Irzaman, A Maddu, H Syafutra, dan A Ismangil. Jalan Meranti Gedung Wing S no 3 Dramaga Bogor

Transkripsi

1 Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010 ISBN : UJI KONDUKTIVITAS LISTRIK DAN DIELEKTRIK FILM TIPIS LITHIUM TANTALATE ( LiTaO 3 ) YANG DIDADAH NIOBIUM PENTAOKSIDA (Nb 2 O 5 ) MENGGUNAKAN METODE CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION Irzaman, A Maddu, H Syafutra, dan A Ismangil 1 Departemen Fisika FMPA, Institut Pertanian Bogor Jalan Meranti Gedung Wing S no 3 Dramaga Bogor ngil_22@yahoo.com, irzaman@yahoo.com Abstrak Telah dilakukan penumbuhan film tipis LiTaO 3 (LT) murni dan LT yang didadah Niobium Pentaoksida Nb 2 O 5 (LNT) dengan variasi pendadah 2,5%, 5%, dan 7,5% diatas substrat Si (100) tipe-p dengan menggunakan metode chemical solution deposition (CSD) dengan teknik spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik. Film tipis LiTaO 3 dibuat dengan konsentrasi 1 M dan annealing pada suhu 850 o C untuk substrat Si. Film tipis diatas substrat silicon tipe-p dilakukan karakterisasi konduktansi dan karakterisasi konstanta dielektrik dengan menggunakan LCR meter. Hasil karakterisasi konduktivitas film tipis LT dan LNT berada pada rentang material semikonduktor. Dan dielektrik yang terdapat pada film tipis diatas substrat silicon tipe-p bervariasi sesuai dengan penambahan pendadahan yang digunakan yaitu 2,5%, 5%,7,5%. Kata Kunci : LNT, film tipis, CSD, spin coating, konduktivitas listrik. Abstract Thin film has been done LiTaO3 (LT) and LT of pure niobium didadah pentaoxide Nb2O5 (LNT) with pendadah variation of 2.5%, 5%, and 7.5% above the substrate Si (100) p-type chemical solution method deposition (CSD) by spin coating technique at speed 3000 rpm for 30 seconds. LiTaO3 thin films made with a concentration of 1 M and annealed at a temperature of 850oC for Si substrate. Thin films on p-type silicon substrate with the characterization conductance and dielectric constant characterization using LCR meter. The results of characterization of thin film conductivity LT and LNT were in the range of semiconductor materials. And contained in dielectric thin films on p-type silicon substrate varies in accordance with the addition pendadahan used is 2.5%, 5%, 7.5%. Keywords: LNT, thin films, CSD, spin coating, electrical conductivity. 1. Pendahuluan Ferroelektrik merupakan material elektronik khususnya dielektrik yang terpolarisasi spontan dan memiliki kemampuan untuk mengubah arah listrik internalnya. Polarisasi yang terjadi merupakan hasil dari penerapan medan yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu material ferroelektrik [1]. Penelitian terhadap material ferroelektrik banyak menarik perhatian para ahli fisika karena material ferroelektrik ini sangat menjanjikan terhadap perkembangan device generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Yaitu dapat digunakan 175

2 176 Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010 untuk FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) [2]. Penerapan material ferroelektrik berdasarkan sifat-sifatnya adalah sifat histeresis dan tetapan dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM), sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada sensor infra merah. Metode pembuatan lapisan tipis secara umum dikelompokkan menjadi dua yaitu metode vakum dan non-vakum. Untuk metode vakum terdiri dari PVD, Laser Ablasi, Ion Planting, dan CVD. Sedangkan untuk metode non vakum yaitu CSD (Chemical Solution Deposition). Keunggulan dari metode CSD (Chemical Solution Deposition) adalah dapat mengontrol stokiometri film dengan kualitas yang baik, prosedur yang mudah dan membutuhkan biaya yang relatif murah. Spin coater yang digunakan memakai kecepatan putar 3000 rpm dan waktu putar selama 30 detik [3]. Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan film tipis LiTaO 3 yang didadah dengan Niobium Penta Oksida (Nb 2 O 5 ) dengan metode CSD (chemical solution deposition) yang kemudian akan dilakukan karakterisasi yaitu, pengujian konduktivitas listrik dan dielektrik film tipis. 2. Tinjauan Pustaka 2.1 Konduktivitas Listrik Material alami maupun buatan yang terdapat di alam dapat diklasifisikan menjadi tiga yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor. Nilai dari konduktivitas listrik ketiga material tersebut berbeda seperti pada Gambar 2.1 yang menunjukkan spektrum konduktivitas listrik. Gambar 2.1. Spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas Material semikonduktor sendiri mempunyai nilai konduktivitas pada selang antara

