole akan mengalir dari lapisan-p seperti pada Gambar 7. Gambar 6. Penampang melintang Fotodioda. Gambar 7. Keadaan fotodioda persambungan p-n.

29 29 Gambar 8. Grafik karakteristik diode ideal silikon Grafik karakteristik diode ideal silikon ditunjukkan pada Gambar 8. Karakteristik diode menggambarkan perilaku diode ketika diberi panjar maju dan panjar mundur. Grafik ini digambarkan dengan sumbu X sebagai fungsi tegangan dan sumbu-y sebagai arus listrik yang muncul. Pada saat tegangann panjar maju (forward bias) kurang dari 0,6 V, maka arus listrik yang dihasilkan cukup kecil. Hal ini disebabkan karena adanya lapisan penghalang (depletion layer) sehingga hambatan cukup besar. Saat tegangan pajar maju lebih dari 0,,6 V, arus yang mengalir bertambah besar. Hal itu terjadi karena hambatan pada diode sambungan menjadi kecil. Pada saat panjar maju, tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N, sehingga elektron dari sisi N akan bergerak mengisi hole di sisi P. Jika elektron mengisi hole disisi P, maka akan terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut aliran hole dari P menuju N. Jika mengunakan terminologi arus listrik, maka dikatakan terjadi aliran listrik dari sisi P ke sisi N. Pada saat diberi panjar mundur ( reverse bias), arus yang mengalir sangat kecil dan dapat diabaikan. Pada saat terjadi panjar mundur, lapisan penghalang bertambah lebar. Dengan bertambah lebarnya lapisan penghalang ini, arus listrik akan sukar mengalir. Hanya arus listrik yang nilainya kecil yang disebabkan oleh ikatan yang putus padaa masing-masing semikonduktor saja yang muncul. Arus listrik ini disebut arus bocor. Apabila tegangan panjar mundur diperbesar akan semakin banyak arus bocor yang akhirnya dapat merusak sambungan p-n. Tegangan ini disebut breakdown voltage atau tegangan rusak. Kenyataannya, diode yang terbuat dari silikon memiliki nilai I sat yang sangat kecil yaitu berada pada orde A. Nilai ini tidak bisa dibaca pada alat ukur yang biasa dipakai

30 30 seperti osiloskop, volt meter digital dan lain sebagainya. Alat ukur yang bisa dipakai salah satunya disebut curve tracer. Persamaan teoretis untuk arus diode atau sering disebut persamaan diode ideal Shockley adalah: (1) Dimana I S adalah arus saturasi, n adalah koefisien emisi, dan V T adalah tegangan termal. i D dan v D adalah nilai arus listrik dan tegangan yang diplotkan pada Gambar 8. Koefisien emisi menunjukkan jumlah rekombinasi elektron dan hole di daerah deplesi, yang cenderung menurunkan arus listrik. Untuk diode yang diskrit, nilai n 2. Untuk diode sirkuit terintegrasi, nilai n 1. Nilai n yang berbeda dikarenakan pada diode sirkuit terintegrasi dibuat sebagaii transistor bipolar yang kolektornya terhubung ke basis. Sedangkan tegangan termal ditunjukkan oleh Persamaan 2 : (2) Dimana k adalah konstanta Boltzmann, T adalah temperatur Kelvin, dan q adalah muatan elektron. Nilai V T meningkat seiring dengan meningkatnya T, sehingga berdasarkan persamaan 1, meningkatnya T akan menyebabkan menurunnya nilai i D. Pada saat terjadi tegangan panjar mundur ( reverse bias) seperti yang terlihat pada Gambar 8, nilai eksponensial pada persamaan diode dapat diabaikan. Arus listrik yang muncul adalah konstanta (negatif) arus listrik reverse -I S. Sedangkan daerah breakdown reverse tidak dimodelkan oleh persamaan diode Shockley. Pada saat terjadi panjar maju (forward bias ), nilai eksponesial sangat besar karena tegangann termal sangat kecil, sehingga pengurangan 1 pada persamaan 1 dapat diabaikan dan arus listrik diode panjar maju mendekati Persamaan 3. (3) Kapasitansi dan Dielektrik Bahan Kapasitansi adalah kemampuan penyimpanan muatan untuk suatuu perbedaan potensial tertentu. Satuan dari kapsitansi adalah coulomb per volt, yang disebut

31 31 farad (F). Besarnya kapasitansi kapasitor tidak bergantung dari V dan Q, tetapi bergantung pada bentuk geometri dan dielektrik bahan kapasitor. Seperti pada Persamaan 4 : = (4) Dengan C kapasitansi kapasitor, ε konstanta dielektrik bahan, εo permitivitas ruang hampa (8,85 x C 2 m -2 N -1 ), d jarak antara dua plat (m), A luas penampang plat (m 2 ). Suatu material isolator, seperti kaca, kertas atau kayu disebut dielektrik. Ketika ruang di antara dua konduktor pada suatu kapasitor diisi dielektrik, kapasitansi naik sebanding dengan faktor k yang merupakan karaktristik dielektrik dan disebut konstanta dielektrik. Kenaikan kapasitansi ini disebabkan oleh melemahnya medan listrik di antara keping kapasitor akibat adanya bahan dielektrik. Dengan demikian, untuk jumlah muatan tertentu pada keping kapasitor, perbedaan potensial menjadi lebih kecil dan rasio Q/V bertambah besar (Tippler, 1991). Ketika suatu dielektrik diletakkan antara keping-keping kapasitor, medan listrik dari kapasitor mempolarisasikan molekul-molekul dielektrik. Hasilnya adalah terdapat suatu muatan terikat pada permukaan dielektrik yang menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan medan listrik luar. Dengan demikian, medan listrik antara keping-keping kapasitor akan menjadi lemah (Tippler, 1991). Proses pengisian kapasitor pada Gambar 9 dapat dijelaskan sebagai berikut. Pada saat saklar ditutup pada saat t = 0. Muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positip kapasitor. Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal Kirchoff memberikan = 0 (5) atau = 0 (6) Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor meningkat : = + (7)

32 32 Gambar 9. Rangkaian pengisi muatan pada kapasitor Subtitusikan persamaan 6 ke 7 : = + Pada saat t = 0, muatan pada kapsitor nol dan arusnya I 0 = / R. Muatan akan bertambah sedangkan arus berkurang, seperti tampak pada Persamaan 6. Muatan mencapai maksimum Q f = C ketika arus I sama dengan nol. Persamaan 8 diubah menjadi bentuk : = - Q (9) Time konstan atau konstanta waktu merupakan waktu yang dibutuhkan untuk berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya dan disimbolkan τ dan dirumuskan sebagai τ = RC. Pada kapasitor, muatan disimpan dalam material dielektrik yang mudah terpolarisasi dan mempunyai tahanan listrik yang tinggi (sekitar ) untuk mencegah aliran muatan diantara plat kapasitor. Gambar memperlihatkan rangkaian RC untuk pengisian muatan dan tegangan yang ada pada kapasitor diperoleh : ( ) = ( ) = 1 / (10) (8) Sifat Optik Pengukuran sifat optik merupakan hal yang sangat penting dalam penentuan energi bandgap material semikonduktor. Transisi elektronik yang terjadi akibat foton bergantung pada energi bandgap (Bishop, 2009). Besarnya energi bandgap ini berpengaruh pada proses absorpsi dan transmisi foton. Ketika material semikonduktor disinari maka foton diserap dan menimbulkan pasangan elektronhole seperti yang terlihat pada Gambar 10. Jika energi foton sama dengan energi

33 33 Gambar 10. Absorpsi Optik bandgap maka terjadi proses (a), jika energi foton lebih besar dari pada energi bandgap maka terjadi proses (b) di mana pada peristiwa ini terdapat tambahan energi panas sebesar (hv =Eg), jika material semikonduktor terdapat ketidakmurnian maka akan terdapat pita donor dan dapat terjadi transisi seperti pada proses (c). Pada proses (a) dan (b) dinamakan transisi intrinsik (transisi band to band) (Sze et al., 2007). Absorbansi merupakan kebalikan dari transmitansi, yaitu fraksi radiasi datang yang diserap oleh medium, dinyatakan oleh: = log = log = ln (11) Koefisien absorpsi α adalah fraksi radiasi yang diserap dalam satuan jarak yang dilalui dan merupakan karakteristik medium tertentu dan panjang gelombang tertentu. Absorpsi foton bergantung pada sifat bahan semikonduktor dan panjang gelombang cahaya yang datang. Arus yang dihasilkan oleh sebuah sel surya bergantung pada panjang gelombang cahaya yang datang. Hal ini merupakan karakteristik dari bahan semikonduktor dan dinyatakan pada persamaan: = (12) Absorpsi A merupakan karakteristik bahan. Berdasarkan Persamaan 8 dan Persamaan 9, hubungan transmitansi dan koefisien absorpsi sebagai panjang gelombang dapat dinyatakan sebagai berikut : = ln (%) (13) Absorpsi material semikonduktor menyebabkan terjadinya eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Transisi pada material semikonduktor dapat dituliskan dengan persamaan : (h ) = h (14)

