PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI FILM LITIUM TANTALAT (LiTaO 3 ) TERHADAP VARIASI SUHU DAN WAKTU ANNEALING YULI ASTUTI

Transkripsi

1 PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI FILM LITIUM TANTALAT (LiTaO 3 ) TERHADAP VARIASI SUHU DAN WAKTU ANNEALING YULI ASTUTI DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012

2 ABSTRAK YULI ASTUTI. Pembuatan dan Karakterisasi Film Litium Tantalat (LiTaO 3 ) terhadap Variasi Suhu dan Waktu Annealing. Dibimbing oleh Dr. Ir. IRZAMAN dan Dr. Ir. IRMANSYAH. Pada penelitian ini telah berhasil ditumbuhkan film LiTaO 3 murni dengan ketebalan film berkisar antara 1,07-3,80 m di permukaan substrat Si (100) tipe-p. Penumbuhan film LiTaO 3 dibuat dengan menggunakan metode chemical solution deposition (CSD) dengan teknik spin coating pada suhu annealing 800 o C, 850 o C, 900 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. Karakterisasi arus-tegangan dan sifat optik dilakukan terhadap variasi suhu dan waktu annealing. Hasil karakterisasi arus-tegangan menunjukkan bahwa film LiTaO 3 dapat dijadikan sebagai fotodioda dan sensor warna dilihat dari perbedaan nilai arus pada kondisi gelap-terang serta menggunakan filter merah, kuning dan hijau. Energi bandgap dari pengukuran karakterisasi optik berkisar antara 2,62-3,43 ev. Berdasarkan hasil karakterisasi arus-tegangan dan optik, film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 8 jam merupakan yang terbaik karena perbedaan arus terang-gelap paling besar yang disebabkan energi bandgap yang besar. Struktur kristal LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam adalah rhombohedral. Terbentuk pula puncak LiTaSiO 5 yang memiliki struktur kristal monoclinic. Kata kunci : LiTaO 3, annealing, fotodioda, energi bandgap, struktur kristal

3 PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI FILM LITIUM TANTALAT (LiTaO 3 ) TERHADAP VARIASI SUHU DAN WAKTU ANNEALING YULI ASTUTI 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 Judul : Pembuatan dan Karakterisasi Film Litium Tantalat (LiTaO 3 ) terhadap Variasi Suhu dan Waktu Annealing Nama : Yuli Astuti NIM : G Menyetujui Pembimbing I Pembimbing II Dr. Ir. Irzaman, M.Si Dr. Ir. Irmansyah, M.Si NIP NIP Mengetahui Ketua Departemen Fisika Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si NIP Tanggal lulus:

5 KATA PENGANTAR Puji syukur saya panjatkan kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayahnya kepada saya sebagai penulis sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul Pembuatan dan Karakterisasi Film Litium Tantalat (LiTaO 3 ) terhadap Variasi Suhu dan Waktu Annealing. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan untuk memperoleh gelar Sarjana Sains program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Orang tua saya yang senantiasa mendoakan, adik-adik tersayang dan abi tercinta yang senantiasa memberikan semangat. 2. Bapak Dr. Ir. Irzaman, M.Si dan Dr. Ir. Irmansyah, M.Si sebagai dosen pembimbing yang selalu mendorong dan memotivasi saya untuk menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Ir. Hanedi Darmasetiawan sebagai dosen editor yang telah membantu memperbaiki skripsi dan telah banyak memotivasi saya untuk menjadi lebih baik. 4. Seluruh dosen dan staf Departemen Fisika serta rekan-rekan angkatan 42, 43, 44, 45 dan Kawan-kawan Humairoh dan Rumah Bintang. 6. Senior Resident Asrama TPB IPB dan adik-adik lorong serta club Cybertron, KCL, Greda-C dan ADC. 7. Semua teman-teman sivitas IPB yang selalu mendorong dan memberikan semangat serta semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan mendoakan saya. Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat untuk kita semua. Saya menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna, sehingga kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan. Semoga Allah senantiasa memberikan keberkahan untuk kita semua. Amiin. Bogor, Desember 2012 Penulis

6 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Kediri, Jawa Timur pada tanggal 21 Juli 1989 dari pasangan Sanusi dan Puji Lestari. Penulis merupakan anak pertama dari empat bersaudara. Penulis menyelesaikan masa studi di SDN Batununggal III Bandung selama enam tahun kemudian melanjutkan ke SLTPN 28 Bandung selama tiga tahun dan melanjutkan studi selama tiga tahun di SMAN 22 Bandung. Penulis kemudian melanjutkan pendidikan sarjana strata satu di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Selama mengikuti perkuliahan, penulis juga aktif dalam kegiatan kampus baik internal maupun ekstra kampus antara lain sebagai ketua Ikatan Mushola Asrama Putri (IM3) TPB IPB dan pengajar Bina Baca Quran Asrama , sekretaris Departemen Kaderisasi KAMMI IPB , staf Departemen Instrumentasi dan Teknologi HIMAFI , sekretaris Divisi Syiar Lembaga Pengajaran Quran (LPQ) IPB , ketua Keputrian Keluarga Muslim Fisika (KMF) , Badan Pengawas HIMAFI , anggota Departemen Kaderisasi KAMMI Daerah Bogor , Senior Resident Asrama Putri TPB IPB

