Kata Kunci : film tipis, niobium penta oksida, uji arus-tegangan, intensitas cahaya

Transkripsi

1 Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010 ISBN : Abstrak UJI ARUS-TEGANGAN FILM TIPIS Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 DENGAN PENDADAH NIOBIUM PENTA OKSIDA SEBAGAI SENSOR CAHAYA A Arief, Irzaman, M Dahrul, dan H Syafutra Departemen Fisika FMIPA, Institut Pertanian Bogor Jl. Meranti Gedung Wing S no 3 Dramaga Bogor dahrul_physics42@yahoo.com, irzaman@yahoo.com Telah dilakukan sintesis film tipis Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 murni dan didadah niobium penta oksida (Nb 2 O 5 ) sebanyak 5% dengan konsentrasi 1 M diatas substrat Si (100) tipe-p. Pelapisan film tipis menggunakan metode chemical solution deposition (CSD) dengan teknik spin coating. Substrat Si (100) tipe-p yang telah ditumbuhi film tipis kemudian dilakukan proses annealing pada suhu C. Film tipis dikarakterisasi sifat cahayanya (intensitas cahaya) dengan uji arus-tegangan menggunakan alat I-V meter. Karakterisasi intensitas cahaya dilakukan pada dua kondisi yaitu, pada kondisi gelap dan kondisi terang dengan disinari lampu 100 watt serta pada berbagai variasi kontak. Dari kurva arus-tegangan, akan terlihat adanya pergeseran antara kurva yang diperoleh pada kondisi disinari cahaya lampu dan pada kondisi gelap dimana pergeseran pada film tipis BST lebih besar daripada film tipis BST dengan pendadah niobium penta oksida. Hal ini menunjukkan seberapa besar sensivitas film tipis. Dari hasil karakterisasi arus-tegangan, film tipis BST merupakan sensor cahaya yang ideal. Kata Kunci : film tipis, niobium penta oksida, uji arus-tegangan, intensitas cahaya Abstract Pure Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 thin film and doped 5% niobium pentoxide with concentration 1 M was synthesized on p-type Si (100) substrate. Thin film layering occurred using chemical solution deposition (CSD) methods with spin coating technique. p-type Si (100) substrate growth with thin film was heated at C. Then, the thin film formed was characterized with current-voltage characterization (I-V meter) to identify its sensitivity to light intensity. The sensitivity to light intensity was characterized in two conditions, dark and with lighted lamp 100 watt to all variation contact. Current-voltage curves showed the electrical property difference between dark and light condition. Thin film pure BST resulted a better sensitivity to light than doped by niobium pentoxide. Current-Voltage characterization gave pure BST thin film was good light sensor. Keywords : thin film, niobium pentoxide, current-voltage characterization, light intensity. PENDAHULUAN Ferroelektrik merupakan material elektronik khusunya dielektrik yang terpolarisasi spontan dan memiliki kemampuan untuk mengubah arah listrik internalnya. Polarisasi 205

2 206 Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010 yang terjadi merupakan hasil dari penerapan medan yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu material ferroelektrik[1]. penelitian terhadap material ferroelektrik sangat menjanjikan terhadap perkembangan device generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. 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 piezo-elektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelectric Random Acsess Memory (NVFRAM), sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada sensor infra merah dan sifat elektro-optik dapat diterapkan pada switch termal infra merah. Penggunaan film tipis ferrolektrik sebagai memori keuntungannya bila dibandingkan dengan sistem magnetik. Sistem magnetik hanya mampu menyimpan 105 bit/cm2, sedangkan memori yang terbuat dari ferroelektrik mampu menyimpan hingga 108 bit/cm2. Keuntungan lain adalah sebagai memori permanent yang mampu menekan kehilangan informasi selama proses berulang [2]. Dalam makalah Ini disampaikan hasil penelitian tentang pembuatan film tipis Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BST) dengan pendadah Niobium Pentoksida (Nb ) dan Besi Oksida (Fe ) masing-masing 5% melalui metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan dipanaskan pada suhu C. Film tipis yang didapatkan dikarakterisasi arus tegangan untuk mendapatkan film tipis yang paling baik sebagai sensor cahaya. TINJAUAN PUSTAKA Barium stronsium titanat (BST) merupakan semikonduktor thin film yang memiliki konstanta dielektrik tinggi, kebocoran arus rendah, dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperatur Curie. Temperatur Curie pada barium titanat adalah 130 o C dan dengan adanya doping stronsium temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada devais yang memerlukan temperatur kamar. Daerah serapan dari film tipis BST (absorbansi) pada rentang ultraviolet, visible, sampai pada infrared. Hal tersebut menjelaskan film tipis ndapat dipakai sebai sensor suhu dan cahaya[2]. Film tipis BST telah difabrikasi dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation, dan sol-gel process[3]. Pendadah adalah bahan yang digunakan untuk menambah jumlah elektron atau hole pada semikonduktor. Penambahan bahan pendadah dapat menyebabkan perubahan

