PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS BARIUM FERRUM TITANAT (BFT) DENGAN METODE SOL GEL

Transkripsi

1 PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS BARIUM FERRUM TITANAT (BFT) DENGAN METODE SOL GEL Disusun oleh : TIRA IKHWANI M SKRIPSI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2013

2 PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS BARIUM FERRUM TITANAT (BFT) DENGAN METODE SOL GEL Disusun oleh : TIRA IKHWANI M SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

3

4 PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang berjudul PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS BARIUM FERRUM TITANAT (BFT) DENGAN METODE SOL GEL adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga saat ini, isi skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di PerguruanTinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis. Surakarta, 30 Agustus 2013 Tira ikhwani iii

5 MOTTO DAN PERSEMBAHAN Allah mencintai orang yang cermat dalam meneliti soal-soal yang meragukan dan yang tidak membiarkan akal dikuasai oleh nafsunya (Nabi Muhammad saw) Informasi bukanlah pengetahuan. Satu-satunya sumber pengetahuan adalah pengalaman"( Einstein) Karya ini kupersembahkan kepada : Bapak dan ibu tercinta atas do a dalam setiap sujudnya Alm. Nina Ariyani kakak ku tercinta Kakak dan adik ku yang selalu mendukungku Dosen Pembimbingku iv

6 PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS BARIUM FERRUM TITANAT (BFT) DENGAN METODE SOL GEL TIRA IKHWANI Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Lapisan tipis Barium Titanat (BT) dan BT doping Ferrum (BFT) telah berhasil ditumbuhkan menggunakan metode sol gel di atas substrat Pt/Si yang disiapkan dengan spin coater. Lapisan tipis BT dan BFT dibuat dengan jumlah lapis yaitu 3 lapis dengan variasi perbandingan persen mol dopan Ferrum (Fe) sebesar 1%, 3%, 5% dan 10%. Sampel lapisan tipis BT dan BFT dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM) dan kurva histerisis. Hasil karakterisasi menggunakan XRD menunjukkan bahwa seiring dengan bertambahnya variasi % mol dopan Ferrum (Fe) maka sudut difraksinya bergeser ke kiri (semakin kecil). Hasil penghalusan General Structure Analysis System (GSAS) didapatkan nilai parameter kisi a, b dan c mengalami perbesaran dari parameter kisi awal. Nilai parameter kisi yang dihasilkan dari penghalusan software GSAS menujukkan bahwa lapisan tipis BT dan BFT mempunyai struktur tetragonal. Hasil pengujian menggunakan SEM menunjukkan ketebalan rata-rata dari lapisan tipis BT dan BFT sekitar 350 nm. Hasil AFM menunjukkan nilai kekasaran (roughness) lapisan tipis BT dan BFT semakin kasar seiring bertambahnya mol doping Fe. Lapisan tipis BT dan BFT merupakan bahan ferroelektrik yang ditandai dengan terbentuknya kurva histerisis. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa lapisan tipis BT dan BFT telah terdeposisi di atas substrat Pt/Si. Kata kunci : BaTiO 3, sol gel, struktur kristal, parameter kisi, GSAS v

7 GROWTH OF BARIUM FERRUM TITANATE (BFT) THIN FILMS BY SOL GEL METHOD TIRA IKHWANI Department of Physics, Faculty of Mathematic and Natural Science Sebelas Maret University ABSTRACT Barium Titanate (BT) and Ferrum doped BT (BFT) thin films have been successfully grown by sol gel method on the substrates Pt / Si which were prepared with spin coater. The percentages of Fe variant dope were 1%, 3%, 5% and 10% and each sample was formed into 3 layers. The thin film samples of BT and BFT were characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM) and hysteresis curves. The XRD patterns showed that the peak shifted to the left with increasing Fe dopant. The data taken from XRD is analyzed by working General Structure Analysis System (GSAS), and resulting the lattice parameter of a, b and c that having a magnification of the initial lattice parameter. The resulting values of the lattice parameter refinement software (GSAS) showed that thin layer of BT and BFT have tetragonal structures. SEM images result showed the thickness averages of thin film were 350 nm. While the result of AFM showed roughness value of BT and BFT, the roughness increase with increasing Fe dopant. Thin layer of BT and BFT are ferroelectric material because they have formed hysteresis curves perfectly. The result of characterization are evidence that the BT and BFT thin layers have been deposited on the Pt / Si substrates. Keywords: BaTiO 3, sol gel, crystal structure, lattice parameter, GSAS vi

8 KATA PENGANTAR Puji syukur Penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rakhmat dan karunia-nya sehingga Penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi yang berjudul Penumbuhan Lapisan Tipis Barium Ferrum Titanat (BFT) dengan Metode Sol Gel. Penulis menyadari bahwa keberhasilan penyusunan skripsi ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak baik langsung maupun tidak langsung. Pada kesempatan ini, Penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesarbesarnya kepada : 1. Bapak Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D. selaku Ketua Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta. 2. Dr. Yofentina Iriani S.Si., M.Si. selaku Dosen Pembimbing I atas bimbingan, serta nasehat yang berarti banyak bagi penulis selama penyusunan skripsi. 3. Bapak Anif Jamaluddin, S.Si., M.Si. selaku Dosen Pembimbing II atas bimbingan, saran, serta semangat yang diberikan. 4. Rekan satu group kerja lab: Riana, mas Nuril, mbak Herlin, mbak Dwi, mbak Ari, Meisya, Retno dan Qudrotun. 5. Pak Risa atas segala bantuannya dalam mengoperasikan alat eksperimen. 6. Nafi ah, yaya serta semua sahabat COMPTON atas persahabatan yang indah selama ini. Semoga segala kebaikan dan pertolongan semuanya mendapat berkah dari Allah S.W.T. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membutuhkan. Amin. Surakarta, 30 Agustus 2013 Tira Ikhwani vii