3 Irzaman, dkk., Uji Konduktivitas Listrik dan Dielektrik Film Tipis Lithium ( )S/cm. Resistansi suatu material bergantung pada panjang, luas penampang lintang, tipe material dan temperatur. Pada material ohmik resistansinya tidak bergantung pada arus dan hubungan empiris ini disebut dengan hukum Ohm yang dinyatakan dengan persamaan (2.1): V = IR ; R = konstan (2.1) Untuk material nonohmik, arus tidak sebanding dengan tegangan. Resistansinya bergantung pada arus, didefinisikan dengan persamaan (2.2) : (2.2) Kurva hubungan arus dan tegangan pada material Ohmik adalah linear sedangkan material nonohmik kurva hubungannya tidak linear. Resistansi suatu kawat penghantar sebanding dengan panjang kawat dan berbanding terbalik dengan luas penampang lintang seperti dilihat pada persamaan (2.3) : (2.3) Dimana ρ disebut resistivitas material penghantar. Satuan resistivitas adalah ohm meter (Ωm). Kebalikan dari resistivitas disebut konduktivitas. Adapun nilai konduktivitas suatu material bergantung dari sifat material tersebut.. Konduktivitas listrik adalah kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. Persamaan (2.4)dan (2.5) berikut merupakan rumus konduktivitas listrik: (2.4) (2.5) 2.2 Metode Volumetrik Metode ini dapat dipakai dengan tepat jika film tipis yang ditumbuhkan diatas substrat terdeposisi secara merata. Metode ini dilakukan dengan cara menimbang massa substrat sebelum dilapisi film tipis dan menimbang substrat setelah diannealing dan terdapat film tipis di atasnya, sehingga akan didapatkan massa film tipis yang terdeposisi pada permukaan substrat. Ketebalan film tipis dari metode ini menggunakan rumus (2.6) : (2.6)

4 178 Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010 keterangan : = Massa substrat sebelum ditumbuhkan film tipis = Massa substrat setelah diannealing dan terdapat film tipis diatasnya A = Luas permukaan film tipis yang terdeposisi pada permukaan substrat = Massa jenis film tipis yang terdeposisi 2.3 Kapasitor dan Konstanta Dielektrik Kapasitor adalah piranti yang berfungsi untuk menyimpan muatan dan energi listrik. Kapasitor terdiri dari dua konduktor yang berdekatan tetapi terisolasi satu dengan lainnya dan membawa muatan yang sama besar namun berlawanan. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari dua buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik seperti terlihat pada Gambar 2.3. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara, vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutup positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini "tersimpan" selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan [4]. Kemampuan material untuk polarisasi dinyatakan sebagai permisivitas (ε), dan permitivitas relative (κ) adalah rasio antara permitivitas material (ε) dengan permitivitas vakum (ε 0 ). Nilai konstanta dielektrik merupakan gambaran dimana material tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan [5]. Gambar 2.2 Rangkaian penentu konstanta dielektrik film tipis [11] Contoh perhitungan konstanta dielektrik dapat dilakukan dengan persamaan (2.7) sebagai berikut :

5 Irzaman, dkk., Uji Konduktivitas Listrik dan Dielektrik Film Tipis Lithium (2.7) Nilai maksimum dterlihat pada persamaan (2.8) dan (2.9) yaitu terjadi pada saat :, (2.8) (2.9) Sehingga didapat hubungan melalui persamaan (2.10) dan (2.11) yaitu: t = RC atau (2.10) Gambar 2.3. Kapasitor Keping Sejajar [12] Dari hubungan (2.11) keterangan : ε o = permitivitas relative dalam ruang hampa = 8.85 x C 2 /N m 2 A = luas kontak aluminium d = ketebalan film tipis sehingga didapatkan konstanta dielektrik film tipis seperti pada persamaan (2.12) : (2.12)

6 180 Prosiding Seminar Nasional Fisika Bahan Dan Metode Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Lithium Asetat [(LiO 2 CH 3 ), 99,9%],Tantalum [(Ta 2 O 5 ),99,9%],Ferium Oksida [(Fe 2 O 3 )], pelarut 2-metoksietanol, substrat Si (100) tipe-p, aquades, HF (asam florida), kaca preparat dan alumunium foil. 3.1 Karakterisasi Konstanta Dielektrik Pada karakterisasi ini, rangkaian yang digunakan adalah rangkaian pada Gambar 2.2. Dari rangkaian pengukuran ini ditentukan nilai kapasitansi film sedangkan untuk penentuan besar konstanta dielektriknya dapat menggunakan persamaan (2.12). 3.2 Karakterisasi Konduktivitas Listrik Konduktivitas film listrik diukur dengan menggunakan LCR meter. Dari alat tersebut didapatkan nilai konduktansi (G). Nilai resistansi didapatkan dari persamaan R=1/G sedangkan nilai konduktivitas dapat dicari dari persamaan (2.5). Konduktivitas film tipis diukur dengan berbagai variasi yaitu pada kondisi gelap (0 watt), kondisi terang dengan intensitas cahaya (25 watt, 50 watt, 75 watt, 100 watt).. Data konduktivitas ini digunakan untuk menghitung nilai konduktivitas listrik film tipis dengan menggunakan persamaan (2.5). Data konduktivitas listrik film tipis yang didapat akan dibandingkan dengan data literatur apakah film tipis yang terbentuk termasuk bahan konduktor, semikonduktor atau bahan isolator. 4. Hasil Dan Pembahasan 4.2 Karakterisasi konduktivitas listrik Secara umum nilai konduktivitas ordenya ialah 10-5 S/cm yang berarti dapat dikatakan bahwa film tipis yang kita buat merupakan suatu material semikonduktor. Dari tabel diketahui bahwa nilai konduktivitas listrik meningkat seiring dengan kenaikan intensitas cahaya. Peningkatan konduktivitas ini dikarenakan tereksitasinya elektron pada pita valensi ke pita konduksi [6]. Elektron pada pita konduksi bebas bergerak dibawah pengaruh medan listrik sehingga semakin banyak elektron tereksitasi ke pita konduksi akibat disinari cahaya yang menyebabkan arus akan meningkat dengan demikian konduktivitas listriknya juga meningkat.

