TESIS Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister Program Studi Ilmu Fisika. Oleh Herlin Dien Mahmudah S

Transkripsi

1 Penumbuhan Lapisan Tipis Barium Titanat (BaTiO 3 ) Doping Strontium dan Zirkonium dengan Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Sebagai Material Feroelektrik TESIS Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister Program Studi Ilmu Fisika Oleh Herlin Dien Mahmudah S PROGRAM PASCA SARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017

2 ii

3 iii

4 PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa : 1. Tesis yang berjudul : PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS BARIUM TITANAT (BaTiO 3 ) DOPING STRONTIUM DAN ZIRKONIUM DENGAN METODE CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION (CSD) SEBAGAI MATERIAL FEROELEKTRIK ini adalah karya penelitian saya sendiri dan bebas plagiat serta tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah ini dan disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai ketentuan perundang-undangan (Permendiknas No. 17, tahun 2010). 2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal dan forum ilmiah lain harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester (enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari sebagian atau keseluruhan Tesis ini, maka Prodi Ilmu Fisika PPs UNS berhak mempublikasikannya pada jurnal ilmiah yang diterbitkan oleh Prodi Ilmu Fisika PPs-UNS. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku. Surakarta, 16 Februari 2017 Mahasiswa, Herlin Dien Mahmudah NIM S iv

5 Herlin Dien Mahmudah Penumbuhan Lapisan Tipis Barium Titanat (BaTiO 3 ) doping Strontium dan Zirkonium dengan Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Sebagai Material Feroelektrik. TESIS. Pembimbing 1: Dr. Yofentina Iriani, S.Si, M.Si, II : Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph.D. Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret. ABSTRAK Lapisan Tipis Barium Titanat (BaTiO 3 ) telahdibuat menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD) di atas substrat Pt/Si dengan memakai spin coater. Variasi % mol doping Sr dan Zr yaitu sebesar 1%, 2%, 3%, 4% dan 5%. Lapisan tipis BST dan BZT dikarakterisasi menggunakan X-Ray Difraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) serta pengujian kurva histerisis menggunakan metode sawyer tower. Sudut difraksi (2θ) pada kurva XRD bergeser ke kanan (semakin besar) seiring dengan bertambahnya % mol doping Sr dan bergeser ke kiri (semakin besar) seiring dengan bertambahnya % mol doping Zr. Parameter kisi BST dan BZT menggunakan penghalusan program GSAS menunjukkan bahwa lapisan tipis BST dan BZT mempunyai struktur tetragonal. Dari analisa SEM, seiring dengan bertambahnya variasi % mol doping Sr dan Zr tidak mempengaruhi ketebalan, tetapi mempengaruhi ukuran butir lapisan tipis. Lapisan tipis BST dan BZT merupakan bahan feroelektrik dimana telah terbentuk kurva histerisis. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa lapisan tipis BST dan BZT telah terdeposisi di atas substrat Pt/Si. Kata Kunci : BT, BST, BZT,CSD, XRD, SEM, sawyer tower v

6 Herlin Dien Mahmudah Growth of Barium Titanat (BaTiO 3 ) Thin Films Doping Strontium dan Zirconium by Chemical Solution Deposition (CSD) as material ferroelectric.tesis.supervisor 1: Dr. Yofentina Iriani, S.Si, M.Si, II : Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph.D. Program Study of Physic Science, Postgraduate Program of Universitas Sebelas Maret. ABSTRACT Thin layer of Barium Titanate (BaTiO3) have been fabricated method Chemical Solution Deposition (CSD) on the substrate Pt/Si using a spin coater. Variation % mol dopping Sr and Zr : 1%, 2 %, 3 %, 4 % and 5 %.The BST and BZT thin layers were characterized using X-Ray Difraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and the hysteresis curve testing by sawyer towermethods. The diffraction angle (2θ) in the XRD curve shifts to the right (bigger) along with increasing doping mol % Sr and curve shifts to the left (smaller) along with increasing doping mol % Zr. BST and BZT lattice parameters using the refinement GSAS program showed that a thin layer of BST and BZT has a tetragonal structure. From SEM analysis, along with increasing variation mol% Sr and Zr doping does not affect the thickness, but affects the grain size of a thin layer. BST and BZT thin layer of a ferroelectric material which has been formed mark a hysteresis curve perfectly. The characterization results to show that a thin layer of BST and BZT has been deposited on the substrate Pt/Si. Keywords: BT, BST, BZT, CSD, XRD, sawyer tower vi

