PADA BEBERAPA MOLARITAS DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK, SIFAT OPTIK DAN STRUKTUR KRISTALNYA DANIEL VIKTORIUS

Transkripsi

1 PEMBUATAN FILM LITHIUM NIOBATE (LiNbO 3 ) PADA BEBERAPA MOLARITAS DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK, SIFAT OPTIK DAN STRUKTUR KRISTALNYA DANIEL VIKTORIUS DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUANN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012

2 DANIEL VIKTORIUS. Pembuatan Film Lithium Niobate (LiNbO 3 ) pada Beberapa Molaritas dan Karakterisasi Sifat Lisrik, Sifat Optik dan Struktur Kristalnya. Dibimbing oleh IRZAMAN. Abstrak Fotodioda film lithium niobate (LiNbO 3 ) telah berhasil dibuat dengan menumbuhkan LiNbO 3 di permukaan substrat Si(100) tipe-p dengan menggunakan metode sol gel berdasarkan teknik spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik. Film LiNbO 3 dibuat dengan konsentrasi 0,5 M, 1 M, dan 2 M dan proses annealing pada suhu 900 C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam, dan 22 jam. Dilakukan karakterisasi sifat listrik, optik, dan struktur film. Karakterisasi I-V dilakukan pada kondisi gelap dan terang. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa film bersifat fotodioda. Hasil karakterisasi I-V juga menunjukkan bahwa konsentrasi molaritas turut mempengaruhi bentuk dioda film, yaitu molaritas yang makin tinggi maka bentuk dioda filmnya itu semakin baik, yaitu pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam. Konduktivitas listrik (σ) film annealing selama 1 jam, 8 jam, 15 jam, dan 22 jam berturut-turut adalah 1.49 x 10-5 S/cm, 2.05 x 10-5 S/cm, 2.27 x 10-5 S/cm, 6.66 x 10-5 S/cm. Nilai konduktivitas listrik (σ) tersebut berada dalam rentang σ semikonduktor, sehingga film LiNbO 3 yang dihasilkan merupakan material semikonduktor. Selain karakterisasi I-V dan konduktivitas listrik dilakukan juga karakterisasi konstanta dielektrik (ε). Nilai ε film menurun ketika tegangan ditingkatkan dari 1 volt, 3 volt, dan 5 volt. Sedangkan semakin lama film ditahan pada suhu 900 o C mengakibatkan konstanta dielektriknya meningkat. Karakterisasi sifat optik meliputi pengukuran absorbansi dan reflektansi film. Kurva absorbansi yang diperoleh memperlihatkan panjang gelombang yang paling banyak diserap dan dipantulkan, yaitu berkisar dari nm dan nm. Data reflektansi film dapat digunakan untuk menghitung indeks bias (n) dan energy gap (E g ). Kurva absorbansi yang diperoleh memperlihatkan panjang gelombang yang paling banyak diserap dan dipantulkan yaitu berkisar dari nm dan nm Karakterisasi sifat struktur berupa pengujian XRD. Hasil yang diperoleh memperlihatkan intensitas difraksi tertinggi dimiliki oleh film LiNbO 3 pada waktu annealing 1 jam, sedangkan intensitas difraksi terendah dimiliki oleh film LiNbO 3 pada waktu annealing 22 jam. Kata Kunci : lithium niobate (LiNbO 3 ), annealing, sifat listrik, sifat optik, sifat struktur.

3 PEMBUATAN FILM LITHIUM NIOBATE (LiNbO 3 ) PADA BEBERAPA MOLARITAS DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK, SIFAT OPTIK DAN STRUKTUR KRISTALNYA DANIEL VIKTORIUS Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012

4 LEMBAR PENGESAHAN Judul Skripsi Nama NIM : Pembuatan Film Lithium Niobate (LiNbO 3 ) pada Beberapa Molaritas dan Karakterisasi Sifat Lisrik, Sifat Optik dan Struktur Kristalnya : Daniel Viktorius : G Disetujui : Pembimbing Dr. Ir. Irzaman, M.Si NIP Diketahui Ketua Departemen Fisika Dr.Akhiruddin Maddu NIP Tanggal lulus :

5 KATA PENGANTAR Puji Syukur saya ucapkan pada Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan izin-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul Pembuatan Film Lithium Niobate (LiNbO 3 ) pada Beberapa Molaritas dan Karakterisasi Sifat Lisrik, Sifat Optik dan Struktur Kristalnya. Setelah berusaha dan berdo'a, hasilnya penulis serahkan kepada Sang Pencipta. Skripsi ini disusun agar penulis dapat menyelesaikan kuliah dan sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Selanjutnya terima kasih kami sampaikan kepada Bapak Irzaman yang telah memberi semangat, kritik, dan saran kepada penulis agar penulisan hasil penelitian ini dapat selesai. Atas jasa beliau juga penulis dapat menyelesaikan hasil penelitian ini dengan baik. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada orang tua penulis yang selalu memberikan doa dan dukungan agar kami terus berkarya dan mengeluarkan ide-ide agar berguna bagi masyarakat. Kepada seluruh teman-teman di Departemen Fisika IPB penulis juga sangat berterima kasih. Berkat dukungan dan kerjasama dari teman-teman, penulis dapat menyelesaikan penulisan hasil penelitian ini dengan baik. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh pihak yang telah berpartisipasi baik langsung maupun tidak langsung dalam penulisan skripsi ini.. Akhir kata, dengan adanya tulisan ini diharapkan dapat memberikan manfaat yang besar. Kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk kemajuan dari penerapan material yang telah dilakukan penelitian saat ini. Bogor, Juli 2012 Penulis

6 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 11 Mei Penulis menyelesaikan masa studi di SDN Parung 1 selama 6 tahun, SLTP Negeri 14 Depok selama tiga tahun, dan melanjutkan ke SMAN 5 Depok dan lulus pada tahun Penulis melanjutkkan pendidikan S1 jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur SPMB. Selama masa studi di IPB penulis hanya mengikuti kegiatan perkuliahan. Tidak pernah mengikuti organisasi di IPB.

