BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Transkripsi

1 Tempat dan Waktu Penelitian BAB III METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Material Departemen Fisika IPB dari bulan September 2008 sampai dengan bulan Juni Bahan dan Alat Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, reaktor spin coating, mortal, pipet, gelas ukur Iwaki 10 ml, hot plate, pinset, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petritis, tissue, isolasi, doubletip dan blower PT310AC, Bransonic 2510, Light Meter Lutron LX-100, Lampu bohlam 60 Watt. Komponen-komponen yang digunakan dalam rangkaian elektronik sensor cahaya (Trimpot 100 KΩ, 200 KΩ, Resistor 220 Ω, 10 KΩ, 100 KΩ, 1 MΩ, IC Op Amp LM741 dan LM358, Kapasitor 1000µF/16V, 220µF/25V, 100nJ, Relay 5V, Dioda 1N4007, IC VReg LM7805, Transistor C9013, Transformator 500 ma, Saklar, PCB IC, Pin Header, Buzzer, Lampu Neon, kawat atau kabel). 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 Pentoksida [(Ta 2 O 5 )], Niobium Oksida [(Nb 2 O 5 )], pelarut 2-metoksietanol [H 3 COCH 2 CH 2 OH, 99%], substrat Si (100) tipe-p, aquabides, HF (asam florida), kaca preparat dan alumunium foil. 3.3 Prosedur Penelitian Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Spin coating telah digunakan pada beberapa dekade untuk pembuatan film tipis. Prosesnya dengan mendeposisikan larutan di tengah-tengah substrat dan kemudian substrat diputar dengan kecepatan tinggi (biasanya 3000 rpm) selama 30 detik. 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 sebagainya) dan parameter yang dipilih pada proses spin coating. Faktor seperti kecepatan rotasi, percepatan dan keadaan gas lingkungan berkontribusi

2 18 terhadap sifat lapisan film. Salah satu faktor terpenting dalam spin coating adalah kemampuan pengulangannya. Ciri khas proses spin coating terdiri dari menyiapkan larutan dan pendeposisian di permukaan substrat, pemutaran spin coating, penghilangan pelarut dari film yang dihasilkan. Kecepatan spin coating mempengaruhi derajat gaya sentrifugal yang diberikan pada fluid resin dan karakteristik turbulen udara di atasnya. Secara khusus kecepatan spin akan berpengaruh pada ketebalan film. 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. Katebalan film tipis akan berbanding terbalik dengan kecepatan dan waktu spin. Ketebalan film akan sebanding dengan volume gas buang hasil putaran dan akan berbanding terbalik dengan keseragaman ketebalan film tipis ( Gambar 13 Hubungan ketebalan film tipis terhadap (a) kecepatan spin coating (b) lama spin coating (c) Exhause volume. (d) hubungan exhause volume terhadap keseragaman ketebalan film tipis.

3 Aplikasi OP-AMP : Current-to-Voltage Converter Ada beberapa device yang keluarannya berupa arus. Sehingga untuk mendapatkan informasi beberapa karakteristik listrik dari device tersebut dapat digunakan rangkaian aplikasi OP-AMP. Salah satu aplikasinya adalah rangkaian Curren-to-Voltage Converter. Contohnya device yang keluarannya arus adalah photodiode atau photodetector Pembuatan Film Tipis Persiapan Substrat Si Tipe-p Substrat yang digunakan adalah substrat Si (100) tipe-p. Substrat dipotong membentuk segiempat dengan menggunakan mata intan. Substrat yang telah dipotong kemudian dicuci dengan menggunakan asam flurida (HF) 5% dicampur dengan aquades sebanyak 2%. Pencucian dilakukan dengan mencelupkan substrat ke dalam larutan, indikator bersih jika air yang ada pada permukaan substrat langsung hilang (gaya kohesi antara air dan substrat kecil). Setelah terlihat indikator tersebut substrat langsung ditempatkan di atas spin coating untuk membuang air yang tersisa Pembuatan Larutan BST, BNST dan BTST Film tipis BaSrTiO 3 yang ditumbuhkan di atas substrat dengan 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 O 4 H 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 0,25 sedangkan fraksi molar untuk Sr sebesar 0,5 dan 0,75. Untuk pembuatan larutan BSTT, metode CSD yang digunakan sama seperti pada pembuatan larutan BST. Hanya saja pada BTST ditambahkan bubuk Tantalum Pentoksida (Ta 2 O 5 ) sebanyak 2.5% dan 5% dari BST yang terbentuk. Hal yang sama untuk larutan BNST yaitu dengan pendadah Niobium. Untuk mendapatkan komposisi yang sesuai dengan yang diharapkan, bahan-bahan tersebut sebelumnya diperhalus dengan spatula dan ditimbang dengan menggunakan neraca analitik sebelum dilakukan pencampuran. Setelah bahan-bahan dicampur, larutan dikocok selama 1 jam dengan menggunakan Bransonic Setelah itu larutan disaring untuk mendapatkan larutan yang bersifat homogen.