34 34 dengan : α = koefisien absorpsi, C = konstanta, hυ = energi foton, Eg = energi gap, n = ½ untuk transisi langsung, n = 2 untuk transisi tidak langsung. Selain itu, pengukuran sifat optik sangat penting untuk penentuan indeks bias film tipis. Sumber cahaya yang melewati film tipis, sebagian akan ditransmisikan dan sebagian lagi akan direfleksikan oleh film tipis tersebut. Pengukuran transmisi dan refleksi dapat digunakan untuk memperoleh data band edge, koefisien serapan optik, energi gap, indeks bias dan sebagainya. Hubungan antara reflektivitas dan indeks bias film tipis sesuai dengan persamaan 15. (Nussbaum et al. 1976) = = + = = = 1+ 1 (15) Difraksi Sinar-X Zat padat dibedakan menjadi 2 kategori yaitu kristal dan amorf. Kristal dibentuk oleh ion-ion, atom-atom dan molekul-molekul yang kemudian tersusun menjadi pola tiga dimensional yang teratur dan terulang. Jenis kristal mempunyai keteraturan dengan jangkauan yang panjang dalam susunan partikel pembangunnya. Sedangkan amorf strukturnya memiliki keteraturan dengan jangkauan yang pendek. Salah satu cara yang digunakan untuk mengetahui keteraturan atom atau molekul adalah dengan menggunakan difraksi sinar-x. Sinar-x merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang pendek. Akibat adanya radiasi elektromagnet yang diarahkan pada kristal akan memberikan efek interferensi. Interferensi pada kondisi tertentu yaitu jika arah bidang kristal terhadap berkas sinar-x (θ) memenuhi persamaan Bragg, akan mengalami penguatan. Prinsip ini digunakan untuk mengetahui struktur dari kristal.

35 35 Gambar 11. Prinsip dasar analisis struktur kristal menggunakan difraksi sinar-x Sinar-X merupakan radiasi elektromagnet energi tinggi. Sinar-X mempunyai panjang gelombang antara 0.01 nm sampai 1.15 pm. Panjang gelombang tersebut berada pada range jarak antar atom dalam sistem kristal. Oleh karena itu sinar-x dapat digunakan untuk memahami struktur dari bahan (Beiser,1987). Berdasarkan hukum braggs difraksi sinar-x terjadi pada dengan ketentuan: 2 = (16) dengan d = jarak antar atom, λ = Panjang gelombang sinar- X, θ = Sudut difraksi. Hasil difraksi maksimum dan minimum dari sinar-x selanjutnya ditangkap oleh detektor dalam bentuk cps ( counter per second ). Puncak puncak terdeteksi untuk sudut tertentu berkaitan dengan indek Miler (hkl). Jarak bidang dan hkl pada kristal kubik dirumuskan: = (17) Prinsip kerja penentuan karakteristik bahan khususnya struktur kristal menggunakan sinar-x diperlihatkan pada Gambar 11. Morfologi Lapisan Tipis Scanning Electron Microscope (SEM) adalah salah satu tipe mikroskop elektron yang mampu menghasilkan resolusi tinggi dari gambaran suatu permukaan sampel. Oleh karena itu gambar yang dihasilkan oleh SEM mempunyai karakteristik secara kualitatif dalam 3 dimensi karena menggunakan elektron sebagai pengganti gelombang cahaya serta berguna untuk menentukan struktur permukaan sampel. Diagram skema SEM dapat dilihat pada Gambar 12.

36 36 Mikroskop elektron ini memfokuskan sinar elektron (electron beam) di permukaan obyek dan mengambil gambar dengan mendeteksi elektron yang muncul pada permukaan obyek. Perbedaan tipe dari SEM memungkinkan penggunaan yang berbeda-beda antara lain untuk studi morfologi, analisis komposisi dengan kecepatan tinggi, kekasaran permukaan, porositas, distribusi ukuran partikel, homogenitas material atau untuk studi lingkungan tentang masalah sensitifitas material. Teknik SEM dapat digabungkan dengan teknik EDX (Energy Dispersive X- ray Spectrometry). Teknik EDX digunakan untuk mengetahui berbagai kandungan unsur kimia dalam sampel dengan cara menangkap dan mengolah sinyal fluoresensi sinar-x yang dipancarkan untuk suatu volume kecil di permukaan sampel. Gambar 12. Skema Scanning Electron Microscopy

37 37 METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Material Departemen Fisika IPB dari Bulan November 2010 sampai dengan bulan Mei Bahan dan Alat Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, reaktor spin coating, mortal, pipet, gelas ukur iwaki 10ml, pinset, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petritis, tissue, isolasi, dan blower PT310AC, spektrofotometer, x ray difractometer. 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 Pentaoksida [(Ta 2 O 5 )], pelarut 2- metoksietanol [H 3 COCH 2 CH 2 OH, 99%], substrat Si (100) tipe-p. Prosedur Penelitian Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Metode Chemical Solution Deposition (CSD) merupakan cara pembuatan film dengan pendeposisian larutan kimia diatas substrat dan dipreparasi dengan spin coating pada kecepatan tertentu. Proses spin coating banyak digunakan untuk pembuatan film tipis. Prosesnya yaitu dengan mendeposisikan larutan di tengah substrat dan kemudian substrat diputar dengan kecepatan tinggi (biasanya 3000 rpm). 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 parameter yang dipilih pada proses spin coating. Faktor seperti berkontribusi terhadap sifat lapisan film. Proses spin coating terdiri dari menyiapkan larutan, pendeposisian di permukaan substrat, pemutaran spin coating, penghilangan pelarut. Secara khusus kecepatan spin akan berpengaruh pada ketebalan film. Rentang ketebalan yang dihasilkan oleh alat spin coating

38 38 Gambar 13. Hubungan ketebalan film tipis terhadap (a) kecepatan spin coating (b) lama spin coating (c) Exhause volume. (d) exhause volume terhadap keseragaman ketebalan film tipis. adalah 1 µm -200 µm. Untuk film yang lebih tebal dibutuhkan material berviskositas tinggi, kecepatan putar rendah, dan waktu putar yang lebih pendek. 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. Ketebalan film tipis akan berbanding terbalik dengan kecepatan dan waktu spin. Ketebalan film akan sebanding dengan volume gas buang hasil putaran dan berbanding terbalik dengan keseragaman ketebalan film tipis. Dalam prakteknya, alat spin coating memiliki beberapa kelebihan yaitu tebal lapisan dapat diatur, biaya relatif murah, mudah dalam pembuatan, menggunakan material dan peralatan sederhana (Syafutra, 2008). Pembuatan Film Tipis Persiapan Substrat Si Tipe-p Substrat yang digunakan adalah substrat Si (100) tipe-p. Substrat dipotong membentuk segi empat dengan ukuran 1 cm x 1 cm dengan menggunakan mata intan. Substrat yang telah dipotong kemudian dicuci. Substrat ini direndam dalam

39 39 aseton Pro Analysis selama 10 menit lalu diangkat dan disonikasi selama 10menit. Substrat ini kemudian direndam dalam deionezed water. Selanjutnya, substrat dimasukkan kedalam larutan Metanol Pro Analysis selama 10 menit kemudian diangkat dan digetarkan dengan ultrasonic selama 10 menit. Substrat ini direndam lagi dengan deionezed water. Kemudian diangkat dan dicelupkan dalam campuran larutan HF dan dye water (perbandingan 1:5) sambil digetarkan selama 1 menit. Substrat ini diangkat, kemudian direndam kembali dan digetarkan dalam dye water selama 10 menit. Pembuatan Larutan BST dan BSTT Film tipis BaSrTiO 3 yang ditumbuhkan di atas substrat Si tipe-p menggunakan 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 O4H 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 fraksi molar untuk Sr sebesar 0,5. Untuk pembuatan larutan BSTT, metode CSD yang digunakan sama seperti pada pembuatan larutan BST. Hanya saja pada BSTT ditambahkan bubuk tantalum pentaoksida (Ta 2 O 5 ) sebanyak 0%, 2.5%, 5%, 7.5% dan 10 % dari BST yang terbentuk. Masing-masing variasi doping dilakukan ulangan sebanyak lima kali. Sehingga jumlah seluruh sampel adalah 25 buah. Untuk mendapatkan komposisi yang sesuai dengan yang diharapkan, bahan-bahan tersebut ditimbang dengan menggunakan neraca analitik sebelum dilakukan pencampuran. Setelah bahan-bahan dicampur, larutan dikocok selama 1 jam dengan menggunakan Bransonic 2510 agar larutan yang terbentuk homogen. Proses Penumbuhan Film Tipis Proses penumbuhan film tipis dilakukan dengan menggunakan reaktor spin coating. Substrat silikon type-p yang telah dicuci siap dilakukan penumbuhan film tipis dengan menggunakan reaktor spin coating. Piringan reaktor spin coating ditempel dengan double tipe ditengahnya, kemudian substrat diletakkan di atasnya. Hal ini dilakukan agar substrat tidak terlepas saat piringan reaktor spin