7 DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR LAMPIRAN... ix BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Perumusan Masalah Hipotesis... 1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Bahan Ferroelektrik Lithium Niobate (LiNbO 3 ) Sifat Listrik Dielektrik Molaritas Dioda X-Ray Diffraction (XRD) Konduktivitas Listrik dan Resistansi Annealing Spektrofotometer Metode Sol Gel... 5 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan Prosedur Penelitian Pembuatan lithium niobate (LiNbO 3 ) Persiapan substrat Si tipe P Proses penumbuhan film Proses annealing Proses metalisasi dan pembuatan kontak pada film Karakterisasi a Karakterisasi konduktivitas dan resistansi listrik b Karakterisasi arus-tegangan (I-V) menggunakan I-V meter c Karakterisasi sifat optik absorbansi dan reflektansi d Karakterisasi konstanta dielektrik e Karakterisasi XRD... 8 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat Optik Konstanta Dielektrik Arus-Tegangan (I-V) Konduktivitas Listrik Hasil Karakterisasi XRD BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN vi

8 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 4.1. Spektrum panjang gelombang cahaya tampak... 9 Tabel 4.2. Indeks bias dan energy gap film LiNbO Tabel 4.3. Nilai konstanta dielektrik film LiNbO Tabel 4.4. Nilai konduktivitas film LiNbO 3 berdasarkan perbedaan waktu annealing Tabel 4.5. Taksiran sudut difraksi dan indeks miller film LiNbO Tabel 4.6. Parameter kisi film LiNbO 3 berstruktur rhombohedral vii

9 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Terbentuknya depletion region pada dioda persambungan p-n... 3 Gambar 2.2 (a) Reverse biased ( b) Forward biased... 3 Gambar 2.3 Spin coater... 5 Gambar 3.1 Hasil penumbuhan film LiNbO 3 di permukaan substrat Si tipe p... 6 Gambar 3.2 Proses annealing... 7 Gambar 3.3 Alat metalisasi film... 7 Gambar 3.4 Rangkaian untuk menghitung konstanta dielektrik film LiNbO Gambar 4.1 Hubungan absorbansi dan panjang gelombang... 9 Gambar 4.2 Hubungan reflektansi dan panjang gelombang... 9 Gambar 4.3 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν) 2 terhadap energi 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam Gambar 4.4 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν) 2 terhadap energi 1 M, pada waktu annealing 15 jam Gambar 4.5 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν) 2 terhadap energi 2 M, pada waktu annealing 22 jam Gambar 4.6 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν) 2 terhadap energi 2 M, pada waktu annealing 15 jam Gambar 4.7 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 1 volt Gambar 4.8 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 3 volt Gambar 4.9 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 5 volt Gambar 4.10 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam Gambar 4.11 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang gelap molaritas 1 M, pada waktu annealing 15 jam Gambar 4.12 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 1 M, pada waktu annealing 22 jam Gambar 4.13 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 2M, pada waktu annealing 15 jam Gambar 4.14 Pola difraksi sinar-x film LiNbO Gambar 4.15 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 3 volt setelah film 1 M, pada waktu annealing 8 jam dipasang Gambar 4.16 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 5 volt setelah film 2 M, pada waktu annealing 1 jam dipasang viii

10 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Diagram alir penelitian Lampiran 2. Hasil karakterisasi XRD film LiNbO Lampiran 3. Data massa film sebelum dilakukan annealing dan sesudah proses annealing, contoh perhitungan time constant dan konstanta dielektrik, perhitungan konduktivitas listrik Lampiran 4. Tabel perhitungan indeks miller, perhitungan parameter kisi Lampiran 5. Menentukan indeks bias dan energy gap ix

11 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Film merupakan material yang memberikan harapan baru dalam pengembangan device sel surya agar memenuhi persyaratan, antara lain biaya rendah dan stabilitas material yang baik. Perangkat dan bahan film juga dapat meminimalkan bahan beracun karena kuantitas penggunaannya pada permukaan dan lapisan film terbatas [1]. Bahan ferroelektrik yang digunakan pada pembuatan film adalah LiNbO 3. lithium niobate (LiNbO 3 ) merupakan bahan ferroelektrik penting karena sifat-sifat piezoelektrik, electrooptical, pyroelectrical dan photorefractive yang sangat baik [2]. Pembuatan film LiNbO 3 menggunakan peralatan yang cukup sederhana, biaya murah, dan dilakukan dalam waktu yang relatif singkat. Terdapat berbagai macam metode yang digunakan dalam pembuatan film tipis, antara lain berupa teknik deposisi film seperti sputtering, pulsed laser deposition (PLD), chemical solution deposition ( CSD) dan chemical vapor deposition (CVD) [3]. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode CSD (chemical solution deposition), karena metode CSD memiliki kontrol stoikiometri yang baik, mudah dibuat, dan sintesisnya dapat terjadi pada suhu rendah. Penelitian film LiNbO 3 yang dilakukan adalah untuk melihat sifatnya melalui kurva hubungan tegangan dan arus (I-V) dan sifat konduktivitas listriknya. Substrat yang digunakan untuk melihat hubungan I-V dan konduktivitas listriknya adalah silikon tipe-p pada suhu annealing C dan lama waktu annealing 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan umum penelitian ini adalah menumbuhkan film LiNbO 3 pada substrat silikon tipe-p dan menguji sifat listrik, sifat optik dan karakterisasi struktur film LiNbO 3. Tujuan khusus penelitian adalah: 1) Melakukan pembuatan film LiNbO 3 murni 2) Melakukan karakterisasi arus-tegangan (I-V) pada setiap film. 3) Menguji sifat ferroelektrik film. 4) Menentukan konstanta dielektrik film dan waktu responnya. 5) Menentukan karakterisasi konduktivitas film. 6) Menentukan karakterisasi reflektansi dan absorbansi film. 7) Menentukan karakterisasi XRD pada film. 8) Mempelajari pengaruh molaritas pada proses karakterisasi film LiNbO 3. Tujuan akhir penelitian ini adalah mengetahui dan mempelajari karakterisasi film LiNbO 3 dengan menguji sifat listrik, sifat optik dan struktur film LiNbO Perumusan Masalah 1. Bagaimana hasil perbedaan karakterisasi sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur film lithium niobate (LiNbO 3 ) yang dibuat dengan perbedaan waktu annealing 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam serta perbedaan molaritas 0,5 M, 1 M, dan 2 M pada suhu tetap 900 o C?. 2. Apa ketebalan film mempengaruhi konstanta dielektrik film dan konduktivitas film?. 1.4 Hipotesis Perbedaan waktu annealing film LiNbO 3 dan perbedaan molaritas mengakibatkan sifat struktur kristalnya berubah. Semakin lama film LiNbO 3 dilakukan annealing pada suhu 900 o C maka film LiNbO 3 akan mempunyai sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur yang lebih baik dari film LiNbO 3 yang lebih singkat waktu annealingnya. Molaritas film LiNbO 3 sebesar 2 M akan mempunyai sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur yang lebih baik dari film LiNbO 3 yang lebih kecil molaritasnya. Konstanta dielektik dan konduktivitas listrik film LiNbO 3 meningkat jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar. Konstanta dielektrik dan konduktivitas listrik film LiNbO 3 yang paling baik pada waktu annealing 22 jam dan molaritas yang paling baik pada molaritas 1 M. BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bahan Ferroelektrik Ferroelektrik, terutama pada oksida kompleks dengan struktur perovskit, adalah bahan yang multifungsional. Sensitivitas