7 MOTTO DAN PERSEMBAHAN MOTTO: 1. Sesungguhnya bersama kesulitan ada kemudahan. (Q.S Al-Insyirah, 6) 2. Jangan sampai perencanaan dan tindakan kita, tidak lebih hebat dari kemampuan kita untuk menunda. 3. Apapun yang dikerjakan dengan sungguh-sungguh hari ini adalah pembentuk keberhasilan di masa depan. PERSEMBAHAN: Karya sederhana ini kupersembahkan untuk : 1. Kedua orang tuaku (Ibu Supartini dan Bapak Sugiyatno) (Ibu Sri Sumirah dan Bapak Sutiman), yang selalu aku banggakan, memberikan kasih sayangnya dengan tulus dan memberikan segala-galanya untukku. 2. Soulmateku Danang Yunianto yang selalu memotivasi dan mendoakanku. 3. Dek Hasna Syakira Andromeda dan Om Fajar terima kasih atas perhatian dan dukungannya. vii

8 KATA PENGANTAR Alhamdulillahi rabbil aalamiin, atas semua limpahan nikmat, rahmat dan karunia Allah SWT, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis. Sholawat dan salam senantiasa penulis haturkan kepada Nabi Muhammad SAW sebagai suri tauladan umatnya. Tesis yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan derajatmagister sains ini berjudul Penumbuhan Lapisan Tipis Barium Titanat (BaTiO 3 ) Doping Strontium dan Zirkonium dengan Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Sebagai Material Feroelektrik. Hasil dan bentuk terselesaikannya tesis ini merupakan kebahagiaan tersendiri bagi penulis.tesis ini dapat terselesaikan atas bantuan berbagai pihak dengan berbagai pengalaman berharga. Penulis mengucapkan rasa terimakasih yang mendalam kepada: 1. Ketua Program Studi Ilmu Fisika Pasca Sarjana UNS 2. Ibu Dr. Yofentina Iriani, S.Si., M.Si., selaku Pembimbing I yang telah memberikan berbagai pengetahuan, ilmu, motivasi, bimbingan serta saran dalam penyusunan tesis ini. 3. Bapak Prof. Ir.Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph. D., selaku Pembimbing II. 4. Bapak, Ibu dosen serta Staff di Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana UNS. 5. Ibu dan Bapak Sugiyatno, Bapak Ibu Sutiman, Mas danang, Om fajar dan Dek Hasna atas semua kasih sayang, kesabaran, support dan semuanya. 6. Rekan kerja Laboratorium Material: Dek Tira, Dek Nana, Dek Meisya dan Dek Retno. 7. Hibah DIPA BLU UNS dalam hibah penelitian tim pascasarjana dengan nomor kontrak No. 2341/UN27.10/PG/ Semua pihak yang telah membantu dan memberi dukungan kepada penulis. Semoga Allah SWT membalas atas semua jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan, dengan balasan yang terbaik menurut-nya.aamiin ya Allah. Penulis menyadari akan banyaknya kekurangan dalam penulisan tesis ini. Namun demikian, penulis berharap semoga karya kecil ini bisa bermanfaat. viii