40 40 coating berputar. Substrat yang telah ditempatkan di atas piringan spin coating ditetesi larutan BST atau BSTT sebanyak 1 tetes. Kemudian reaktor spin coating diputaran 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 ada. Proses selanjutnya adalah annealing yang bertujuan mendifusikan larutan BST dan atau BSTT dengan substrat serta pembentukan struktur kristal. Proses spin coating dapat dilihat pada Gambar 14. Proses Annealing Proses selanjutnya adalah proses annealing. Proses ini bertujuan untuk mendifusikan larutan BST dan BTST pada substrat. Proses annealing pada suhu yang berbeda akan menghasilkan karakterisasi film tipis yang berbeda dalam hal struktur Kristal, ketebalan dan ukuran butir. Substrat type-p yang telah ditumbuhi lapisan tipis BST dan atau BSTT (0%, 2.5%, 5%, 7.5%, 10%) kemudian dilakukan proses annealing (pemanasan) pada suhu 850 C untuk substrat silikon tipe-p. Masing-masing dilakukan selama 15 jam penahanan. Proses annealing dilakukan secara bertahap, dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu annealing yang diinginkan dengan kenaikan suhu pemanasan 1,7 C/menit. Setelah mencapai suhu annealing yang diinginkan selama 8.5 jam, suhu ini ditahan konstan selama 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace cooling sampai didapatkan kembali suhu ruang. Penelitian ini menggunakan furnace model Vulcan Proses annealing dapat dilihat pada Gambar 15. Pembuatan Kontak Pada Film Tipis Setelah dilakukan proses annealing, proses selanjutnya adalah pembuatan kontak. Proses ini meliputi proses pembuatan pola film tipis dengan ukuran 1 mm x 1 mm menggunakan aluminium foil serta metalisasi yang dilakukan di fisika material Institut teknologi Bandung (ITB). Bahan kontak yang dipilih adalah aluminium 99,999%. Setelah kontak terbentuk, proses selanjutnya adalah pemasangan hider, agar proses karakterisasi film tipis dapat dilakukan dengan

41 41 mudah. Kemudian dilakukan penyolderan kawat tembaga dengan memakai bahan pasta perak pada kontak. Gambar dari film tipis yang telah diberi kontak dan hider ditunjukkan oleh Gambar 16. Gambar 14. Proses spin coating Gambar 15. Proses annealing Konektor Isolator/plastik Kawat Kontak BST/BSTT tipe-n Si tipe-p Konektor Gambar 16. Prototipe BST/Si tampak atas

42 42 Karakterisasi Film Tipis Karakterisasi Kurva Arus-Tegangan (I-V) Karakterisasi kurva I-V akan dilakukan Lab. Fisika Material IPB menggunakan I-V Meter. Karakterisasi arus-tegangan dilakukan untuk melihat sifat dominan dari film tipis BST. Sifat yang mungkin diperoleh adalah diode, fotodiode, resistor atau fotoresistor. Pengukuran arus tegangan film tipis menggunakan Keithley s SourceMeter family Model 2400 pada dua kondisi yaitu pada kondisi gelap dan kondisi terang yang disinari lampu 3000 Lux untuk semua kombinasi kontak pada film yang sama. Tegangan pencatu yang diberikan pada film tipis adalah -20 V sampai + 20 V dengan kenaikan 0,2 V. Selain itu, karakterisasi arus tegangan dilakukan dengan bantuan filter warna. Filter warna yang digunakan adalah filter merah, biru, hijau dan kuning. Hal ini dilakukan untuk melihat senstivitas BST jika nanti diaplikasikan sebagai sensor warna. Hasil pengukuran berupa kurva hubungan antara arus dan tegangan. Dari data tersebut dibuat hubungan antara tegangan dan arus menggunakan Microsoft Excell. Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis Karakterisasi sifat optik film tipis bertujuan untuk melihat spektrum absorbansi dan reflektansi film tipis sehingga dapat ditentukan sumber cahaya yang akan digunakan saat film tipis BST dijadikan sensor. Karakterisasi ini dilakukan di Laboratorium Biofisika IPB. Karakterisasi ini menggunakan Spektrofotometer VIS-NIR Ocean Optics USB Spektrofotometer ini menggunakan serat optik dan sumber cahaya yang digunakan mempunyai rentang dari 339 nm-1022 nm dengan metode refleksi. Kurva yang diperoleh berupa kurva absorbansi terhadap panjang gelombang dan kurva reflektansi terhadap panjang gelombang. Dari kurva tersebut dapat dianalisis sifat optik dari film tipis. Karakterisasi Sifat Dielektrik Karakterisasi konstanta dielektrik film tipis bertujuan untuk mengetahui nilai konstanta dielektrik film tipis sebagai aplikasi film tipis dalam pembuatan

43 43 5 kω Gambar 17. Rangkaian RC untuk mengukur kapasitansi film tipis kapasitor. Rangkaian yang digunakan adalah rangkaian RC seperti pada gambar 17. Dari rangkaian pengukuran ini akan diperoleh waktu pengosongan dan waktu pengisian.waktu pengisian terjadi ketika t = RC sehingga diperoleh nilai kapasitansi. Setelah diperoleh nilai kapasitansi, nilai konstanta dielektrik dapat diperoleh dari persamaan 4. Karakterisasi Konduktivitas Listrik Film Tipis Konduktivitas film tipis diukur dengan menggunakan LCR meter. Dari hasil pengukuran ini akan diperoleh nilai konduktansi (G). Setelah itu dapat diperoleh nilai resistansi dari persamaan R = 1/G. Sedangkan nilai konduktivitas dapat berbanding terbalik dengan nilai resistivitas. Konduktivitas listrik film tipis diukur dalam berbagai variasi yaitu pada kondisi gelap (0Lux), sedangkan kondisi terang dengan intensitas cahaya 250 Lux, 500 Lux, 750 Lux, dan 1000 Lux. Data konduktansi ini digunakan untuk menghitung nilai konduktivitas listrik film tipis. Data yg diperoleh akan dibandingkan dengan literatur mengenai nilai konduktivitas bahan konduktor, semikonduktor atau isolator. Karakterisasi Difraksi Sinar-X (XRD) Karakterisasi difraksi sinar-x dilakukan untuk mengetahui parameter kisi, struktur kristal dan derajat kekristalan dalam suatu sampel atau bahan Oleh karena itu, dilakukan karakterisasi difraksi sinar-x lapisan tipis BST dan BSTT menggunakan X Ray Diffractometer ( Shimadzu XRD-7000).

44 44 Tahapan pelaksanaan uji struktur kristal dengan XRD adalah sebagai berikut: 1. Sampel diletakkan pada sampel holder dari difraktometer sinar-x. 2. Proses difraksi sinar-x dimulai dengan menyalakan difraktometer. Difraktometer ini menggunakan sumber Cu dengan tegangan 30 kv, arus 30 ma dan panjang gelombang, λ = 1,540 Ǻ. Pada penelitian ini dilakukan pengambilan data pola difraksi dengan cara kontinyu pada daerah sudut hamburan ( 2 ) dari 10 o 70 o. 3. Diperoleh hasil berupa hubungan antara sudut difraksi 2 dan intensitas sinar- X yang dipantulkan. Karakterisasi Scanning Electron Microscope (SEM) Karakterisasi dengan SEM dilakukan untuk studi morfologi, analisis komposisi dengan kecepatan tinggi, kekasaran permukaan, porositas, distribusi ukuran partikel, homogenitas material atau untuk studi lingkungan tentang masalah sensitifitas material. Sampel yang telah dilapisi diamati menggunakan SEM dengan tegangan dan perbesaran tertentu. Perbesaran yang dipakai pada pengukuran ini adalah kali. Teknik SEM dapat digabungkan dengan teknik EDX (Energy Dispersive X-ray Spectrometry). Teknik EDX digunakan untuk mengetahui berbagai kandungan unsur kimia dalam sampel dengan cara menangkap dan mengolah sinyal fluoresensi sinar-x yang dipancarkan untuk suatu volume kecil di permukaan sampel. Analisis komposisi bahan dapat diperoleh dengan memonitor sinar -X yang dihasilkan dari interaksi elektron dengan spesimen. Ketika berkas elektron mengenai spesimen elektron akan menembus sampai ke suatu kedalaman yang bergantung secara langsung pada energi elektron dan nomor-nomor atom dari atom-atom yang ada di dalam spesimen. Pembentukan gambar pada SEM berasal dari berkas elektron yang direfleksikan oleh permukaan sampel. Perbedaan panjang gelombang dari sumber pencahayaan ini mengakibatkan perbedaan tingkat resolusi yang dapat dicapai ( Pusdiklat BATAN 2004).