12 2 dari sifat fisik (permitivitas, indeks bias, permeabilitas magnetik) dari bahan-bahan terhadap suhu, medan listrik, medan magnet dan tekanan, khususnya yang mendekati pada suhu fase transisi, membuatnya menarik untuk diaplikasikan pada perangkat elektronik dan optik contohnya telepon mobile dan modulator optik [4]. Bahan ferroelektrik pada fase polar memiliki polarisasi spontan yang stabil yang dapat diaktifkan oleh medan listrik [5]. Polarisasi yang terjadi merupakan hasil dari penerapan medan yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu material ferroelektrik. Polarisasi ini dapat dihilangkan dengan memberikan medan eksternal yang arahnya berlawanan. Sifat listrik yang ditunjukkan berupa sifat mikroskopiknya. Muatan positif dan negatif pada material ini tidak selalu terdistribusi secara simetris. Momen dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisasi dielektrik. 2.2 Lithium Niobate (LiNbO 3 ) Film LiNbO 3 telah banyak menarik perhatian karena dapat dimanfaatkan untuk potensi listrik, aplikasi optik dan akustik. LiNbO 3 merupakan bahan ferroelektrik penting karena mempunyai sifat-sifat piezoelektrik, electrooptical, pyroelectrical dan photorefractive [2]. LiNbO 3 dibuat berdasarkan reaksi antara lithium asetat dan niobium oksida. Berikut ini merupakan persamaan reaksi LiNbO 3. 2LiC 2H 3O 2 + Nb 2O 5 + 4O 2 2LiNbO 3 + 3H 2O + 4CO 2 Struktur LiNbO 3 pada suhu kamar berbentuk mendekati rhombohedral (trigonal) dengan group ruang R3c dengan group point 3m. Di permukaan suhu fase transisi, kristal berubah bentuk menjadi centrosymetric dengan group ruang R3m. Lithium niobate (LiNbO 3 ) adalah senyawa niobium, lithium dan oksigen. Lithium niobate adalah material yang tidak larut dalam air yang berbentuk padatan. Lithium niobate memiliki sistem kristal trigonal, yang tidak memiliki simetri inversi dan ferroelectricity menampilkan, efek Pockels (efek yang merupakan dasar dari operasi sel Pockels, sel Pockels mungkin digunakan untuk memutar polarisasi dari sinar yang lewat), efek piezoelektrik, fotoelastisitas dan polarisabilitas optik nonlinier. Hal ini transparan untuk panjang gelombang antara 350 dan 520 nanometer. Lithium niobate (LiNbO 3 ) dapat diolah oleh magnesium oksida, yang meningkatkan ketahanan terhadap kerusakan optik (juga dikenal sebagai kerusakan photorefractive) ketika diolah di atas ambang rusak optik. Dopan tersedia lainnya adalah Fe, Zn, Hf, Cu, Gd, Er, Y, Mn dan B. Lithium niobate digunakan secara luas di pasar telekomunikasi, misalnya dalam telepon mobile dan modulator optik. Ini adalah bahan pilihan untuk pembuatan perangkat akustik gelombang permukaan. 2.3 Sifat Listrik Dielektrik Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif melambangkan rapatnya fluks elektrostatik dalam suatu bahan bila diberi potensial listrik. Konstanta dielektrik merupakan perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap vakum (ruang hampa). Konstanta dielektrik dilambangkan dengan huruf Yunani ε r atau kadang-kadang κ, K. Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan sebagai (2.1) Keterangan: ε merupakan permitivitas bahan, ε r adalah permitivitas relatif dan ε 0 adalah permitivitas vakum. Permitivitas vakum diturunkan dari persamaan Maxwell dengan menghubungkan intensitas medan listrik E terhadap kerapatan fluks listrik D. Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan di vakum (ruang hampa) didefinisikan sebagai (2.2) Keterangan: 1 adalah konstanta dielektrik pada vakum (ruang hampa), ε r adalah permitivitas relatif, χ e adalah susceptibility (kerentanan) listrik [10]. 2.4 Molaritas Dalam ilmu kimia, molaritas (disingkat M). Molaritas suatu larutan menyatakan jumlah mol suatu zat per liter larutan. Misalnya 1.0 liter larutan mengandung 0,5 mol senyawa X, maka larutan ini disebut larutan 0,5 molar (0,5 M). Umumnya konsentrasi larutan berair encer dinyatakan dalam satuan molar. Keuntungan menggunakan satuan molar adalah kemudahan perhitungan dalam stoikiometri, karena konsentrasi dinyatakan dalam jumlah mol (sebanding dengan jumlah partikel yang sebenarnya). Kerugian penggunaan satuan

13 3 ini adalah ketidaktepatan dalam pengukuran volum. Selain itu, volum suatu cairan berubah sesuai suhu, sehingga molaritas larutan dapat berubah tanpaa menambahkan atau mengurangi zat apapun. Selain itu, pada larutan yang tidak begitu encer, volum molar dari zat itu sendiri merupakan fungsi dari konsentrasi, sehingga hubungan molaritas- p-n yang konsentrasi tidaklah linear. 2.5 Dioda Dioda adalah sambungan berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan merupakan sisi anoda sedangkan bahan tipe-n akan merupakan katoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, dioda bisa berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan negatif sedangkan katoda mendapatkan tegangan positif) dan bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan positif sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif) dan Kondisi tersebut terjadi hanya pada dioda ideal. Tegangan sebesar 0,7 V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Pada dioda faktual (nyata), perlu tegangan lebih besar dari 0,7 V (untuk dioda yang dibuat dari bahan silikon). Dioda yang dibuat dari bahan germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3 V [15]. Pada saat dioda tidak diberikan panjar tegangan (unbiased) seperti ditunjukkan Gambar 2.1, terjadi difusi elektron ke segala arah pada setiap tepi-tepi semikonduktor. Beberapa difusi melewati junction, sehingga tercipta ion positif pada daerah n dan ion negatif pada daerah p. Jika ion-ion ini bertambah banyak, maka daerah di sekitar junction akan terjadi kekosongan dari hole dan elektron bebas. Daerah ini disebut daerah pengosongan (depletion region). Pada suatu saat, depletion region akan berlaku sebagai penghalangg bagi elektron untuk berdifusi lanjut melalui junction. Diperlukan tegangan yang lebih besar agar elektron dapat menembus penghalang tersebut, yang dikenal dengan istilah tegangan offset. Jika sumber tegangan tersebut dibalik polaritasnya, maka rangkaian yang tampak pada Gambar 2.2 (a). itu disebut dengan reverse biased. Hubungan ini memaksa elektron bebas di dalam daerah n berpindah dari junction ke arah terminal positif sumber, sedangkan hole di dalam daerah p juga bergerak menjauhi junction ke arah terminal negatif. Gerakan ini akan membuat lapisan pengosong semakin besar sehingga beda potensialnya mendekati harga sumber tegangan, tetapi pada situasi ini, masih terdapat arus kecil, atau disebut arus balik (reverse current). Jika keadaan ini terus berlanjut, akan tercapai titik pendobrakan, yang disebut dengan breakdown voltage [15]. Depletion region Gambar 2.1 Terbentuknya depletion region pada dioda persambungan p-n [15] (a) (b) Gambar 2.2 (a) Reverse biased ( b) Forward biased [16] Keterangan: I r merupakan arah arus pada bias mundur dan I f merupakan arah arus padaa bias maju. Sebaliknya, jika dioda diberi tegangan seperti pada Gambar 2.2 (b), yaitu kutub positif baterai dihubungkan dengan bahan tipe-p dan kutub negatifnya dihubungkan dengan bahan tipe-n, maka rangkaian ini disebut dengan forward biased atau prategangan maju. Bila tegangan ini melebihi tegangan yang diakibatkan oleh daerah pengosongan maka forward biased dapat menghasilkan arus yang besar. Kutub negatif sumber dapat mendorong elektron pada bahan tipe-n menuju junction. Elektron ini dapat melewati junction dan jatuh ke dalam hole. Bila ini terjadi, elektron akan dapat terus bergerak melalui hole pada bahan tipe-p yang ada menuju kutub positif baterai. 2.6 X-Ray Diffraction (XRD) XRD merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur kristal,