4 Proses Penumbuhan Film Tipis Substrat silikon (100) tipe-p yang telah dicuci dengan larutan asam flurida (HF) 5% dicampur dengan aquades sebanyak 2% siap dilakukan penumbuhan film tipis dengan menggunakan reaktor spin coating. Piringan reaktor spin coating di tempel dengan doubletip di tengahnya, kemudian substrat diletakkan di atasnya. Penempelan doubletip ini, agar substrat tidak terlepas saat piringan reaktor spin coating berputar. Substrat yang telah ditempatkan di atas piringan spin coating ditetesi larutan BST, BNST atau BTST sebanyak 1 sampai 2 tetes. Kemudian reaktor spin coating diputar 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 tersisa. Proses selanjutnya adalah annealing yang bertujuan mendifusikan larutan BST, BNST atau BTST dengan substrat. Proses penumbuhan film tipis dapat diihat pada gambar Proses annealing Proses annealing pada suhu yang berbeda akan menghasilkan karakterisasi film tipis yang berbeda dalam hal struktur kristal, ketebalan dan ukuran butir. Substrat (100) tipe-p yang telah ditumbuhi lapisan tipis BST, BNST atau BTST (2,5% dan 5% ), kemudian dilakukan proses annealing pada suhu C, C, dan C untuk substrat Si (100) tipe-p. Masing-masing dilakukan selama 15 jam. Proses annealing dilakukan secara bertahap, dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu annealing yang diinginkan dengan kenaikan suhu pemanasan 1,7 0 C/menit. Setelah kenaikan suhu selama 9 jam kemudian pemanas disesuaikan dengan suhu annealing secara konstan selama 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace cooling secara manual sampai didapatkan kembali suhu ruang. Proses annealing dapat ditunjukkan seperti terlihat pada Gambar 15.

5 21 Gambar 14 Proses Penumbuhan film tipis. Gambar 15 Proses annealing. BST/BNST/BTST Si (100) tipe-p Gambar 16 Prototipe sel Fotovoltaik tampak atas.

6 Pembuatan Kontak Pada Film Tipis Setelah dilakukan proses annealing, proses selanjutnya adalah persiapan pembuatan kontak yang meliputi proses penganyaman film tipis dengan ukuran 1 mm x 1mm menggunakan aluminium foil, metalisasi yang dilakukan di Fisika Material Institut Teknologi Bandung (ITB). Bahan kontak yang dipilih adalah Aluminium 99,999%. Setelah kontak terbentuk maka proses selanjutnya adalah pemasangan hider dan penyolderan kawat tembaga pada kontak, agar proses karakterisasi film tipis dapat dilakukan dengan mudah. Gambar dari film tipis yang telah diberi kontak dan hider ditunjukkan oleh Gambar Karakterisasi Karakterisasi Kurva Arus-Tegangan (I-V) Karakterisasi kurva I-V ini akan dilakukan di Lab. Fisika Material IPB menggunakan I-V-Meter. Dari kurva yang didapatkan akan diketahui film tipis yang ditumbuhkan apakah bersifat sebagai dioda, resistansi atau kapasitansi. Hasil pengukuran berupa kurva hubungan antara arus dan tegangan. Arus berada pada sumbu vertikal dan tegangan yang pada sumbu horizontal merupakan variable bebas. Perlakukan yang diberikan adalah tegangan input sampai 8 Volt dengan skala 0,2 Volt. Data keluaran dari alat tersebut adalah nilai arus dan tegangan. Dari data tersebut dibuat hubungan antara tegangan dan arus menggunakan Microsoft Excel. Karakterisasi I-V dilakukan pada dua kondisi yaitu pada kondisi gelap dan kondisi terang yang disinari lampu 40 Watt (578 Lux) untuk semua film tipis dan semua kombinasi kontak pada film yang sama. Kombinasi kontak dalam satu film yang sama adalah perubahan kombinasi dari kontak di substrat dan di lapisan. Terdapat dua kontak di substrat dan dua kontak di lapisan film, sehingga terdapat empat kombinasi kontak yang dapat dikarakterisasi Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis Karakterisasi sifat optik dari film tipis dilakukan di Lab. Fisika IPB menggunakan serat optik sebagai sumber cahaya tampak yang memiliki panjang gelombang dari 339 nm sampai 1022 nm dengan menggunakan metode refleksi. Kemudian perangkat alat ini dihubungkan dengan suatu software dengan program oceanoptic, sehingga diperoleh kurva persen absopsi terhadap panjang gelombang

7 23 dan reflektansi terhadap panjang gelombang. Dari kurva yang diperoleh dapat dianalisis sifat optik dari film tipis. 3.5 Pembuatan Rangkaian Elektronika Rangkaian elektronika yang akan digunakan pada penelitian ini adalah rangkaian elektronik saklar otomatis menggunakan sensor fotodioda. Sensor fotodioda yang digunakan pada rangkaian adalah sensor cahaya BST atau BNST atau BTST yang memiliki respon terhadap cahaya paling baik. Sebagai sensor cahaya, sensor BST (Barium Strontium Titanium) nilai tegangannya akan berubah drastis jika disinari. Dengan menggunakan multimeter dapat diukur range perubahan tegangan dengan perlakuaan intensitas cahaya tertentu pada sensor cahaya BST atau BNST atau BTST. Sensor cahaya BST atau BNST atau BTST yang memiliki range perubahan tegangan yang paling besar adalah sensor cahaya yang memiliki respon paling baik dan dapat diaplikasikan pada rangkaian elektronik saklar otomatis fotodioda. Gambar 17 memperlihatkan metodelogi karakterisasi sensor cahaya BST atau BNST atau BTST. Gambar 17 Metodelogi Karakterisasi Sensor. Sensor Cahaya Penguat Op-Amp Saklar Otomatis Fotodioda Lampu dan Alarm Gambar 18 Blok Diagram Rangkaian Saklar Otomatis Fotodioda.

8 24 Dalam rangkaian elektronik ini, sensor cahaya BST berfungsi sebagai saklar otomatis yang akan menyalakan lampu dan alarm ketika intensitas cahaya yang mengenainya berkurang sampai pada nilai tertentu dan mati pada keadaan terang dengan intensitas cahaya tertentu pula. Rangkaian elektronika saklar otomatis ini dapat diaplikasikan sebagai saklar otomatis pada lampu jalan, taman, rumah bahkan sensor deteksi kebakaran.