45 45 HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Arus-Tegangan Film Tipis Karakterisasi arus-tegangan digunakan untuk menentukan sifat film tipis BST. Pengukuran arus dan tegangan film tipis menggunakan alat I-V meter dan dilakukan pada kondisi gelap dan terang. Pengukuran ini dilakukan pada semua variasi kontak yang telah dibuat. Hasil karakterisasi film tipis menghasilkan kurva hubungan arus-tegangan yang mirip karakteristik kurva dioda. Hal ini menunjukkan bahwa film tipis BST murni maupun BST yang didoping oleh tantalum pentaoksida memiliki sifat dioda. Film tipis yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe p, sedangkan film tipis BST dan BSTT merupakan semikonduktor tipe-n. Persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n dikenal sebagai 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). Pada Gambar 18 menunjukkan kurva karakterisasi arus-tegangan BST dan BSTT pada kondisi gelap dan terang. Dari kurva yang diperoleh akan terlihat adanya pergeseran antara kurva yang diperoleh pada kondisi yang disinari dan kondisi gelap. Hal ini disebabkan karena adanya tambahan arus pada pita konduksi. Tambahan arus pada pita konduksi disebabkan oleh tereksitasinya elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Proses eksitasi ini akan terjadi jika energi foton yang datang lebih besar dari energi bandgap. Jika sebagian elektron pada pita valensi tidak berekombinasi, elektron ini dapat tereksitasi menuju pita konduksi dan menghasilkan arus listrik. Pada kurva terlihat bahwa saat disinari oleh lampu, diperoleh kurva yang lebih cepat mencapai tegangan knee ( nilai tegangan yang menyebabkan arusnya naik) dan memiliki nilai arus yang lebih besar dibandingkan saat kondisi gelap. Pada saat disinari lampu, energi foton yang diterima oleh film tipis akan menyebabkan terjadinya difusi elektron. Hal ini menyebabkan terjadinya penyempitan celah antara pita valensi dan pita konduksi.

46 46 Kurva I-V Film Tipis BST Pendadah Ta 2 O 5 0% Arus (μa) Tegangan (Volt) Terang Gelap (a) Kurva I-V Film Tipis BST Pendadah Ta 2 O 5 2,5% Arus (μa) Tegangan (V) Terang Gelap (b) Kurva I-V Film Tipis BST Pendadah Ta 2 O 5 5% Arus (μa) Tegangan (V) Terang Gelap (c)

47 47 Kurva I-V Film Tipis BST Pendadah Ta 2 O 5 7,5% 2000 Arus (μa) Tegangan (V) Terang Gelap (d) Kurva I-V Film Tipis BST Pendadah Ta 2 O 5 10% Arus (μa) Tegangan (V) Terang Gelap (e) Gambar 18. (a) Kurva I-V Film tipis BST tanpa doping. (b) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 2,5%. (c) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 5%. (d) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 7,5%. (e) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 10%. Adanya pengaruh doping menyebabkan semakin banyaknya elektron bebas dan hole pada kristal (P.A. Tippler, 1991). Penambahan doping tantalum pentaoksida menyebabkan bertambahnya konsentrasi pembawa muatan mayoritas (elektron dan hole). Hal ini menyebabkan meningkatnya arus elektron pada pita

48 48 konduksi dan arus hole pada pita valensi. Dengan banyaknya elektron bebas pada film tipis, maka akan menyebabkan terjadinya peningkatan nilai konduktivitas. Penelitian ini terdiri dari lima perlakuan yaitu film tipis BST tanpa doping, film tipis BST yang didadah tantalum pentaoksida sebanyak 2,5%, 5%, 7,5% dan 10%. Kurva tersebut menunjukkan adanya pergeseran saat diberi cahaya. Hal ini menunjukkan bahwa film tipis memiliki respon terhadap cahaya. Pergeseran yang kecil menunjukkan arus foto yang dihasilkan kecil dan sensitivitasnya kurang baik, begitu juga sebaliknya. Berdasarkan hasil karakterisasi I-V, terlihat bahwa film tipis BST dengan doping Tantalum pentaoksida sebanyak 7.5 % memiliki nilai arus paling besar dan sensitivitas paling baik. Kurva I-V Film Tipis BST Pendadah Ta 2 O 5 0% dengan Variasi Filter Warna Arus (A) Tegangan (V) Tanpa Filter Filter Biru Filter Hijau Filter Kuning Filter Merah (a) Kurva I-V Film Tipis BST Pendadah Ta 2 O 5 2,5% dengan Variasi Filter Warna Arus (A) Tegangan (V) Tanpa Filter Filter Biru Filter Merah Filter Hijau Filter Kuning (b)

49 49 Kurva I-V Film Tipis BST Pendadah Ta 2 O 5 5% dengan Variasi Filter Warna Arus (A) Tegangan (V) (c) Tanpa Filter Filter Biru Kurva I-V Film Tipis BST Pendadah Ta 2 O 5 7,5% dengan Variasi Filter Warna Arus (A) Tegangan (V) Tanpa Filter Filter Biru (d) Kurva I-V Film Tipis BST Pendadah Ta 2 O 5 10% dengan Variasi Filter Warna Arus (A) Tegangan (V) (e) Tanpa Filter Filter Biru Filter Merah Filter Hijau Filter Kuning Gambar 19. (a) Kurva I-V Film tipis BST tanpa doping. (b) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 2,5%. (c) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 5%. (d) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 7,5%. (e) Kurva I-V Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 10%.

50 50 Gambar 19 menunjukkan hubungan kurva arus-tegangan dengan variasi filter warna. Karakterisasi ini dilakukan untuk melihat respon film tipis BST terhadap warna-warna cahaya tampak, sehingga diharapkan film tipis ini dapat diaplikasikan sebagai sensor warna. Filter warna yag digunakan pada penelitian ini adalah warna biru, merah, hijau, dan kuning. Filter warna ini akan menyeleksi panjang gelombang sinar polikromatik yang kemudian akan diteruskan menuju film tipis. Panjang gelombang yang berbeda akan memiliki energi foton yang berbeda pula, sehingga akan terjadi perbedaan arus listrik yang dihasilkan apabila film tipis diberi tegangan. Berdasarkan hasil karakterisasi I-V, dapat dilihat adanya pergeseran pada masing-masing kurva I-V. Sehingga dapat disimpulkan bahwa film tipis BST memiliki respon terhadap warna. Analisis Sifat Optik Film Tipis Pengukuran sifat optik film tipis BST dilakukan menggunakan spectrometer USB 2000 serat optik dengan metode refleksi dan program Oceanoptic. Panjang gelombang yang digunakan dalam pengukuran ini adalah panjang gelombang pada rentang panjang gelombang 339 nm sampai 1022 nm. Rentang panjang gelombang tersebut termasuk rentang panjang gelombang visible-near infrared( VIS-NIR). Gambar 20 menunjukkan kurva absorbansi film tipis untuk BST murni, BST yang didadah tantalum pentaoksida sebanyak 2,5%, 5%, dan 10%. Kurva tersebut menunjukkan munculnya spektrum serapan film tipis pada rentang panjang gelombang cahaya tampak hingga infra merah dekat. Hal tersebut menunjukkan bahwa film tipis dapat diaplikasikan sebagai sensor cahaya dan warna karena serapannya pada daerah cahaya tampak. Selain itu, film tipis ini juga dapat diaplikasikan sebagai sensor suhu karena munculnya spektrum serapan pada panjang gelombang inframerah. Dari hasil pengukuran sifat optik film tipis, diperoleh data persen absorbansi dan persen reflektansi. Pada Gambar 21 terlihat bahwa apabila persentase pendadah berbeda, maka akan menghasilkan persen absorbansi yang berbeda pula. Semakin besar persentase pendadah, maka semakin besar pula nilai persen absorbansi film tipis. Oleh karena itu terlihat bahwa nilai persentase absorbansi

51 51 terbesar dimiliki BST yang didadah oleh Ta 2 O 5 sebanyak 10% dan nilai persentase absorbansi terkecil dimiliki oleh BST tanpa pendadah. Sedangkan dari Gambar 21 diperoleh persen reflektansi dengan analisis sebaliknya. BST yang didadah oleh Ta 2 O 5 10% memiliki nilai persen reflektansi terkecil dan BST tanpa pendadah memiliki nilai persen reflektansi terbesar. Hal ini terjadi karena pengaruh persentase doping yang dapat menurunkan energi bandgap masingpeningkatan masing film tipis. Berdasarkan gambar 20 dan 21, terlihat bahwa dengan persentase pendadah Ta 2 O 5 akan mengakibatkan meningkatnya nilai persen absorbansi film tipis dan menurunnya nilai persen reflektansi film tipis. Dari karakterisasi sifat optik yang telah dilakukan, pendadah Ta 2 O 5 10% merupakan persen pendadah paling baik. Gambar 20. Kurva Absorbansi Film Tipis BST dengan Doping Ta 2 O O 5 Gambar 21. Kurva Reflektansi Film Tipis BST dengan Doping Ta 2 O O 5

52 52 (a) (b) (c)

53 53 (d) (e) 3.35 Energi Gap % 2% 4% 6% 8% 10% 12% Persen doping Ta 2 O 5 (f) Gambar 22. {ln(r-rmin)/(rmax-rmin)} 2 sebagai fungsi hʋ dan Plot Tauc untuk Film Tipis BST: (a) Tanpa Doping. (b) Doping 2,5%. (c) Doping 5%. (d) Doping 7,5%. (e) Doping 10%. (f) Hubungan Energi Gap terhadap persen doping Ta 2 O 5.