7 Irzaman, dkk., Uji Konduktivitas Listrik dan Dielektrik Film Tipis Lithium Pengukuran nilai konduktivitas listrik film tipis dilakukan dalam 5 kondisi yang berbeda yaitu gelap (0 watt), dengan lampu 25 watt, 50 watt, 75 watt dan 100 watt. Adapun hasil perhitungannya dapat dilihat pada Tabel 4.1. Tabel. 4.1 Konduktivitas listrik Film Tipis LT Konduktivitas listrik (ns/cm) 0 Watt 25Watt 50Watt 75Watt 100Watt 0% ,5% % ,5% Gambar 4.1 Hubungan konduktivitas listrik setiap film tipis terhadap variasi intensitas cahaya. 4.2 Karakterisasi konstanta dielektrik Perhitungan konstanta dielektrik dari film tipis LT dan LNT menggunakan rangkaian pada Gambar 2.2. Hasil keluaran osiloskop dari Gambar 2.2. akan menentukan nilai konstanta dielektrik yang didapat. Nilai konstanta dielektrik merupakan gambaran dimana material tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan. Dari gambar hasil keluaran pada osiloskop dapat dilihat bahwa kelengkungan pada sinyal kotak menunjukkan adanya penyimpanan muatan pada material tersebut (lihat hasil tampilan osiloskop pada Gambar 4.2 sampai Gambar 4.5).

8 182 Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010 Dari Tabel 4.2 dibawah terlihat bahwa konstanta dielektrik akan menurun seiring penambahan doping niobium. Ini disebabkan doping niobium akan mengurang konsentrasi pembawa muatan positif yang menyebabkan medan listrik dalam daerah deplesi bertambah. Gambar 4.2 Film tipis 0% Gamnbar 4.3 Film tipis 2.5% Gambar 4.4 Film tipis 5% Gambar 4.5 Film tipis 7.5% Tabel.4.2. Konstanta dielektrik Film Tipis Konstanta Dielektrik LT murni LNT 2.5% LNT 5% LNT 7.5%

9 Irzaman, dkk., Uji Konduktivitas Listrik dan Dielektrik Film Tipis Lithium Kesimpulan Dari hasil yang didapatkan berdasarkan eksperimen yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa Doping niobium yang diberikan akan menurunkan tegangan knee untuk setiap film tipis Konstanta dielektrik akan menurun seiring dengan banyaknya pendadah yang diberikan. Sedangkan nilai konduktivitasnya semakin naik seiring dengan banyaknya pendadah niobium. Ucapan Terima Kasih Penelitian ini didanai Program Penelitian Ilmu Pengetahuan Terapan/Penelitian Strategis Nasional 2010, DIPA IPB, Republik Indonesia dengan nomor kontrak 2/I3.24.4/SPK/PSN/2010. Daftar Pustaka 1. Sayer, M. & Chivukulas, V Hand Book of Thin Film Process Technology. IOP Publishing Ltd. 2. Hertanto A.S Efek Fotovoltaik dan Piroelektrik Ba 0.5 Sr 0.5 tio 3 yang Didadah Niobium (BST) Megguakan Metode Chemical Solution Depositio [Skripsi]. Departemen Fisika Fakultas MIPA.IPB; Bogor 3. Uchino K Ferroelectric Devices. Marcel Dekker, Inc. USA. 4. Hamamatsu Silicon Photodiode Technical. 5. Piprek, Joachim Semiconductor Optoelectronic Devices. Academic Press. USA. 6. Omar, M.A Elementary Solid State Physics. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. 7. Seo J.Y, Park S.W Chemical Mechanical Planarization Characteristic of Ferroelectric Film for FRAM Applications. Journal of Korean Physics society. Vol 45 (3) Irzaman, H Frimasto, M Kurniati Sifat Optik Film Tipis Bahan Ferroelektrik BaTIO3 yang Didadah Tantalum (BTT). Prosiding Seminar Nasional Keramik V, ISSN : Sze, S.M Physics of Semiconductor Devices 2 nd edn. John Wiley and Sons. Singapore.