BAB I PENDAHULUAN. Istilah spintronik (spintronics) berasal dari kata spin-based electronics, yakni

Transkripsi

1 1 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Spintronik merupakan bidang baru dalam teknologi modern dewasa ini. Istilah spintronik (spintronics) berasal dari kata spin-based electronics, yakni elektronika yang memanfaatkan sifat spin elektron dan sifat muatannya. Devais spintronik bekerja dengan cara memanfaatkan spin elektron untuk mengendalikan pergerakan pembawa muatan. Banyak penelitian mengenai semikonduktor yang difokuskan untuk membuat devais spintronik, yakni suatu devais yang mampu mengkombinasikan media penyimpanan magnetik dengan pengendali spin sehingga lebih efisien untuk aplikasi spin-ram dan spin-injection (Chen et al., 2010). Untuk mencapai hal tersebut, semikonduktor diharapkan menunjukkan sifat feromagnetik (FM) yang stabil pada temperatur ruang. Devais spintronik memiliki banyak keunggulan, diantaranya adalah laju pemrosesan data yang lebih tinggi, ukuran devais yang lebih kecil dan padat isi (compact), dan konsumsi energi yang lebih kecil. Keunggulan-keunggulan devais spintronik tersebut tersebut telah mendorong banyak peneliti (Awschalom et al.,2002 & Pearton et al.,2003). Bahan baru yang sangat menjanjikan untuk merealisasikan devais spintronik adalah Dilute Magnetic Semiconductor (DMS) atau semikonduktor ferromagnetik (Ohno,1998). DMS merupakan bahan semikonduktor yang memiliki sifat ferromagnetik. Kebanyakan semikonduktor merupakan bahan yang non-magnetik (Zunger et al.,2010). DMS memiliki temperatur curie yang rendah, yang membatasi kegunaannya pada aplikasinya (Jeong et al.,2004). Senyawa

2 2 semikonduktor dari golongan III-V dan golongan II-VI memiliki banyak sifat-sifat yang diinginkan untuk aplikasi optoelektronik, photovoltaics, spintronik dll. Diantara senyawa semikonduktor ini, GaN dan ZnO telah mendapat perhatian dari banyak peneliti karena memiliki band gap yang hampir sama (3,5 ev). Baru-baru ini ZnO cukup banyak menarik perhatian dari pada GaN dan merupakan bahan yang menjanjikan untuk ultraviolet (UV), LED dan laser dioda, karena memiliki band gap (3.37 ev). ZnO telah diprediksi dapat mempertahankan sifat feromagnetik pada suhu kamar dengan cara mendoping material semikonduktor nonmagnetik dengan sejumlah kecil ion magnetik transision metal (TM).doping dari berbagai logam transisi (minsalnya Cr, Co, Ni, dan Fe) pada ZnO yang banyak digunakan DMS sebagai elemen magnet. ZnO:TM Sangat menarik tidak hanya dari sisi ferromagnetik suhu kamar, tetapi juga sifat transportasinya ( Morkoc & Zgu r, 2007.Zinc Oxide book). Karena energy gap yang tinggi, semikonduktor ZnO sangat efesien dalam mengabsorbsi sinar ultraviolet dan mengemisi cahaya biru (Lojkowski et al., 2002). Karena karakteristik tersebut semikonduktor ZnO memiliki potensi ada banyak aplikasi (Pivin et al., 2008). Beberapa metode telah digunakan untuk pabrikasi ZnO doping logam transisi Fe dan Cr seperti; sol gel (Zhang et al., 2013; Chand et al., 2014), kopresipitasi (Sharma et al., 2009), solid state reaction (Meyer et al., 2015; Elilarassi et al., 2012), sputtering (Chang et al., 2010) dan hydrotermal (Chand et al., 2015). Elilarassi & Chandra Sekaran (2012), telah melakukan penelitian dengan menggunakan metode ball milling dengan waktu milling yang berbeda dengan komposisi 1% atom yang menghasilkan struktur hexagonal wurzite, band gap optik menurun dengan meningkatnya waktu milling dan memiliki sifat

3 3 ferromagnetik pada suhu kamar untuk Fe doping ZnO.Selain itu, Fe dan Co doping ZnO dengan variasi waktu milling 1, 4 dan 16 jam, dan variasi komposisi 5,10 dan 30% atom, dimana Fe dan Co dapat mengganti Zn dalam struktur ZnO, yang menunjukkan terdapat dua sifat magnetik yang hadir, yaitu ferromagnetik dan paramagnetik pada suhu tinggi dengan metode Mechanical Milling (Meyer & Damonte, 2015). Telah berhasil dilakukan Fe doping ZnO dengan metode ball milling dengan komposisi Fe yang berbeda (x = 1, 2, 3, 5 dan 10% atom), suhu sinter C selama 16 jam, hasil sampel yang berbentuk bulk dimana dengan meningkatnya persen doping maka kualitas kristal memburuk dan hadirnya fasa sekunder, menunjukkan sifat ferromagnetik dengan kontribusi paramagnetik sedikit dengan bertambahnya komposisi dopan Fe (Karamat et al.,2014). Hasil penelitian ZnO doping Fe yang dilakukan oleh Xiojuan Wu (2014) dengan menggunakan metode hydrotermal dengan kosentrasi 1, 5, 10 dan 20% atom, dari hasil menununjukkan tidak terdapat fasa sekunder untuk ZnO doping Fe dan memiliki struktur hexagonal wurtzite, dimana ion Fe telah tersubstitusi ke dalam kisi Zn. Sifat magnet menunjukkan bahwa sample menunjukkan sifat paramagnetik pada suhu kamar sementara ZnO doping dengan kosentrasi tinggi (x = 10 dan 20% atom) sample menunjukkan sifat feromagnetik. (Chang et al.,2010) juga melaporkan sintesis ZnO doping Cr dengan menggunakan magnetron sputtering dengan kosentrasi 2, 3, 5, 6, 7% atom, dimana Cr doping ZnO films memiliki kualitas kristal yang baik dengan kosentrasi doping Cr adalah 2% atom. Cr, Fe doping ZnO dengan menggunakan metode hydrothermal dengan kosentrasi 3% atom dan disintering pada suhu C menghasilkan struktur hexagonal wurtzite. ukuran kristal rata-rata berkisar antara nm, hasil penelitian ini