54 54 Melalui pengukuran sifat optik film tipis BST, diperoleh data reflektivitas. Melalui data ini, kita dapat mengetahui informasi mengenai indeks bias, koefisien serapan optik, energi gap dan kerapatan elektron pada pita valensi. Gambar 22 menunjukkan data energi gap untuk masing-masing doping Ta 2 O 5. Berdasarkan gambar tersebut, diperoleh nilai energi gap untuk BST murni sebesar 3,28 ev, BST doping Ta 2 O 5 2,5% sebesar 3,23 ev, BST doping Ta 2 O 5 5% sebesar 3,3 ev, BST doping Ta 2 O 5 7,5% sebesar 3,26 ev, dan BST doping Ta 2 O 5 10% sebesar 3,16 ev. Berdasarkan data tersebut, terlihat bahwa doping Ta 2 O 5 pada BST cenderung akan menurunkan energi gap film tipis. Penurunan energi gap ini disebabkan oleh munculnya level baru diantara level valensi dan level konduksi yang dibentuk oleh doping Tantalum. Tantalum merupakan unsur bervalensi lima, sehingga level baru terbentuk dekat pita konduksi. Level yang dibentuk tantalum ini merupakan level donor. Atom bervalensi lima akan memberikan kelebihan elektron sebagai pembawa muatan negatif. Apabila atom donor ditambahkan pada suatu semikonduktor, tingkat energi yang diperkenankan akan berada sedikit dibawah pita konduksi. Dengan demikian, hampir semua elektron donor akan masuk ke pita konduksi pada suhu kamar (Rudy Setiabudy, 2007). Sehingga jika persen doping tantalum meningkat, maka jumlah atom donor akan meningkat pula. Hal ini akan semakin memperkecil energi gap. Gambar 23. Kurva hubungan indeks bias terhadap panjang gelombang

55 55 Pengukuran indeks bias suatu bahan merupakan parameter yang penting dan sangat mempengaruhi sifat optiknya. Indeks bias ini dapat diperoleh dari data reflektansi film tipis BST. Pada gambar 23 terlihat bahwa indeks bias meningkat hingga panjang gelombang 440 nm kemudian cenderung menurun seiring dengan bertambah besarnya panjang gelombang, dan mulai meningkat lagi membentuk hiperbolik. Berdasarkan data tersebut, diperoleh indeks bias film tipis sebesar 1,46 (indeks bias minimum) dan 2,65 (indeks bias maksimum) untuk doping Ta 2 O 5 0%, 1,21 (indeks bias minimum) dan 2,36 (indeks bias maksimum) untuk doping Ta 2 O 5 2,5%, 1,12 (indeks bias minimum) dan 2,71 (indeks bias maksimum) untuk doping Ta 2 O 5 5%, 1,10 (indeks bias minimum) dan 2,23 (indeks bias maksimum) untuk doping Ta 2 O 5 7,5%, dan 1,18 (indeks bias minimum) dan 1,62 (indeks bias maksimum) untuk doping Ta 2 O 5 10%. Nilai indeks bias cenderung menurun dengan bertambahnya doping Ta 2 O 5. Analisis Konstanta Dielektrik Film Tipis Salah satu manfaat film tipis BST adalah dapat digunakan sebagai kapasitor. Sifat kapasitor dapat muncul diakibatkan karena adanya lapisan deplesi pada sambungan p-n. Pada lapisan ini terdapat muatan negatif dan positif. Lapisan deplesi ini muncul karena elektron dan hole berdifusi ke daerah yang memiliki konsentrasi rendah dan berekomendasi satu sama lain. Hole dalam tipe-p lebih tinggi konsentrasinya daripada hole dalam tipe-n. Mereka berdifusi dari daerah tipe-p ke tipe-n. proses yang sama terjadi pada elektron. Akan tetapi proses ini tidak terjadi terus menerus. Jika hole meninggalkan daerah tipe-p dan hilang ke dalam daerah tipe-n karena berekomendasi, sebuah akseptor akan diionisasikan menjadi negatif dalam daerah tipe-p membentuk ruang negatif. Hal yang sama terjadi pada elektron yang meninggalkan muatan ruang positip pada daerah tipe-n, ini membangkitkan medan listrik yang mulai dari ruang bermuatan positip, berakhir pada ruang bermuatan negatif. Medan listrik ini menghambat hole untuk berdifusi dari daerah tipe-p ke tipe-n, juga demikian pada elekton terhambat berdifusi dari tipe-n ke tipe-p (S. Reka Rio et al, 1999). Karakterisasi konstanta dielektrik film tipis dilakukan dengan menyusun rangkaian listrik seperti pada Gambar 17. Sinyal generator digunakan untuk

56 56 mencatu sebesar 10 V dan frekuensi yang digunakan sebesar 100kHz. Tegangan yang dipakai 10 V, artinya tegangan peak to peak besarnya 10 V, sehingga 1 kotak nilainya 2,2 V ( pada sumbu vertikal osiloskop). Sedangkan untuk skalaa horizontal digunakan perioda sebesar 1/ sekon, atau 10 µs. Artinya 1 kotak horizontal nilainya 2,5 µs. Gambar 24 menunjukkan hasil keluaran dari osiloskop. Sinyal masukan berupa sinyal kotak seperti yang terlihat pada Gambar 24 a. Sedangka gambar lainnya menunjukkan kelengkungan pada sinyal kotak akibat adanya proses penyimpanan muatan pada material ferroelektrik. Tabel 1 menunjukkan bahwa penambahan doping akan menyebabkan bertambahnya nilai konstanta dielektrik. Doping Ta 2 O 5 akan menyebabkan meningkatnya donor doping. Hal ini menyebabkan meningkatnya konsentrasi pembawa muatan negatif, sehingga medan listrik internal meningkat. Hal ini yang menyebabkan daerah deplesi bertambah besar. Jika hal ini terjadi, maka molekul dielektrik akan bertambah besar pula. Oleh karena itu, film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 dapat digunakan sebagai kapasitor (a) (b)

57 57 (c) (d) (e) (f) Gambar 24. (a). Hasil Sinyal Osiloskop dengan hambatan 5kΩ tanpa BST (b) Hasil Sinyal Osiloskop BST tanpa doping. (c) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta 2 O 5 2,5%. (d) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta 2 O 5 5%.(e) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta 2 O 5 7,5%.(f) Hasil Sinyal Osiloskop BST dengan doping Ta 2 O 5 10 %.

58 58 Tabel 1. Kapasitansi dan konstanta dielektrik film tipis Persentase Doping Ta 2 O 5 Konstanta Dielektrik Nilai Kapasitansi 0% , 246nF 2.50% ,208 nf 5% ,27 nf 7.50% ,28 nf 10% ,29 nf Konstanta Dielektrik (Ɛ) Hubungan Variasi Doping Ta 2 O 5 terhadap Konstanta Dielektrik 0% 2.50% 5% 7.50% 10% Doping Ta 2 O 5 Gambar 25. Hubungan variasi doping Ta 2 O 5 terhadap konstanta dielektrik Analisis Konduktivitas Listrik Film Tipis Pengukuran konduktivitas listrik film tipis dilakukan dengan mengukur nilai konduktansinya menggunakan alat LCR meter. Dari data konduktansi akan didapatkan nilai resistansi, sehingga nilai konduktivitas listriknya dapat dihitung. Pengukuran konduktansi film tipis ini dilakukan pada kondisi gelap dan kondisi terang dengan variasi intensitas cahaya 250 lux, 500 lux, 750 lux dan 1000 lux. Konduktivitas listrik semikonduktor dapat berubah apabila material tersebut diberi cahaya. Konduktivitas listrik naik jika intensitas diberikan semakin besar. Peningkatan konduktivitas ini dikarenakan tereksitasinya elektron pada pita valensi ke pita konduksi( M.A Omar, 1993). Elektron pada pita konduksi bebas bergerak di bawah pengaruh medan listrik. Oleh karena itu, semakin banyak elektron tereksitasi ke pita konduksi akibat disinari membuat arus semakin meningkat dengan demikian konduktivitas listriknya juga meningkat(sutrisno, 1986). Pengaruh doping Ta 2 O 5 dan intensitas cahaya terhadap konduktivitas film tipis dapat dilihat pada Tabel 2. Dari tabel diketahui konduktivitas maksimum