9 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii PERNYATAAN ORISINALITAS... iv ABSTRAK... v ABSTRACT... vi MOTTO DAN PERSEMBAHAN... vii KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... ix DAFTAR TABEL... x DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR SIMBOL... xii DAFTAR LAMPIRAN... xiii BAB I PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang... 1 B. Perumusan Masalah... 2 C. Tujuan Penelitian... 3 D. Batasan Masalah... 3 E. Manfaat Penelitian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 4 A. Struktur Perovskite... 4 B. Material Feroelektrik... 4 C. Barium Titanat (BaTiO 3 )... 6 D. Efek Doping pada Bahan Feroelektrik... 7 E. Chemical Solution Deposition (CSD)... 8 F. X-Ray Diffraction (XRD) G. General Structure Analysis System (GSAS) ix

10 H. Scanning Electron Microscopy (SEM) I. Metode Sawyer-Tower BAB III METODOLOGI PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian B. Alat dan Bahan yang Digunakan b.1. Alat-Alat yang Digunakan b.2.bahan-bahan yang Digunakan C. Metode Penelitian c.1. Persiapan substrat c.2. Pembuatan Larutan c.3. Proses Spin Coating dan Pemanasan c.4. Proses Anneling D. Karakterisasi d.1. X-Ray Diffraction (XRD) d.2.scanning Electron Microscopy (SEM) d.3. Metode Sawyer Tower (Uji Kurva Histerisis) BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Karakterisasi Struktur Mikro B. Karakterisasi Struktur Morfologi C. Karakterisasi Kurva Histerisis BAB V KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN-LAMPIRAN x

11 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 4.1. Ukuran Kristal Lapisan Tipis BT dan BST Tabel 4.2. Ukuran Kristal Lapisan Tipis BT dan BZT Tabel 4.3. Parameter Kisi Lapisan Tipis Ba 1-y Sr y TiO Tabel 4.4. Parameter Kisi Lapisan Tipis BaZr y Ti 1-y O Tabel 4.5. Ketebalan Lapisan Tipis BST dan BZT xi

12 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Struktur Perovskite ABO Gambar 2.2. Kurva Histerisis... 5 Gambar 2.3. Struktur Perovskite BT... 7 Gambar 2.4. Difraksi Sinar X Gambar 2.5. Alat Uji Kurva Histerisis Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian Gambar 4.1. Pola Difraksi Lapisan Tipis Ba 1-y Sr y TiO Gambar 4.2. Pola Difraksi Lapisan Tipis BaZr y Ti 1-y O Gambar 4.3. Hasil Refinement dengan Program GSAS Ba 1-y Sr y TiO Gambar 4.4. Hasil Refinement dengan Program GSAS BaZr y Ti 1-y O Gambar 4.5. Hasil SEM Lapisan Tipis Ba 1-y Sr y TiO Gambar 4.6. Hasil SEM Lapisan Tipis BaZr y Ti 1-y O Gambar 4.7. Hasil cross section SEM Lapisan Tipis Ba 1-y Sr y TiO Gambar 4.8. Hasil cross sectionsem Lapisan Tipis BaZr y Ti 1-y O Gambar 4.9. Uji Karakterisasi Kurva Histerisis Sampel Ba 1-y Sr y TiO Gambar Uji Karakterisasi Kurva Histerisis Sampel BaZr y Ti 1-y O xii

13 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan o C Suhu Derajat celcius M Molaritas M N Bilangan bulat (1,2,3, ) D Jarak atom antar Kristal Meter Λ Panjang gelombang Meter Θ Sudut difraksi Derajat µ Momen dipole listrik Coulomb meter q i Muatan Coulomb r i Jarak antar muatan Meter P Polarisasi C/cm 2 P s Polarisasi spontan C/cm 2 P r Polarisasi remanen C/cm 2 R Jari-jari atom Å B FWHM Radian T Ukuran Kristal Nm χ e ε Suseptibilitas listrik Permitivitas bahan dielektrik ε 0 Permitivitas bahan F/m xiii

14 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 ICDD Database Lampiran 2 Hasil Refinement GSAS Lampiran 3 Perhitungan Ukuran kristal xiv

15