14 4 ukuran kristal dari suatu bahan padat. Semua bahan yang mengandung kristal tertentu ketika dianalisa menggunakan XRD akan memunculkan puncak- puncak yang spesifik. Sehingga kelemahan alat ini tidak dapat untuk mengkarakterisasi bahan yang bersifat amorf. Metode difraksi umumnya digunakan untuk mengidentifikasi senyawa yang belum diketahui yang terkandung dalam suatu padatan dengan cara membandingkan dengan data difraksi dengan database yang dikeluarkan oleh International Centre for Diffraction Data berupa Powder Diffraction File (PDF). Difraktometer menggunakan prinsip difraksi. Ada 3 jenis difraktometer yang dikenal. Penamaan difraktometer ini ditentukan oleh sumber radiasi yang digunakan yaitu difraktometer neutron, sinar-x dan elektron. XRD yang tepat dirancang untuk aplikasi dalam microstructure pengukuran, pengujian dan penelitian mendalam dalam penyelidikan. Berbagai aksesori yang sesuai dan pengendalian perangkat lunak dan perhitungan dapat dipilih untuk bersurat difraksi sistem sesuai dengan kebutuhan praktis. XRD menyediakan satu analisis struktur kristal, polycrystalline dan amorphous sampel. termasuk tahap analisis kualitatif dan analisis kuantitatif (RIR, internal standar kalibrasi, standar kalibrasi eksternal, kriteria tambahan), pola pengindeksan, kesatuan tekad dan perbaikan sel, crystallite ukuran dan penetapan strain, profil dan struktur pas perbaikan, penetapan sisa stres, analisis tekstur ( ODF menyatakan tiga dimensi tiang angka), crystallinity memperkirakan puncak dari daerah, analisis film. X-ray diffractometer utama yang digunakan untuk identifikasi tahapan dalam bentuk serbuk. An x-ray beam yang dikenal panjang gelombang adalah difokuskan pada bubuk sampel dan x-ray difraksi puncak dihitung menggunakan detektor germanium; the d-spacing dari pengamatan difraksi puncak dihitung menggunakan hukum Bragg. 2.7 Konduktivitas Listrik dan Resistansi Konduktansi listrik (G) adalah kemampuan suatu bahan untuk melewatkan arus listrik dan dinyatakan dalam satuan mho atau siemens (S). Suatu konduktor ideal dikenal dengan nama super-konduktor memiliki nilai G=0. Nilai konduktivitas suatu material tergantung dari pita energi.. Material semikonduktor, pada saat kesetimbangan termal pita valensinya terisi penuh sedangkan pita konduksinya kosong. Celah energi (energi gap) antara pita valensi dan pita konduksi relatif sempit, sehingga pada kondisi tertentu memungkinkan terjadi konduksi listrik. Suhu mempengaruhi nilai resistansi dan konduktivitas suatu material. Material semikonduktor pada umumnya naik nilai konduktivitasnya jika suhu ditingkatkan, sedangkan pada material konduktor jika suhunya dinaikkan nilai konduktivitasnya pada umumnya menurun. Material semikonduktor akan berubah menjadi isolator jika suhu absolutnya bernilai nol derajat kelvin. 2.8 Annealing Tahapan dari proses annealing ini dimulai dengan memanaskan logam (paduan) sampai suhu tertentu, menahan pada suhu tertentu tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan yang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi dengan laju pendinginan yang cukup lambat. Jenis annealing itu beraneka ragam, tergantung pada jenis atau kondisi benda kerja, suhu pemanasan, lamanya waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate) dan lain-lain. Proses annealing adalah proses pemanasan baja diatas suhu kritis (723 C) selanjutnya dibiarkan beberapa lama sampai suhu merata disusul dengan pendinginan secara perlahan-lahan sambil dijaga agar suhu bagian luar dan dalam kirakira sama hingga diperoleh struktur yang diinginkan dengan menggunakan media pendingin udara. Tujuan proses annealing adalah melunakkan material logam, menghilangkan tegangan dalam yang ada di dalam suatu material yang dapat menganggu proses penumbuhan film LiNbO 3 pada substrat dan memperbaiki butir-butir logam, yaitu membesarnya ukuran butir mempengaruhi jarak atom-atom dalam kristal yang semakin berdekatan sehingga mengakibatkan parameter kisi menurun [13] Spektrofotometer Spektrofotometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur absorbansi maupun reflektansi dengan cara melewatkan