59 59 Konduktivitas Listrik BSTT Konduktivitas (10-6 S/m) Film Tipis BSTT ( Doping 0%) Film Tipis BSTT (Doping 2.5%) Film Tipis BSTT(Doping 5%) Film Tipis BSTT(Doping 7.5%) Intensitas Cahaya (Lux) Gambar 26. Grafik hubungan konduktivitas listrik terhadap intensitas cahaya Tabel 2. Nilai konduktivitas listrik film tipis BST Intensitas cahaya (Lux) Doping 0% Doping 2.5% Konduktivitas ( 10-6 S/m) Doping 5% Doping 7.5% Doping 10% terjadi pada intensitas cahaya 1000 lux dan doping 10%. Peningkatan intensitas yang jatuh pada film tipis meningkatkan arus pada film tipis, akhirnya akan menaikkan konduktivitas listrik film tipis. Secara umum penambahan doping Ta 2 O 5 meningkatkan konduktivitas film tipis. Peningkatan konduktivitas listrik akibat penambahan doping tantalum pentaoksida diakibatkan karena doping atom pentavalen menghasilkan banyak elektron pada pita konduksi karena tiap atom pentavalen menyokong satu elektron pita konduksi (A.P Malvino, 1979). Orde nilai konduktivitas listrik yang didapatkan, film tipis BST dan BSTT termasuk material semikonduktor. Analisis Difraksi Sinar X Karakterisasi XRD bertujuan untuk menentukan sistem kristal ( kubus, tetragonal, ortorombik, rombohedral, heksagonal, monoklinik, triklinik), menentukan kualitas kristal ( single crystal, polycrystal, amorphous), menentukan

60 60 cacat kristal ( twinning, dislokasi), identifikasi pada campuran, mencari parameter kristal ( parameter kisi, jarak antar atom, jumlah atom per unit sel) dan analisis kimia. Suatu kristal dapat didapat didifraksikan oleh sinar X jika orde panjang gelombang sinar X hampir sama dengan jarak antar atom dalam kristal. Hasil karakterisasi difraksi sinar X menghasilkan pola difraksi seperti pada Gambar 26. Pola pola difraksi yang dihasilkan menunjukkan bahwa film tipis yang dihasilkan merupakan film tipis BST. Hal ini berdasarkan pada posisi sudut (2 ) puncak-puncak difraksi yang muncul merupakan puncak-puncak karakteristik BST setelah dicocokkan dengan literatur seperti yang terlihat pada Gambar 28. Berdasarkan pola difraksi terlihat bahwa fase yang terbentuk adalah Kristal karena terdapat puncak-puncak. Gambar 27 menunjukkan pola difraksi BST murni, BST doping Ta 2 O 5 2,5%, 5 %, 7,5% dan 10%. Gambar tersebut menunjukkan bahwa puncak-puncak difraksi yang dominan dimiliki oleh BST murni yang teramati pada sudut 2 berada di sekitar , 27.8, 31.8, 37.82, dan yang bersesuaian dengan orientasi bidang (100), (110), (101), (111), (200), (220). Sedangkan sudut 2 dan orientasi BST dengan doping dapat dilihat pada Tabel 3. Berdasarkan tabel tersebut terlihat ada pergeseran puncak di 2 dan perubahan nilai intensitas masing-masing puncak. Metode yang digunakan untuk menganalisis sistem kristal adalah metode analitik. Metode ini dapat digunakan untuk menganalisis sistem kristal, indeks pola difraksi (hkl), dan menentukan parameter kisi suatu kristal. Pengindeksan dengan metode analitik meliputi pengerjaan aritmatik nilai sin 2 θ yang dicobakan dalam beberapa hubungan persamaan. Kunci pengindeksan pola difraksi suatu sistem, terutama sistem kubik adalah perbandingan dari sin 2 θ dari setiap puncak. Besarnya parameter kisi a dan c dihitung berdasarkan metode Cohen dengan menganggap struktur kristal tetragonal menggunakan rumus (Cullity, 1978): 2 2 sin C B A, 2 2 sin C B A,, (18) 2 2 sin C B A, Dimana : d = jarak antar bidang; a, b, c = konstanta kisi; h, k, l = indeks bidang; = panjang gelombang ( unsur Cu = Å); =sudut difraksi, = h 2 + k 2 ;

61 61 (100) (110) (101) (111) (200) (220) Gambar 27. Pola difraksi BST dan BSTT = l 2 ; = 10 sin 2 2 ; A = D/10; B = 2 /(4c 2 ); C = 2 /(4a 2 ); A, B, C = bilangan numerik. Nilai A, B dan C dapat diperoleh menggunakan metode Crammer. Berdasarkan metode analitik tersebut diperoleh parameter kisi seperti yang terlihat pada Tabel 4. Pola difraksi yang dihasilkan oleh BST murni dan BSTT dapat dilihat pada Gambar 27. Berdasarkan gambar tersebut terlihat adanya pergeseran puncak pada sudut 2θ seperti yang terlihat pada Tabel 3. Pergeseran puncak difaksi tersebut diduga karena adanya perubahan parameter kisi pada lapisan tipis BST dan BSTT seperti yang terlihat pada Tabel 4. Tabel 3. Nomor puncak dan orientasi BST/BSTT pada bidang kristal No Puncak Doping Ta 2 O 5 0% Doping Ta 2 O 5 2.5% Doping Ta 2 O 5 5% Doping Ta 2 O 5 7.5% 2θ hkl 2θ hkl 2θ hkl 2θ hkl Doping Ta 2 O 5 10% 2θ hkl

62 62 Gambar 28. Pola difraksi dari film tipis Ba 1-x Sr x TiO 3 ( Remmel et al., 1999) Tabel 4. Paramater kisi BST dan BSTT struktur Tetragonal BST Murni Ta 2 O 5 2,5 % Ta 2 O 5 5 % Ta 2 O 5 7,5 % Ta 2 O 5 10 % Substrat Si Si Si Si Si Parameter Kisi a ( o A) b ( o A) c ( o A) 3,91 3,91 4,10 4,16 4,16 4, ,50 4,22 4,22 4,51 4,24 4,24 4,52 Nilai parameter kisi yang diperoleh tidak berbeda jauh dengan yang diperoleh oleh beberapa peneliti seperti yang terlihat pada Gambar 29. Berdasarkan literatur, nilai parameter kisi ( a dan b) untuk BST murni dengan x = 0,5 berada pada kisaran 3,91 o A 4,24 o A. Sedangkan parameter kisi c berada pada kisaran 4.10 o A o A. Penelitian ini berhasil memperoleh nilai parameter kisi ( a dan b) BST murni sebesar 3,91 o A. Penambahan doping tantalum menyebabkan nilai parameter kisi BST berubah yaitu sebesar 4,16 o A untuk doping Ta 2 O 5 2,5%, 4,18 o A untuk doping Ta 2 O 5 5%, 4,22 o A untuk doping Ta 2 O 5 7,5% dan 4,24 o A untuk doping Ta 2 O 5 10%. Sedangkan olahan data tertera dalam Lampiran 4. Gambar 29. Hubungan parameter kisi terhadap komposisi Ba 1-x Sr x TiO 3 ( Remmel et al. 1999)

63 63 Tabel 5. Ukuran kristal (crystalline size) partikel BST BST Substrat crystallite size (nm) Murni Si Ta 2 O 5 2,5 % Si Ta 2 O 5 5 % Si Ta 2 O 5 7,5 % Si Ta 2 O 5 10 % Si Berdasarkan Gambar 27 terlihat bahwa kristalinitas film tipis BST menurun seiring dengan bertambahnya doping tantalum pentaoksida. Hal tersebut terbukti dengan munculnya peak yang tajam dan intensitas difraksi yang lebih tinggi pada sampel BST murni dibanding sampel BST lainnya. Menurut Purmaningsih dkk (2003), kristalitas lapisan tipis sebanding dengan bertambahnya ukuran butir. Ini berarti bahwa semakin besar grain size dari suatu morfologi film kualitas kristalnya semakin baik. Oleh sebab itu sampel BST murni yang memiliki kristalitas paling baik menghasilkan grain size yang paling besar. Tabel 5 menunjukkan grain size film tipis BST. Analisis SEM-EDX Ketebalan film tipis BST dapat diukur dengan metode SEM. Gambar 30 menunjukkan foto penampang melintang dari film tipis BST dengan variasi pendadah. (a) (b) (c) Gambar 30. Penampang melintang sampel BST :(a) murni, (b) doping Ta 2 O 5 7.5%, (c) doping Ta 2 O 5 10%.