3 A. Arief, dkk., Uji Arus Tegangan Film Tipis Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 dengan Pendadah parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektro-optik, dan sifat pyroelektrik dari keramik film tipis[2]. Penambahan Niobium akan menambah sifat elektro-optik sehingga lebih sensitive terhadap respon cahaya[2]. Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenai cahaya. Fotodioda dapat dianggap sebagai baterai solar, tetapi biasanya mengacu pada sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh dioda foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-x. Devices fotokonduktivitas dibuat dengan tujuan menghasilkan perubahan resistansi atau tegangan ketika disinari cahaya. Dengan demikian devices banyak digunakan sebagai ON-OFF devices (saklar), measuring devices, atau limited power sources. Fenomena fotokonduktivitas terjadi ketika sinar cahaya jatuh pada sebuah semikonduktor dan menyebabkan meningkatnya konduktivitas listrik. Pengukuran arus-tegangan merupakan hal sangat penting untuk penentuan sifat fotodioda[4]. BAHAN DAN METODE 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 ), %], Niobium Pentoksida [(Nb 2 O 5 )], etilen glikol, asam asetat, substrat Si (100) tipe-p, aquades, HF (asam florida), kaca preparat dan alumunium foil, dan furnace. Doping Niobium Pentoksida (Nb 2 O 5 ) ditambahkan sebanyak 5% dari BST yang terbentuk serta Fraksi molar yang digunakan untuk Ba sebesar 0,5 dan Sr sebesar 0,5. Metode penumbuhan film tipis pada penelitian ini menggunakan menggunakan metode Chemical solution deposition (CSD) dengan pelapisan 3 kali. Film tipis selanjutnya dipanaskan pada suhu C kemudian dilakukan metalisasi dan dipasangi kontak. Karakterisasi dilakukan dengan mengamati kurva I-V menggunakan alat I-V-Meter. Hasil pengukuran berupa kurva hubungan antara arus dan tegangan. Arus berada pada sumbu vertikal dan tegangan yang pada sumbu horizontal. Perlakuan yang diberikan adalah tegangan input -10 Volt sampai 10 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 100 Watt. Dari kurva yang diperoleh, akan terlihat adanya

4 208 Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010 pergeseran antara kurva yang diperoleh pada kondisi disinari dan pada kondisi gelap. Hal ini menunjukkan seberapa besar sensivitas film tipis. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengukuran arus dan tegangan dilakukan untuk semua kombinasi kontak yang ada pada film tipis. Terdapat dua kontak di substrat dan dua kontak di lapisan film, sehingga terdapat empat kombinasi kontak yang dapat dikarakterisasi. Dari hasil karakterisasi film tipis yang dilakukan, diperoleh kurva hubungan arus-tegangan yang mirip dengan karakteristik kurva dioda untuk keseluruhan film tipis dan seluruh kombinasi kontak pada film tipis. Film tipis yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p, sedangkan lapisan tipis BST merupakan semikonduktor tipe-n [5]. Persambungan semikonduktor tipep dan tipe-n dikenal dengan nama p-n junction [6]. Dengan adanya p-n junction, maka film tipis yang dibuat sama dengan karakteristik dari dioda. Gambar1. Kombinasi Kontak Film Tipis Karakterisasi yang dilakukan pada film tipis dilakukan dengan bias maju dan bias mundur. Pada bahan semikonduktor mempunyai keterbatasan dalam menampung tegangan, sehingga mencapai tegangan breakdown [7].Nilai tegangan yang menyebabkan arusnya naik (tegangan knee) bervariasi untuk semua film dan juga untuk variasi kombinasi kaki kontak yang ada pada satu film tipis yang sama. Pengaruh doping menyebabkan tegangan knee menjadi naik. Adanya pengaruh doping menyebabkan semakin banyaknya elektron bebas dan hole pada kristal [8]. Dengan banyaknya elektron bebas pada film tipis, maka menyebabkan film tipis menjadi konduktif.