15 5 cahaya pada panjang gelombang tertentu ke suatu obyek [26]. Spektrofotometri visible disebut juga spektrofotometri sinar tampak. Yang dimaksud sinar tampak adalah sinar yang dapat dilihat oleh manusia secara kasat mata. Cahaya yang dapat dilihat oleh mata manusia adalah cahaya dengan panjang gelombang nm. Elektron pada keadaan normal berada pada kulit atom dengan energi terendah disebut keadaan dasar (ground-state). Energi yang dimiliki sinar tampak mampu membuat elektron tereksitasi dari keadaan dasar menuju kulit atom yang memiliki energi lebih tinggi atau menuju keadaan tereksitasi. Cahaya yang diserap oleh suatu zat berbeda dengan cahaya yang ditangkap oleh mata manusia. Cahaya yang tampak atau cahaya yang dilihat dalam kehidupan sehari-hari disebut warna komplementer. Misalnya suatu zat akan berwarna orange bila zat tersebut menyerap warna biru pada spektrum sinar tampak dan suatu zat akan berwarna hitam bila zat tersebut menyerap semua warna yang terdapat pada spektrum sinar tampak [27]. Pada spektrofotometer sinar tampak, sumber cahaya biasanya menggunakan lampu tungsten yang sering disebut lampu wolfram. Wolfram merupakan salah satu unsur kimia, dalam tabel periodik unsur, wolfram termasuk golongan unsur transisi tepatnya golongan VI B atau golongan 6 dengan simbol W dan nomor atom 74. Wolfram digunakan sebagai lampu pada spektrofotometri tidak terlepas dari sifatnya yang memiliki titik didih yang sangat tinggi yakni 5930 C [27]. Spektrofotometer dapat digunakan untuk menentukan nilai transmitansi, reflektansi maupun absorbansi suatu zat. Data reflektansi (R) yang diperoleh dapat digunakan untuk menentukan indeks bias (n) dengan menggunakan persamaan 2.3 [31]. (biasanya pada suhu o C) dan pembentukan film yang masih berstruktur amorf dan (iv) perlakuan panas pada suhu tinggi. Perlakuan ini bertujuan untuk kristalisasi film yaitu suatu proses untuk mengubah bentuk film yang berstruktur amorf menjadi film yang berstruktur padatan (biasanya pada suhu o C) [42]. Spin coating melibatkan akselerasi dari genangan cairan di permukaan substrat yang berputar. Material pelapis dideposisi di tengah substrat. Proses spin coating dapat dipahami dengan reologi atau perilaku aliran larutan pada piringan substrat yang berputar. Mula-mula aliran volumetrik cairan dengan arah melingkar pada substrat yang diasumsikan bervariasi terhadap waktu. Pada saat t = 0, penggenangan awal dan pembasahan menyeluruh pada permukaan substrat (tegangan permukaan diminimalisasi yakni tidak adanya getaran atau diam pada waktu piringan substrat berputar, noda kering dan sebagainya). Piringan lalu dipercepat menggunakan alat spin coater seperti pada Gambar 2.3 dengan kecepatan angular sehingga mengakibatkan bulk cairan terdistribusi secara merata [29]. Beberapa parameter yang berpengaruh dalam proses spin coating adalah viskositas larutan, kandungan padatan, kecepatan angular dan waktu putar. Proses pembentukan film dipengaruhi oleh dua parameter bebas, yaitu kecepatan putar dan viskositas. Rentang ketebalan film yang dihasilkan oleh spin coating adalah µm [30]. Contoh spin coater diperlihatkan pada Gambar 2.3. n = (2.3) Keterangan: n= indeks bias, R= reflektansi maksimum yang dapat diperoleh dari kurva persen reflektansi terhadap panjang gelombang Metode Sol Gel Secara umum fabrikasi film dengan metode sol gel meliputi empat proses; (i) sintesis larutan prekursor, (ii) deposisi larutan prekursor pada permukaan substrat, (iii) pemanasan pada suhu rendah. Perlakuan ini bertujuan menghilangkan pelarut dan senyawa organik lain yang mungkin ada Gambar 2.3 Spin coater Keterangan: a = piringan spin coater b = display c = tombol power d = adjustables, untuk mengatur kecepatan putar piringan ketika substrat berputar di piringan spin coater agar sesuai dengan kecepatan yang diinginkan.

16 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian sudah dilakukan di Laboratorium Material, Laboratorium Biofisika, dan Laboratorium Biofisika Material Departemen Fisika IPB, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor, Laboratorium MOCVD Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung serta Laboratorium XRD di Laboratorium Terpadu Badan Penelitian dan Pengembangan Kehutanan dari bulan September 2011 sampai dengan bulan Juli Bahan dan Alat Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, reaktor spin coater, mortal, pipet, gelas ukur Iwaki 10 ml, pemanas, pinset, gunting, spatula, stopwatch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petris, tissue, isolasi, LCR meter, I-V meter, osiloskop, spektrofotometer, ultrasonik model branson 2210, lampu pijar 100 watt dan furnace model vulcan Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah lithium asetat [(LiO 2 CH 3 ), 99,9%], niobium [(Nb 2 O 5 ),99,9%], pelarut 2- metoksietanol, substrat Si (100) tipe-p, aquades, HF (asam florida), kaca preparat dan aluminium foil. 3.3 Prosedur Penelitian Pembuatan larutan LiNbO 3 Film LiNbO 3 yang ditumbuhkan di permukaan atas substrat silikon tipe-p dengan metode CSD dibuat dengan menggunakan lithium asetat [(LiO 2 CH 3 ), 99,9%] dan niobium [(Nb 2 O 5 ),99,9%] serta 2-metoksietanol [H 3 COOCH 2 CH 2 OH, 99.9%] yang digunakan sebagai bahan pelarut [6]. Setelah bahan-bahan dicampur, larutan digetarkan pada ultrasonik model branson selama 1 jam. Setelah itu larutan disaring untuk mendapatkan larutan yang bersifat homogen Persiapan substrat Si tipe-p Substrat yang digunakan adalah substrat Si (100) tipe-p. Kebersihan substrat sebagai tempat penumbuhan film perlu diperhatikan agar film dapat tumbuh dengan baik dan merata. Substrat dipotong membentuk segi empat dengan ukuran 1 cm x 1 cm dengan menggunakan mata intan. Substrat Si(100) yang telah dipotong kemudian dicuci dengan metanol, aseton, asam florida dan aquades Proses penumbuhan film Substrat yang telah dibersihkan diletakkan di permukaan piringan reaktor spin coater yang telah di tempel dengan isolasi ditengahnya, kemudian di permukaan atas substrat diteteskan larutan LiNbO 3 sebanyak 1 tetes, lalu substrat didiamkan selama 3 detik. Kemudian dilakukan pemutaran reaktor spin coater dengan putaran 3000 rpm selama 30 detik. Proses selanjutnya adalah annealing, yaitu pemanasan substrat dengan menggunakan furnace model vulcan pada suhu tinggi yakni pada suhu 900 C untuk subtrat Si (100) selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam yang bertujuan untuk mendifusikan larutan lithium niobate (LiNbO 3 ) dengan substrat. Hasil penumbuhan film LiNbO 3 dapat dilihat pada Gambar 3.1. LiNbO 3 tipe n Substrat Si tipe p Gambar 3.1 Hasil penumbuhan film LiNbO 3 di permukaan substrat Si tipe P Proses annealing Proses pemanasan substrat yang telah di tumbuhi film LiNbO 3 pada suhu tinggi atau proses annealing dilakukan dengan menggunakan furnace model vulcan Substrat Si (100) tipe-p di annealing pada suhu 900 C. Proses annealing dilakukan secara bertahap. Proses annealing dapat dilihat pada Gambar 3.2. Pemanasan dimulai pada suhu ruang 28 0 C kemudian dinaikkan hingga suhu annealing 900 o C. Setelah kenaikan suhu selama proses 8 jam kemudian pemanas disesuaikan dengan suhu annealing secara konstan selama proses 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace

17 7 cooling sampai didapatkan kembali suhu ruang selama 12 jam. Tahapan seperti pada Gambar o C 28 0 C Gambar 3.2 Proses annealing Proses Metalisasi dan Pembuatan Kontak pada Film Setelah dilakukan proses annealing, proses selanjutnya adalah persiapan pembuatan kontak yang meliputi proses penganyaman film menggunakan aluminium foil. Tahap selanjutnya adalah proses metalisasi dengan bahan aluminium dengan teknik evaporasi. Bahan kontak yang dipilih adalah aluminium 99,999%. Setelah kontak terbentuk, maka proses selanjutnya adalah pemasangan kawat tembagaa pada kontak, yaitu dengan cara memasang kawat dengan aluminium menggunakan pasta perak. Selanjutnya, dilakukan penyinaran dengan lampu pijar 100 watt selamaa kurang lebih 1 jam di permukaan sampel yang telah ditempeli dengan pasta perak. Hal ini bertujuan untuk mengeringkan pasta perak sehingga kawat dapat menyatu dengan aluminium di permukaan sampel sehingga terbentuklah kontak, untuk memudahkan proses karakterisasi film LiNbO 3. Gambar 3.3 Alat metalisasi film Karakterisasi a. Karakterisasi konduktivitas dan resistansi listrik Pengukuran nilai konduktivitas dan resistansi menggunakan alat LCR meter. Dari alat tersebut didapatkan nilai konduktansi (G). Nilai resistans didapatkan dari persamaan R= 1/G (3.1) Keterangan: R adalah resistansi (ohm), G adalah konduktansi (S). sedangkan nilai konduktivitas dapat dicari dari persamanan L σ = (3.2) RA Keterangan: σ adalah konduktivitas listrik (S/m), L adalah jarak antar kontak (m), A adalah luas kontak (m 2 ), R adalah resistansi (ohm atau 1/S). Gambar 3.4. Rangkaian untuk menghitung konstanta dielektrik film LiNbO 3 Keterangan: R adalah resistansi (ohm), C adalah kapasitansi film (Farad), V adalah tegangan film (m), A adalah luas kontak (m 2 ), V R adalah tegangan pada resistansi ( volt) dan V C adalah tegangan pada kapasitansi (volt)). b. Karakterisasi arus-tegangan I-V menggunakan I-V meter Pengukuran hubungan arus dan tegangan menggunakan alat I-VV meter. Data keluaran dari alat I-V meter merupakan nilai arus dan tegangan, kemudian dibuat kurva hubungan tegangan dan arus dengan menggunakan microsoft excel. Dari kurva hubungan arus dan tegangan (I-V) terang

18 dan gelap dapat diketahui karakteristik film yang dibuat bersifat dioda, resistansi atau kapasitansi. c. Karakterisasi sifat optik absorbansi dan reflektansi Alat yang digunakan, yaitu spektrofotometer model ocean optics DTmini-2. Karakterisasi sifat optik absorbansi dan reflektansi dilakukan untuk mengetahui tingkat absorbansi, reflektansi dan energy gap film. Energy gap diperoleh dengan cara menentukan energy gap film LiNbO 3 berdasarkan kurva menurut (αhν) 2 terhadap energi pada Gambar [33]. d. Karakterisasi konstanta dielektrik Pada karakterisasi ini digunakan rangkaian seperti pada Gambar 3.1. Dari rangkaian pengukuran ini ditentukan time constant dan nilai kapasitansi film sedangkan penentuan besar konstanta dielektriknya dapat menggunakan persamaan 3.3. (3.3) Keterangan: ɛ adalah konstanta dielektrik, C adalah kapasitansi film (Farad), d adalah ketebalan film (m), A adalah luas kontak (m 2 ), ɛ 0 adalah permitivitas ruang hampa (8,85 x F/m). Permitivitas relatif ɛ menunjukkan sifat kemampuan polarisasi dan menyimpan energi. e. Karakterisasi XRD Karakterisasi XRD dilakukan untuk menentukan model struktur kristal film yang telah dibuat, lalu dari hasil pengujian dapat digunakan untuk mencari indeks miller dan parameter kisi struktur kristal film. Sistem kristal trigonal adalah sistem kristal yang hanya dimiliki titik kelompok yang memiliki lebih dari satu sistem kisi terkait dengan kelompok ruang mereka: kisi heksagonal dan rhombohedral kedua muncul. Dalam sistem rhombohedral, kristal digambarkan oleh vektor yang sama panjang, dua di antaranya adalah ortogonal. Sistem rhombohedral dapat dianggap sebagai sistem kubik membentang sepanjang tubuh diagonal a = b = c;. α = β = γ 90 [14]. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Film yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p, sedangkan lapisan LiNbO 3 merupakan semikonduktor tipe-n [34]. Persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n dikenal dengan nama p-n junction [35]. Dengan adanya p-n junction, maka film yang dibuat sama dengan karakteristik dari dioda. Sifat optik, sifat listrik, dan struktur film pada waktu annealing 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam pada molaritas 0,5 M, 1 M, 2 M masing-masing menunjukkan hasil yang berbeda. Perbedaan ini mengindikasikan adanya pengaruh lama annealing terhadap film dan juga pengaruh molaritas terhadap film. 4.1 Sifat Optik Film Alat yang digunakan dalam karakterisasi sifat optik film LiNbO 3, yaitu spektrofotometer. Dalam spektrofotometer fenomena yang terjadi merupakan interaksi sampel dengan panjang gelombang yang dibangkitkan dari sumber. Panjang gelombang yang digunakan yaitu panjang gelombang cahaya tampak. Karakterisasi ini dilakukan untuk mengetahui tingkat absorbansi dan reflektansi film yang dihasilkan pada panjang gelombang cahaya tampak. Setelah dilakukan karakterisasi diperoleh kurva hubungan absorbansi dengan panjang gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1. Dari kurva tersebut dapat dilihat film LiNbO 3 pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam menyerap cahaya paling banyak pada panjang gelombang nm (warna kuning) dan paling rendah pada panjang gelombang nm (warna biru). Film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 22 jam menyerap cahaya paling banyak pada panjang gelombang nm dan nm sedangkan paling rendah pada panjang gelombang nm (warna hijau) dan nm (warna merah). Film LiNbO 3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam paling banyak menyerap panjang gelombang warna biru dan merah sedangkan paling rendah pada panjang gelombang warna hijau. Sedangkan film LiNbO 3 pada molaritas 2 M dan waktu