9 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN... ii HALAMAN PERNYATAAN..... iii HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN... iv HALAMAN ABSTRAK... v HALAMAN ABSTRACT... vi KATA PENGANTAR... vii DARTAR ISI... viii DARTAR TABEL... x DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR SIMBOL... xii DAFTAR LAMPIRAN... xiii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Batasan Masalah Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Material Ferroelektrik Ferroelektrisitas Karakteristik Material Ferroelektrik Barium Titanat Efek doping Bahan Ferroelektrik Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Metode Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) Scanning Electron Microscopy (SEM) Atomic Force Microscopy (AFM) Uji Sifat Listrik dengan Metode Sawyer Tower General Structure Analysis System (GSAS) BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Metode Penelitian Persiapan Alat dan Bahan Pemotongan Substrat Pt/Si Pembuatan Larutan BT dan BFT Pembuatan Lapisan Tipis BT dan BFT dengan Spin Coating Karakterisasi Sampel commit BT to user dan BFT viii

10 Difraksi Sinar-X (XRD) Scanning Electron Microscopy (SEM) dan Atomic Force Microscopy (AFM) Kurva Histerisis BAB IV Hasil DAN PEMBAHASAN Karakterisasi Struktur Mikro Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) Karakterisasi Atomic Force Microscopy (AFM) Kurva Histerisis BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN ix

11 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Jari-jari Ion Pen-doping Soft Doping... 8 Tabel 2.2 Jari-jari Ion Pen-doping Hard Doping... 8 Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Ukuran kristal Lapisan Tipis BT dan BFT 29 Tabel 4.2 Parameter Kisi Lapisan Tipis BT dan BFT Hasil Penghalusan Program GSAS Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Ketebalan Lapisan Tipis BT dan BFT Tabel 4.4 Kekasaran Rata-rata Lapisan Tipis BT dan BFT x

12 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Domain-domain pada Material Ferroelektrik... 4 Gambar 2.2 Pergeseran Ion Ti 4+ pada Struktur Perovskite PbTiO Gambar 2.3 Kurva Histerisis P-E... 6 Gambar 2.4 Struktur Perovskite Barium Titanat (BT)... 7 Gambar 2.5 Mekanisme kerusakan Sistem Kristal BST... 9 Gambar 2.6 Struktur Perovskite Material Ferroelektrik Gambar 2.7 Proses Spin Coating Gambar 2.8 Difraksi Sinar X pada Kristal Gambar 3.1 Alat-alat Penelitian yang digunakan Gambar 3.2 Bahan-bahan Penelitian yang digunakan Gambar 3.3 Diagram Alir Penelitian Gambar 3.4 Hasil Larutan BT dan BFT Gambar 3.5 Alat Pemanasan dan Pendeposisian Gambar 3.6 Alat Uji Kurva Histerisis Gambar 4.1 Pola Difraksi Lapisan Tipis BaTiO 3 dan BaFe x Ti 1-x O Gambar 4.2 Pola Difraksi Variasi Persen Mol Doping Fe pada BaTiO 3 untuk Bidang Gambar 4.3 Penghalusan Pola Difraksi Menggunakan Program GSAS pada Puncak (101) Gambar 4.4 Foto SEM Lapisan BT dan BFT dengan Variasi Mol Doping Gambar 4.5 Penampang Lintang Lapisan Tipis BT dan BFT dengan Variasi Mol Dopping Gambar 4.6 Morfologi Permukaan Lapisan Tipis BT dan BFT dengan Variasi Mol Doping Gambar 4.7 Kurva Histerisis Lapisan BT dan BFT dengan Variasi Mol Doping xi

13 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Nilai/ Satuan o C Suhu Derajat celcius M Molaritas M n Bilangan bulat (1,2,3, dst) d Jarak antar bidang atom dalam kristal nm λ Panjang gelombang sinar-x nm θ Sudut difraksi Derajat P Polarisasi C/cm 2 Ps Polarisasi spontan C/cm 2 Pr Polarisasi remanen C/cm 2 Ec Medan koersif V/meter M Molaritas Mol/m 3 a,b,c Parameter kisi Angstrom C Kapasitor Farad xii

14 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. ICDD Pt/Si Lampiran 2. ICDD BaTiO Lampiran 3. Hasil Chi-square Pengolahan Data GSAS Lampiran 4. Nilai FWHM Hasil Pengolahan Data dengan Origin Lampiran 5. Perhitungan Ukuran Partikel Lapisan Tipis BT dan BFT.. 55 Lampiran 6. Perhitungan Ukuran Butir Lapisan Tipis BT dan BFT Lampiran 7. Perhitungan Ketebalan Lapisan Tipis BT dan BFT Lampiran 8. Foto Hasil dari Karakterisasi AFM xiii