5 A. Arief, dkk., Uji Arus Tegangan Film Tipis Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 dengan Pendadah Tabel 1 Tegangan Knee Film Tipis Film Tipis Tipe Kontak Tegangan Knee (Volt) A 3,6 BST B 3,8 BST (Niobium) C 2,4 D 3,2 A 5,0 B 4,8 C 3,6 D 5,2 Dari kurva yang diperoleh pada kondisi gelap dan disinari lampu bohlam 100 Watt, keduanya menunjukan karakteristik yang sama yaitu kurva karakteristik dioda, tetapi terjadi pergeseran antara kurva yang diperoleh pada kondisi disinari dan pada kondisi gelap. Pada kondisi disinari lampu diperoleh kurva lebih cepat mencapai tegangan knee dan memiliki nilai arus yang lebih besar. Pemberian cahaya pada film tipis menyebabkan film tersebut menjadi lebih konduktif. Terjadinya sifat konduktif pada film tipis karena adanya energi foton dari luar yang diserap oleh elektron. Pada kondisi ini, energi foton memiliki kencenderungan untuk memberikan energi cukup bagi difusi elektron, sehingga peningkatan difusi ini mengakibatkan terjadinya rekombinasi elektron hole lebih banyak. Pada pita valensi sebagian elektron yang tidak berekombinasi dapat pindah (eksitasi) menuju pita konduksi dan kemudian dapat menghasilkan arus listrik serta dapat mempersempit celah antara pita valensi dan pita konduksi akibat difusi elektron tersebut, sehingga pada saat disinari lampu menjadi lebih cepat mencapai tegangan knee dan memiliki nilai arus yang lebih besar. Dengan adanya pergeseran kurva arus-tegangan film tipis BST saat diberi cahaya maka film tipis memiliki respon terhadap cahaya dan bisa disebut sebagai device fotodioda. Dari kurva dapat disimpulkan bahwa film tipis BST lebih sensitif etrhadap cahaya dibandingkan film tipis BST dengan pendadah Niobium. Pada Gambar 2 terlihat bahwa film tipis BST dengan kontak tipe B dan D memiliki keterbatasan sensitivitas sampai pada tegangan 3,6 dibandingkan tipe A dan C. Hal ini dikarenakan kontak antara kawat dengan pasta perak yang kurang kuat. Pada film tipis BNST (Gambar 3.) tipe kontak yang ideal pada A dan B walaupun untuk B terlihat tidak stabil. Adapun C dan D tidak terlihat adanya pergesaran kurva antara kondisi disinar dengan kondisi gelap. Hal ini terjadi akibat kerusakan struktur lapisan film dibawah lapisan kontak alumunium saat metalisasi. Dari hasil tersebut pemasangan kontak paling baik menggunakan tipe A untuk BST dan tipe B untuk BNST.

6 210 Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010 (A) (B) (D) (C) Gambar 2 (A) Kurva I-V Film Tipis BST Tanpa Doping Kontak A (B) Kurva I-V Film Tipis BST Tanpa Doping Kontak B (C) Kurva I-V Film Tipis BST Tanpa Doping Kontak C (D) Kurva I-V Film Tipis BST Tanpa Doping Kontak D

7 A. Arief, dkk., Uji Arus Tegangan Film Tipis Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 dengan Pendadah (A) (B) (C) (D) Gambar 3. (A) Kurva I-V Film Tipis BST Niobium Kontak A (B) Kurva I-V Film Tipis BST Niobium Kontak B (C) Kurva I-V Film Tipis BST Niobium Kontak C (D) Kurva I-V Film Tipis BST Niobium Kontak D KESIMPULAN Dari hasil karakterisasi arus-tegangan film tipis BST dan BNST yang ditumbuhkan pada substrat Si tipe-p memiliki sifat sebagai dioda. Dari hasil ini pula didapatkan film tipis BST lebih sensitiv daripada film tipis BNST. Hal ini ditunjukkan dengan adanya pergeseran kurva arus-tegangn pada saat kondisi gelap dan pada saat kondisi terang. Hal tersebut menandakan bahwa film tipis bersifat fotodioda dan dapat diaplikasikan sebagai sensor cahaya.

8 212 Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010 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] Azizahwati Studi Morfologi Permukaan Film Tipis PbZR Ti O 3 yang Ditumbuhkan dengan Metode DC Unbalanced Magnetron Sputtering. Jurnal Nasional Indonesia 5(1); [2] Huriawati F Sintesis Film BST Didadah Niobium dan Tantalum seta Aplikasinya Sebagai Sensor Cahaya. Tesis. Bogor: Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. [3] N. V. Giridharan, R. Jayavel, P. Ramasamy. Structural, Morphological and Electrical Studies on Barium Strontium Titanate Thin Films Prepared by Sol-Gel Technique. Crystal Growth Centre, Anna University, Chennai, India, 36, (2001). [4] Irzaman Studi Fotodioda Film Tipis Semikonduktor Ba 0.6 Sr 0.4 TiO 3 Didadah Tantalum. Jurnal Sains Materi Indonesia. 10(1); [5] K. Krane Fisika Modern. Penerjemah Hans J. Universitas Indonesia. Depok. [6] J. A. Blackburn Modern Instumentation for Scientists and Engineers. Spinger Verlag; New York. Inc. [7] Cari, A. Supriyanto, Suparmi,J.D. Malago, Irzaman, T.Sumardi, M.Hikam, I. Usman, A. Supu Optical Properties of Galium Oxide and Tantalum Oxide Doped BaTiO 3 Thin Film. ProsidingPertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2004; Serpong. [8] P.A. Tippler Physic for Scientist and Engineers. Worth Publisher. Inc