19 9 annealing 22 jam, kurva absorbansi yang diperoleh hampir membentuk garis lurus horizontal, artinya tingkat absorbansinya hampir sama untuk setiap panjang gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1. Selain pengukuran absorbansi juga dilakukan pengukuran terhadap besar reflektansi film. Kurva reflektansi yang dihasilkan merupakan kebalikan dari absorbansi. Jadi dapat disimpulkan bahwa film LiNbO 3 pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam paling banyak mereflektansi cahaya daripada film LiNbO 3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam, film LiNbO 3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 22 jam serta film LiNbO 3 pada molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam karena tingkat absorbansinya paling rendah. Perbedaan absorbansi ini mungkin disebabkan oleh jarak atom pada kristal film dari setiap sampel berbeda-beda. Tabel 4.2 menunjukkan nilai indeks bias dan energy gap film. Indeks bias dapat dicari dengan menggunakan persamaan 2.2, sedangkan energy gap diperoleh dengan memplotkan kurva (αhν) 2 terhadap energi, dengan E =, ( keterangan: α adalah koefisien absorbansi, h adalah konstanta planck 4,136 x ev.s, ν adalah frekuensi, c adalah kecepatan cahaya 2,998 x 10 8 m/s, dan λ adalah panjang gelombang dalam satuan meter). Pada Gambar dapat dilihat pengaruh lama annealing film terhadap sifat optiknya. Film LiNbO 3 dengan molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam memiliki persen reflektansi dan indeks bias paling besar, sedangkan film dengan molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam memiliki persen reflektansi dan indeks bias paling kecil, artinya semakin lama proses annealing dilakukan dan semakin besar molaritas maka film LiNbO 3 memiliki indeks bias yang semakin kecil dan energy gap film meningkat. Panjang gelombang cahaya tampak ditabelkan dalam Tabel 4.1 [27]. Tabel 4.1 Spektrum panjang gelombang cahaya tampak Spektrum Panjang gelombang (nm) Ungu Biru Hijau Kuning Jingga Merah Tabel 4.2 Indeks bias dan energy gap film LiNbO 3 Film LiNbO 3 pada molaritas (M) Indeks bias Energy gap Eg (ev) dan waktu annealing (jam) 0,5 ; 15 1,93 2,54 Absorbansi (a.u) ; 15 1,64 3,12 1 ; 22 1,31 2,97 2 ; 22 1,60 3,19 Film LiNbO3 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam Film LiNbO 3 1 M, pada waktu annealing 15 jam Film LiNbO3 1 M, pada waktu annealing 22 jam Film LiNbO 2 M, pada waktu annealing 22 jam Panjang gelombang (nm) Gambar 4.1 Hubungan absorbansi dan panjang gelombang Film LiNbO 3 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam Film LiNbO3 1 M, pada waktu annealing 15 jam Film LiNbO 3 1 M, pada waktu annealing 22 jam Film LiNbO 2 M, pada waktu annealing 22 jam Gambar 4.2 Hubungan reflektansi dan panjang gelombang

20 10 3e+12 6e+12 3e+12 2e+12 Eg=2,54 ev 5e+12 4e+12 Eg=2,97 ev 1e+12 3e+12 1e+12 2e+12 5e+11 1e ,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 Energi (ev) Gambar 4.3 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν) 2 terhadap energi 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam. 0 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 Energi (ev) Gambar 4.5 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν) 2 terhadap energi 1 M, pada waktu annealing 22 jam. 3,5e+13 3,0e+13 2,5e+13 2,0e+13 Eg=3,12 ev 3e+12 3e+12 2e+12 1e+12 Eg = 3,19eV 1,5e+13 1e+12 1,0e+13 5e+11 5,0e+12 0,0 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 Energi (ev) Gambar 4.4 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν) 2 terhadap energi 1 M, pada waktu annealing 15 jam. 0 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 Energi (ev) Gambar 4.6 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν) 2 terhadap energi 2 M, pada waktu annealing 22 jam. 4.2 Konstanta Dielektrik Konstanta dielektrik (ε) film dicari dengan menggunakan rangkaian seperti pada Gambar 3.1 dengan cara memberikan tegangan masukkan berupa sinyal kotak dari generator dengan frekuensi 20 khz dan hambatan yang digunakan, yaitu 10 kω, sedangkan tegangan yang diberikan, yaitu 1 volt, 3 volt dan 5 volt. Sinyal keluaran yang dihasilkan tampak pada osiloskop seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.8, Gambar4.9, dan Gambar Dari sinyal keluaran tersebut dicari time constant (τ) untuk mendapatkan nilai kapasitansi dan konstanta dielektrik film. Time constant (τ) itu sangat mempengaruhi nilai kapasitansi yang selanjutnya juga mempengaruhi konstanta dielektrik film. Terdapat perbedaan sinyal keluaran pada osiloskop sebelum dan sesudah film dipasang. Sebagai contoh, pada Gambar 4.8 (a) dan Gambar 4.8 (b) terlihat perbedaan antara sinyal keluaran pada osiloskop sebelum dan sesudah film dipasang. Pada Gambar 4.8 (a) sinyal pada osiloskop masih berbentuk kotak sedangkan pada Gambar 4.8 (b) ada perubahan pada peak sinyal berupa pemotongan sinyal berupa lengkungan karena pada saat itu terjadi pengisian atau pengosongan muatan. Peristiwa pengisian atau pengosongan muatan ini mengindikasikan film dapat menyimpan muatan seperti halnya kapasitor. Dalam penelitian ini variasi tegangan yang digunakan yaitu, 1 volt, 3 volt dan 5 volt. Konstanta dielektrik (ε) yang diperoleh ketika diberikan tegangan berbeda menghasilkan ε yang berbeda.