4 4 menunjukkan bahwa suhu sintering memainkan peran penting dalam menyesuaikan celah pita optik dari struktur Zn 0.94 Cr 0.03 Fe 0.03 O (Chand et al., 2015). Richa Bhargava (2010) melaporkan ZnO yang didoping dengan Cr dengan menggunakan metode sol-gel dengan kosentrasi 5, 10, 15, dan 20% atom, ZnO doping Cr memiliki struktur hexagonal wurtzite, namun untuk semua kosentrasi menunjukkan munculnya fasa sekunder, dengan bertambahnya doping Cr. Antara semua dopan TM, kromium (Cr) dan besi (Fe), memiliki stabilitas kimia yang unik (Chand et al.,2014). Batas kelarutan Cr doping ZnO berdasarkan hasil penyelidikan berada pada 3% secara teoritis lebih stabil (Palvunder et al.,2014). Pada penelitian ini metode yang akan digunakan yaitu metode solid state reaction menggunakan high speedshaker mill untuk menghasilkan serbuk yang berukuran nanopartikel, selain murah dan penggunaannya yang mudah, preparasinya sederhana dan hasilnya bisa diaplikasikan pada metode yang lain (Owens, 2009). Pada studi ini dilakukan pabrikasi ZnO:Fe dan ZnO:Cr dengan menggunakan solid state reaction. Alasan Cr dan Fe dipilih sebagai dopan adalah untuk membandingkan material ZnO yang didoping TM dan untuk melihat material mana yang berpeluang untuk menjadi bahan DMS diantara semua dopan TM yang paling bersifat feromagnetik adalah logam Fe sementara Cr bersifat antiferomagnetik yang dapat menghasilkan FM tiruan, satu-satunya oksida ferromagnetik Cr, CrO dengan temperatur curie 386 K (Weng et al.,2012), atom Fe adalah dopan khusus karena menyajikan dua oksidasi yang berbeda yang memungkinkan untuk

5 5 bervariasi dengan bahan material : Fe 2 O 3, α - Fe atau FeO (Meyer & Damonte, 2015). Dari latar belakang tersebut maka dipilih Fe dan Cr sebagai dopant pada ZnO dengan komposisi (0; 2,5; 3,5 dan 4,5% atom). Dari kedua sifat yang berbeda ini, saya ingin melihat efek masing-masing doping TM yang selanjutnya akan diamati mikrostruktur, sifat magnet dan listrik dari ZnO yang telah di doping Perumusan Masalah Bedasarkan latar belakang diatas, maka perumusan masalah adalah 1. Bagaimana pengaruh intermetalik Fe dan Cr terhadap ZnO pada mikrostruktur, sifat magnet dan listrik yang dipreparasi dengan menggunakan metode solid state reaction? 2. Bagaimana pengaruh variasi komposisi terhadap ZnO yang didoping dengan Fe dan Cr? 1.3. Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah : 1. Bahan yang digunakan adalah serbuk zinc oxide (ZnO) sebagai material dasar, besi (Fe) dan tembaga (Cr) sebagai bahan doping dengan komposisi yang sama yaitu : 0; 2,5; 3,5 dan 4,5 % atom dengan metode Solid State Reaction. 2. Disintering pada suhu C selama 4 jam. 3. Karakterisasi yang dilakukan terhadap Zinc Oxide yang didoping dengan Fe dan Cr menggunakan Difraksi sinar-x (XRD), VSM, I-V dan C-V meter.

6 Tujuan penelitian Tujuan penelitian ini adalah : 1. Pengamatan tentang mikrostruktur, sifat magnet dan listrik dari ZnO yang didoping dengan Fe dan ZnO doping Cr yang dipreparasi dengan menggunakan metode solid state reaction. 2. Pengamatan tentang pengaruh variasi komposisi terhadap ZnO yang didoping dengan Fe dan Cr Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini adalah agar dapat menjadi informasi untuk penelitian selanjutnya tentang ZnO sebagai bahan DMS (Dilute Magnetic Semiconductor) yang didoping dengan intermetalik Fe dan Cr, yang dapat dikembangkan untuk aplikasi spintronik.