64 64 Tabel 6. Ketebalan film tipis di atas substrat silikon tipe-p terhadap variasi doping Ta 2 O 5 Ketebalan (µm) BST SEM Volumetrik BST murni BSTT 7.5% BSTT 10% Ketebalan film tipis diukur menggunakan metode volumetrik dengan Persamaan 19: (19) Dimana : m 1 = massa substrat sebelum ditumbuhkan film tipis. m 2 = massa substrat setelah diannealing dan terdapat film tipis di atasnya. ρ film tipis = massa jenis film tipis yang terdeposisi. A = luas permukaan film tipis yang terdeposisi pada permukaan substrat Berdasarkan hasil SEM, diperoleh nilai ketebalan yang tidak berbeda jauh dari pengukuran volumetrik. Nilai ketebalan film tipis BST dapat dilihat pada Tabel 6. (a) (b) (c) Gambar 31. Foto SEM film tipis BST dengan perbesaran 30000x :(a) murni, (b) doping Ta 2 O 5 7.5%, (c) doping Ta 2 O 5 10%

65 65 Penumbuhan film tipis BST dan BSTT di atas substrat silikon dilakukan menggunakan metode CSD (Chemical Solution Deposition). Untuk melihat berhasil atau tidaknya penumbuhan film ini, SEM dan karakterisasi EDX dilakukan. Foto SEM beberapa sampel BST diperlihatkan pada Gambar 31 sedangkan hasil EDX ditunjukkan pada Gambar 32. Selain itu, karakterisasi dengan Scanning Electron Microscopy (SEM) diperlukan untuk melihat morfologi dari film tipis BST, baik yang didoping dengan Ta 2 O 5 maupun tanpa doping. Hasil karakterisasi morfologi permukaan dengan SEM ditunjukkan pada Gambar 31. Berdasarkan gambar tersebut diperoleh ukuran butiran sebesar 0.92 µm untuk film tipis BST murni. Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 7.5% memiliki ukuran butir sebesar 0.75 µm. Sedangkan Film tipis BST dengan doping Ta 2 O 5 10% memiliki ukuran butir sebesar 0.64 µm. Hasil SEM menunjukkan bahwa kenaikan presentase doping Ta 2 O 5 mengakibatkan penurunan ukuran partikel pada film tipis BST. Hasil EDX pada Gambar 32 menunjukkan bahwa puncak yang terjadi pada sekitar 1,739 kev adalah Si, 4,508 kev adalah Ti, 1,806 kev adalah Sr, 4,464 kev adalah Ba dan 1,709 kev adalah Ta. Hal ini menunjukkan bahwa film tipis BST dan BSTT berhasil ditumbuhkan diatas substrat silikon. Hasil karakterisasi EDX pada Gambar 32 menunjukkan bahwa pada semua variasi doping terdapat unsur Si, unsur Ti, Sr, Ba, Ta dan unsur O dengan komposisi persentase atom yang bebeda-beda. Hasil EDX pada BST dengan persentase doping 10% tidak muncul persentase massa Ta 2 O 5. Hal ini dikarenakan lapisan tipis BST tidak menyebar secara merata di permukaan silikon, sehingga tidak dapat terdeteksi oleh teknik EDX.

66 66 (a) (b)

67 67 (c) Gambar 32. Hasil EDX film tipis BST:(a) murni, (b) doping Ta 2 O 5 7.5%, (c) doping Ta 2 O 5 10%

68 68

69 69 KESIMPULAN DAN SARAN 1. Film tipis Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 berhasil dibuat pada substrat silikon tipe-p. BST dengan variasi pendadah berupa Ta 2 O 5 (BSTT) pun berhasil dibuat. Penelitian ini berhasil mempelajari sifat listrik, optik dan mikrostruktur film tipis BST dan BSTT. 2. Berdasarkan hasil karakterisasi kurva I-V terlihat bahwa film tipis BST memiliki respon yang baik terhadap cahaya dan warna (panjang gelombang sinar tampak). Terlihat dari adanya pergeseran pada kurva I-V. 3. Intensitas reflektansi dan energi gap cenderung menurun dengan bertambahnya doping. Nilai energi gap untuk BST murni sebesar 3,28 ev, BST doping Ta 2 O 5 2,5% sebesar 3,23 ev, BST doping Ta 2 O 5 5% sebesar 3,3 ev, BST doping Ta 2 O 5 7,5% sebesar 3,26 ev, dan BST doping Ta 2 O 5 10% sebesar 3,16 ev. Nilai indeks bias rata-rata film tipis sebesar 1,91 untuk doping Ta 2 O 5 0%, 2,16 untuk doping Ta 2 O 5 2,5%, 2,01 untuk doping Ta 2 O 5 5%, 1,90 untuk doping Ta 2 O 5 7,5%, dan 1,41 untuk doping Ta 2 O 5 10%. Nilai indeks bias cenderung menurun dengan bertambahnya doping Ta 2 O Penambahan doping akan menyebabkan bertambahnya nilai konstanta dielektrik. 5. Konduktivitas maksimum terjadi pada intensitas cahaya 1000 lux dan doping 10%. Orde nilai konduktivitas listrik yang didapatkan, film tipis BST dan BSTT termasuk material semikonduktor. 6. Puncak-puncak difraksi yang dominan dimiliki oleh BST murni yang teramati pada sudut 2 berada di sekitar , 27.8, 31.8, 37.82, dan yang bersesuaian dengan orientasi bidang (100), (110), (101), (111), (200), (220). Terjadi pergeseran puncak karena adanya perubahan parameter kisi. Parameter kisi lapisan tipis cenderung meningkat dengan bertambahnya doping. Nilai parameter kisi a = 3.91 o A untuk BST murni, a = 4.16 o A untuk BSTT 2.5%, a = 4.18 o A untuk BSTT 5%, a = 4.22 o A untuk BSTT 7.5%, dan a = 4.24 o A untuk BSTT 10% 7. Analisis SEM menunjukkan bahwa ukuran butiran partikel film tipis akan semakin kecil seiring dengan bertambah besarnya persentase doping.

70 70 Saran Proses pendeposisian film tipis BST harus dilakukan lebih hati-hati, agar tidak terjadi oksidasi pada film tipis. Penelitian selanjutnya dapat dilakukan proses pembuatan devais baru berupa sensor warna yang dipadukan dengan rangkaian elektronika.

71 71 DAFTAR PUSTAKA Bill Wilson. The Diode Equation. Creative Common Attribution License. Bishop O Dasar-dasar Elektronika Seri Pendidikan Profesi Elektro. Jakarta: Penerbit Erlangga Challali F, Besland MP, Benzeggouta D, Borderon C, Hugon MC, Salimy S, Saubat JC, Charpentier A, Averty D, Goullet A, Landesman JP Investigation of BST Thin Films Deposited by RF Magnetron Sputtering in Pure Argon. Thin Solid Films 518: Chan NY, Gao GY, Wang GY, Chan HLW Preparation and Characterizations of Ba(Zr,Ti)O 3 /(Ba,Sr)TiO 3 Heterostructures Grown On (LaAlO 3 ) 0.3 (Sr 2 AlTaO 6 ) 0.35 Single Crystal Substrates by Pulsed Laser Deposition. Thin Solid Films 518 :e82 e84. Dahrul M, Syafutra H, Setiawan AA, Irzaman Synthesis and Characterizations Photodide Thin Film Barium Strontium Titanate (BST) Doped Niobium and Iron as Light Sensor. The 4 th Asian Physics Symposium An International Event edited Khairurrijal, M. Abdullah. American Institute Physics : Darjito. Unsur Transisi Periode Kedua Dan Ketiga. Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya. Elezny VZ, Chvostova D, Pajasova L, nek MJ, Kocourek T, Danis S,Valvoda V Optical Study of BST Films Combining Ellipsometry and Reflectivity. Applied Surface Science 255: Frimasto H, Irzaman, M. Kurniati Sifat Optik Film Tipis Bahan Ferroelektrik BaTiO 3 yang didadah Tantalum (BSTT), Skripsi, Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor. Giridharan, N.V, Jayavel R, Ramasamy P Structural, Morphological and Electrical Studies on Barium Strontium Titanate Thin Films Prepared by Sol- Gel Technique. Crystal Growth Centre, Anna University, Chennai, India, 36: Hariyanto S, Budianto A, Subarkah, Atmono T Penentuan Indeks Bias dan Revlektivitas Lapisan Tipis dengan Metoda Serapan Optik. Pertemuan dan Presentasi Ilmian PPNY-BATAN. Hao X, Zhai J, Zhou J, Li X, Song X, An S Enhanced Dielectric Properties of Lead Barium Zirconate ThinFfilms by Manganese Doping. Applied Surface Science 256:

72 72 Huriawati F Sintesis Film BST Didadah Niobium dan Tantalum serta Aplikasinya Sebagai Sensor Cahaya. Tesis. Bogor : Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Irzaman, Erviansyah R, Syafutra H, Maddu A, Siswadi Studi Konduktivitas Listrik Film Tipis Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3 Yang Didadah Ferium Oksida (BFST) Menggunakan Metode Chemical Solution Deposition. ISSN. 13 ( 1): Irzaman, Darvina Y, Fuad A, Arifin P, Budiman M, Barmawi M Physical and Pyroelectric Properties of Tantalum Oxide Doped Lead Zirconium Titanate [Pb 0,9950 (Zr 0,525 Ti 0,465 Ta 0,010 )O 3 ] Thin Films and Its Application for IR Sensor. Physica Status Solidi (a), Germany, 199 ( 3): Irzaman, Akhiruddin, Seno A, Efek Fotovoltaik dan Piroelektrik Ba 0,25 Sr 0,75 TiO 3 yang Didadah Niobium (BSNT) Menggunakan Metode Chemical Solution depotition (CSD). Jurnal Aplikasi Fisika, FMIPA Universitas Haluoleo Kendari : Jamaluddin A, M. Hikam, B.Soegiyono, Y. Iriani Pembuatan Lapisan Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 yang Didoping Cu dengan Metode Spin Coating dan Karakterisasinya. Seminar Nasional Metalurgi dan Material II. Lin TK, Chang SJ, Chiou YZ, Wang CK, Chang SP, Lam KT, Sun YS, Huang BR Homoepitaxial ZnSe MIS photodetectors with SiO 2 and BST insulator layers. Solid-State Electronics 50 : Lu S, Xu Z, Zhai J Thickness Dependence of Strain and in-plane Dielectric Properties of Highly (001) Oriented (Ba,Sr)TiO 3 Thin Flms. Thin Solid Films 518: Marwan A Studi Efek Fotovoltaik Bahan Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 yang Didadah Galium (BGST) di Atas Substrat Si (100) Tipe-n. Skripsi, Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor. Omar MA Elementary Solid State Physics. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. Pontes FM, Leite ER,Pontes, dan Longo E Ferroelectric and Optical Properties of Ba 0.8 Sr 0.2 TiO 3 Thin Film. Journal Of Applied Physics 91 (9) Remmel T, Gregory R, Baumert B Characterization of Barium Strontium Titanate Films Using XRD. JCPDS-International Center of Diffraction Data. Resnick H PHYSICS, 3 rd Edition. John Wiley and Sons, Inc. Rodriguez EH, Herrera AM, Lira MM, Torres MZ Enhance of electrical properties of resistive switches based on Sr 0,1 Ba 0,9 TiO 3 and TiO 2 thin films by

73 73 employing a Ni Cr alloy as contact. Material Science and Enggineering B 172: Syafutra H Pembuatan devais fotokonduktivitas Berbasis Bahan ferroelektrik Ba 0.6 Sr 0.4 TiO 3 yang Didadah Tantalum Pentoksida (BSTT) diatas Substrat Si (100) Type-p dan Substrat TCO Type-705[Skripsi]. Bogor: Fakultas matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Setiawan AA, Setiawan A, Irzaman Uji Sifat Listrik dan Optik Ba 0,25 Sr 0,75 TiO 3 yang Didadah Niobium (BNST) Ditumbuhkan di Atas Substart Si (100) Tipe-P dan Gelas Corning denga Penerapannya sebagai Fotodiode. Jurnal Aplikasi Fisika, FMIPA Universitas Haluoleo Kendari : Singh J, Krupanidhi SB Multilayer Bi 1,5 Zn 1,0 Nb 1,5 O 7 /Ba 0,6 Sr 0,4 TiO 3 / Bi 1,5 Zn 1,0 Nb 1,5 O 7 thin films for tunable microwave applications. Applied Surface Science. Sutanto H, Nurhasanah I, Istadi, Maryanto, Ambikawati W, Marlini N Mikrostruktur Semikonduktor GaN di Atas Substrat Silikon Dengan Metode Sol-Gel. ISSN 13 (2): Syafutra H, Irzaman, Indro MN, Made Subrata ID Development of Luxmeter Based on Ba 0,25 Sr 0,75 TiO 3 Ferroelectric Material. The 4 th Asian Physics Symposium An International Event edited Khairurrijal, M. Abdullah. American Institute Physics : Sze SM, Kwok K. Ng Physics of Semiconductor Devices, 3rd Edition. John Wiley and Sons, Inc. Tippler PA PHYSICS for Scientist and Engineers. Worth Publisher. Inc. Utami ACW Studi Efek Fotovoltaik Bahan Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 yang Didadah Tantalum (BSTT) di Atas Substrat Si (100) Tipe-p. Skripsi, Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor. Hao SE, Wang CY, Fu DS, Zhang JS, Wei Y, Wang WL Preparation and Characterization of La-doped Ba(1 - x )SrxTiO3 Powders and Thin Films, Thin Solid Films 518: (15 Juli 2007). (24 Juli 2011) uatio.pdf. ( 27 Juli 2011)

74 74

75 75 Lampiran 1 Pembuatan Film Tipis Barium Asetat [Ba(CH 3 COO) 2, 99%] Stronsium Asetat [Sr(CH 3 COO) 2,99%] 2-metoksietanol [H 3 COOCH 2 CH 2 OH,99%] Titanium Isopropoksida [Ti(C 12 O 4 H 28 ),99%] Tantalum Dicampur Dikocok 1 jam Dicampur BST BTST Disaring Perkursor BST Perkursor BSTT Spin Coating pada 3000 rpm selama 30 detik diatas substrat Si (100) type-p Berukuran 1 cm x1 cm Annealing pada suhu 850oC untuk Si selama 15 jam pada udara atmosfer Film Tipis BST Film Tipis BSTT Karakterisasi dan Aplikasi pada Rangkaian Listrik Sensor Warna (BST/BSTT)

76 76 Lampiran 2 Data Ketebalan Film Tipis BST dengan Metode Volumetrik No. Sampel Massa Keping (kg) Massa Dimensi Keping (m) Massa BST Luas BST Tebal BST Tanpa BST Setelah Spin Setelah Furnace Jenis BST Lebar (Z-X) (kg) (kg/m 3 Panjang Lebar (m 2 ) (m) (X) (Y) (Z) ) BST 1. 1a E b E c E E d E e E E a E b E c E d E e E a E E b E c E d E e E a E E b E E c E d E e E-06

77 a E b E c E d E e E-06 Keterangan: 1. Sampel 1a-1e adalah kode untuk BST murni 2. Sampel 2a-2e adalah kode untuk BSTT 2,5% 3. Sampel 3a-3e adalah kode untuk BSTT 5% 4. Sampel 4a-4e adalah kode untuk BSTT 7,5% 5. Sampel 5a-5e adalah kode untuk BSTT 10%

78 78 Lampiran 3 Data dan Perhitungan Konduktivitas Listrik Film Tipis BST dan BSTT Resistivitas : = Konduktivitas : = Sehingga Konduktivitas Listrik : =., dengan R = resistansi (Ω) ; A = Luas kontak (m 2 ); l = jarak antar kontak (m) Kondisi disinari oleh sumber cahaya 0 Lux Persentase Pendadah Resistensi (MΩ) Luas Kontak (m 2 ) Jarak Antar Kontak (m) Konduktivitas (S/m) 0% ,5% % ,5% % Kondisi disinari oleh sumber cahaya 250 Lux Persentase Pendadah Resistensi (MΩ) Luas Kontak (m 2 ) Jarak Antar Kontak (m) Konduktivitas (S/m) 0% ,5% % ,5% % Kondisi disinari oleh sumber cahaya 500 Lux Persentase Pendadah Resistensi (MΩ) Luas Kontak (m 2 ) Jarak Antar Kontak (m) Konduktivitas (S/m) 0% ,5% % ,5% %

79 79 Kondisi disinari oleh sumber cahaya 750 Lux Persentase Pendadah Resistensi (MΩ) Luas Kontak (m 2 ) Jarak Antar Kontak (m) Konduktivitas (S/m) 0% ,5% % ,5% % Kondisi disinari oleh sumber cahaya 1000 Lux Persentase Pendadah Resistensi (MΩ) Luas Kontak (m 2 ) Jarak Antar Kontak (m) Konduktivitas (S/m) 0% ,5% % ,5% %

80 80 Lampiran 4 Olah data XRD Penentuan indeks bidang (h k l) BST murni Peak θ (derajat) θ (radian) sin θ sin 2 θ sin 2 θ/2 sin 2 θ/3 sin 2 θ/4 sin 2 θ/a hkl Penentuan Parameter Kisi Metode Cohen : 2 2 sin C B A, C B A 2 2 sin C B A, 2 2 sin,, Penentuan ukuran kristal BST =, dengan k = konstanta sebesar 0.94; I = nm; T = Ukuran Kristal, n = microstrain.

81 81 a b c d

82 82 e Keterangan : a. Kristalografi Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 Murni. b. Kristalografi Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 Doping Ta 2 2O 5 2,5 %. c. Kristalografi Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 Doping Ta 2 2O 5 5 %. d. Kristalografi Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 Doping Ta 2 2O 5 7,5 %. e. Kristalografi Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 Doping Ta 2 2O 5 10 %.

83 83 Lampiran 5 Peralatan yang digunakan dalam penelitian Neraca analitik Furnace Hot plate Gelas kimia XRD diffractometer Uji SEM Spektrofotometer LCR meter IV-meter