21 11 Dari data yang diperoleh nilai ε semakin kecil ketika tegangannya ditingkatkan hal ini sesuai dengan persamaan 4.1 [38]. (4.1) Keterangan: d adalah ketebalan film (m), adalah kapasitansi (coulomb/volt atau farad), ε adalah konstanta dielektrik (F/m), A adalah luas kontak (m 2 ). Nilai ε semakin kecil ketika tegangannya ditingkatkan mengakibatkan penurunan kapasitansi. Oleh karena itu penurunan kapasitansi menjadikan nilai konstanta dielektrik film semakin kecil. Tabel 4.3 Nilai konstanta dielektrik film LiNbO 3 Film LiNbO 3 pada Ketebalan film (x 10-6 m) molaritas (M) dan waktu annealing (jam) V= 1 volt V= 3volt Konstanta dielektrik V= 5volt 0,5 ; 1 0,442 10,3 9,0 7,6 1 ; 8 0,608 18,7 13,1 12,5 1 ; 15 1,888 50,1 48,4 40,4 2 ; 22 2,157 54,6 51,7 44,3 Tabel 4.3 dapat dilihat ada peningkatan konstanta dielektrik (ε) film pada tegangan 1 volt, 3 volt dan 5 volt jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar. Dalam penelitian ini ε paling besar dimiliki oleh film pada waktu annealing 22 jam dan molaritas 2 M dan ε paling kecil dimiliki oleh film pada waktu annealing 1 jam dan molaritas 0,5 M. Hal ini disebabkan oleh ketebalan film yang semakin meningkat. 4.3 Arus-Tegangan (I-V) Pengukuran I-V film dilakukan dalam kondisi gelap dan kondisi disinari dengan intensitas cahaya 405 lux. Hasil pengukuran I-V menunjukkan film yang telah dibuat peka terhadap cahaya karena terjadi pergeseran kurva dari gelap ke terang ketika diberikan tegangan dari -10 volt hingga +10 volt. Arus yang dihasilkan film pada kondisi terang lebih besar daripada kondisi gelap karena pemberian cahaya pada film mengakibatkan film tersebut menjadi lebih konduktif. Terjadinya sifat konduktif pada film karena adanya energi foton dari luar yang diserap oleh elektron yang dipengaruhi oleh kondisi terang dan kondisi gelap. Pada kondisi ini, energi foton memiliki kencenderungan memberikan energi cukup bagi difusi elektron, sehingga peningkatan difusi ini mengakibatkan terjadinya rekombinasi elektron dan hole lebih banyak [39-41]. Dari karakterisasi I-V yang telah dilakukan dapat dikatakan bahwa film yang telah dibuat bersifat fotodioda. Dari karakterisasi I-V didapat bahwa waktu annealing 22 jam adalah waktu annealing terbaik dibandingkan dengan waktu annealing yang lain, yaitu waktu annealing 1 jam, waktu annealing 8 jam dan waktu annealing 15 jam. Kriteria film LiNbO 3 yang memperlihatkan waktu annealing yang terbaik 22 jam yaitu kurva I-V terang dan kurva I-V gelap yang berbentuk dioda. 4.4 Konduktivitas Listrik Nilai konduktivitas listrik bahan material yang saya teliti menunjukkan material bersifat semikonduktor. Besarnya nilai konduktivitas listrik berbanding terbalik dengan resistansinya. Konduktivitas listrik meningkat jika resistansi bahan material menurun [41]. Dalam penelitian ini pengukuran konduktivitas listrik film menggunakan LCR meter model HIOKI Dari hasil pengukuran didapatkan nilai seperti dalam Tabel 4.4. Nilai konduktivitas listrik film meningkat jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar. Film pada waktu annealing 1 jam dan molaritas 0,5 M memiliki konduktivitas listrik paling kecil daripada film pada waktu annealing 8 jam dan molaritas 1 M, molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam serta molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam. Tabel 4.4 Nilai konduktivitas film LiNbO 3 berdasarkan perbedaan waktu annealing dan molaritas Molaritas (M) dan waktu annealing (jam) Konduktivitas listrik (x 10-3 S/m) 0,5 ; 1 1,49 1 ; ;15 2,27 2 ; 22 6,66 Semakin meningkatnya konduktivitas listrik disebabkan oleh ketebalan film yang semakin besar dan lamanya waktu annealing

22 12 yaitu film pada waktu annealing 22 jam memiliki konduktivitas paling besar serta berdasarkan perbedaan molaritas. Besarnya ukuran butir mempengaruhi konduktivitas listrik film, hal ini sesuai dengan persamaan 4.2 [44]. σ=l.e 2.N.(2π.m.k.T) -1/2 exp(-e/k.t) (4.2) Keterangan: σ adalah konduktivitas listrik (S/m), E adalah energi (J), L adalah ukuran panjang butir (m), N adalah konsentrasi pembawa muatan (m -3 ). Berdasarkan literatur suatu bahan material dikatakan bersifat semikonduktor jika nilai konduktivitas listriknya berkisar antara 10-8 S/cm sampai 10 3 S/cm [45]. Dari data nilai konduktivitas listrik film yang diperoleh dapat dikatakan bahwa film ini merupakan bahan material semikonduktor karena nilai konduktivitas listrik yang didapatkan berkisar dalam konduktivitas listrik semikonduktor seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 4.4. (a) (d) (b) (c) (e) Gambar 4.7 Sinyal keluaran padaa osiloskop ketika diberikan tegangan 1 volt a) Sinyal keluaran sebelum film dipasang. b) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 1 jam annealing dipasang c) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 8 jam annealing dipasang d) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 15 jam annealing dipasang e) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 22 jam annealing dipasang

23 13 (a) (d) (b) (c) (e) Gambar 4.8 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 3 volt a) Sinyal keluaran sebelum film dipasang. b) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 1 jam annealing dipasang c) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 8 jam annealing dipasang d) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 15 jam annealing dipasang e) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 22 jam annealing dipasang

24 14 (a) (d) (c) (b) (e) Gambar 4.9 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 5 volt a) Sinyal keluaran sebelum film dipasang. b) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 1 jam annealing dipasang c) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 8 jam annealing dipasang d) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 15 jam annealing dipasang e) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 22 jam annealing dipasang

25 15 Arus (A) 3.00E E E E E E E E E-03 Tegangan (V) Terang [0, 0, 0] Curren t_1 (1) Gelap Arus (A) 6.00E E E E E E E E E-03 Tegangan (V) Gelap [0, 0, 0] Curren t_1 (1) Terang [0, 0, 0] Curren t_1 (1) Gambar 4.10 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam Gambar 4.12 Hubungan arus dan tegangan ( I-V) terang dan gelap molaritas 1 M, pada waktu annealing 22 jam Arus (A) 5.00E E E E E E E E E E+01 Tegangan (V) [0, 0, 0] Current _1 (1) [0, 0, 0] Current _1 (1) Arus (A) 1.00E E E E E E E E-03 Tegangan (V) Gelap [0, 0, 0] Current _1(1) Terang [0, 0, 0] Current _1(1) Gambar 4.11 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 1 M, pada waktu annealing 15 jam Gambar 4.13 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 2 M, pada waktu annealing 22 jam 4.5 Hasil Karakterisasi XRD Gambar 4.14 pada halaman 16 menunjukkan pola difraksii sinar-x film yang dihasilkan. Puncak-puncak difraksi yang terbentuk mengindikasikan partikel film memiliki distribusi orientasi kristal. Dari puncak-puncak difraksii tersebut dapat ditentukan indeks miller (hh k l) dengan menganggap struktur kristal LiNbO 3 merupakan struktur rhombohedral. Difraksi tiap film terjadi pada bidang (2 0 0) hal ini disebabkan oleh banyaknya bidang pendifraksi pada bidang (2 0 0) yang memiliki parameter kisi yang sama dengan jarak yang berdekatan, sehingga gelombang- gelombang yang mengalami difraksi tidak terlalu berbeda fase dan cenderung konstruktif [37]. Pada Gambar 4.1 dapat dilihat intensitas difraksi terendah terjadi pada bidang (110) bahkan pada molaritas 2 M dan waktu annealing 15 jam tidak terdapat bidang (110), hal inii disebabkan oleh difraksi sinar X yang terjadi berupa interferensi destruktif sehingga gelombang yang dihamburkan akan saling menghilangkan. Hal lain yang bisa mengakibatkan bidang (110) tersebut hilang, yaitu pada bidang tersebut hanya terdapat sedikit bidang pendifraksi. Indeks miller yang diperoleh dapat digunakan untuk menentukan parameter kisi LiNbO 3 dalam struktur trigonal [36].[ Perbedaan dari empat substrat yang dibuat adalah pada tingginya intensitas difraksi. Secara keseluruhan intensitas difraksi tertinggi dimiliki oleh film LiNbO 3 pada molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam. Sedangkan intensitas difraksi yang paling rendah dimiliki oleh film LiNbO 3 pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam. Oleh sebab itu dapat dikatakan bahwa film LiNbO 3 pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam memiliki