7 DAFTAR ISI Halaman Daftar Isi... vi Daftar Tabel.. vii Daftar Gambar.. viii Daftar Lampiran... ix BAB I PENDAHULUAN Latar belakang Tujuan Perumusan masalah Hipotesis.. 1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Litium tantalat (LiTaO 3 ) Silikon (Si) Metode chemical solution deposition (CSD) Metode volumetrik Fotodioda Energi bandgap semikonduktor X-ray diffraction (XRD)... 3 BAB III METODE PENELITIAN Tempat dan waktu penelitian Bahan dan alat Prosedur penelitian Persiapan substrat silikon Pembuatan larutan LiTaO 3 1 M Penumbuhan film LiTaO Proses annealing Perhitungan ketebalan film Pembuatan kontak Karakterisasi film LiTaO Karakterisasi sifat listrik Karakterisasi sifat optik Karakterisasi XRD.. 7 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan film LiTaO Karakterisasi arus tegangan Karakterisasi sifat optik Karakterisasi XRD BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN. 22 vi

8 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1 Nomor sampel film LiTaO 3 setelah proses annealing.. 6 Tabel 4.1 Selisih nilai arus kondisi gelap dan terang film LiTaO 3 setelah proses annealing Tabel 4.2 Tegangan knee film LiTaO 3 setelah proses annealing. 11 Tabel 4.3 Ketebalan sampel film LiTaO 3 setelah proses annealing.. 16 Tabel 4.4 Energi bandgap film LiTaO Tabel 4.5 Parameter kisi film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C (rhombohedral) Tabel 4.6 Parameter kisi film LiTaSiO 5 setelah proses annealing pada suhu 800 o C (monoclinic) vii

9 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Susunan atom pada kristal semikonduktor silikon intrinsic.. 2 Gambar 2.2 Struktur bandgap isolator, semikonduktor dan konduktor 3 Gambar 2.3 Struktur kristal rhombohedral.. 4 Gambar 2.4 Struktur kristal monoclinic... 4 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian. 5 Gambar 3.2 Proses penumbuhan film LiTaO 3. 6 Gambar 3.3 Hubungan suhu dan waktu selama proses annealing... 6 Gambar 3.4 Film LiTaO 3 tampak samping.. 7 Gambar 4.1 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 800 o C, 1 jam (b) 800 o C, 8 jam (c) 800 o C, 15 jam (d) 800 o C, 22 jam... 8 Gambar 4.2 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 850 o C, 1 jam (b) 850 o C, 8 jam (c) 850 o C, 15 jam (d) 850 o C, 22 jam.. 9 Gambar 4.3 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 900 o C, 1 jam (b) 900 o C, 8 jam (c) 900 o C, 15 jam (d) 900 o C, 22 jam Gambar 4.4 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang dan filter (merah, hijau, kuning) film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 800 o C, 1 jam (b) 800 o C, 8 jam (c) 800 o C, 15 jam (d) 800 o C, 22 jam Gambar 4.5 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang dan filter (merah, hijau, kuning) film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 850 o C, 1 jam (b) 850 o C, 8 jam (c) 850 o C, 15 jam (d) 850 o C, 22 jam Gambar 4.6 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang dan filter (merah, hijau, kuning) film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 900 o C, 1 jam (b) 900 o C, 8 jam (c) 900 o C, 15 jam (d) 900 o C, 22 jam Gambar 4.7 Hubungan absorbansi dan panjang gelombang film LiTaO 3 setelah proses annealing pada variasi suhu (a) 800 o C, (b) 850 o C, (c) 900 o C terhadap waktu annealing Gambar 4.8 Hubungan reflektansi dan panjang gelombang film LiTaO 3 setelah proses annealing pada variasi suhu (a) 800 o C, (b) 850 o C, (c) 900 o C terhadap waktu annealing Gambar 4.9 Gambar 4.10 Energi bandgap film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu (a) 800 o C, (b) 850 o C, (c) 900 o C terhadap variasi waktu annealing.. 15 Pola XRD film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam viii

10 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 Perhitungan ketebalan film LiTaO Lampiran 2 Perhitungan parameter kisi LiTaO Lampiran 3 Perhitungan parameter kisi LiTaSiO ix

11 1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penelitian terhadap material ferroelectric semikonduktor mendapat banyak perhatian. Hal ini didorong oleh potensi aplikasinya yang sangat luas. Beberapa aplikasi diantaranya sebagai lapisan penyangga (buffer layer), transduser, saklar, sensor, kapasitor dan sebagai memori. 1 Pada perkembangannya, tahun 60-an sampai 70-an bahan ferroelectric banyak dibuat dalam bentuk kristal tunggal maupun bulk. Namun sepuluh tahun terakhir terjadi paradigma baru dalam fabrikasi, yaitu dalam bentuk lapisan (film). 2 Beberapa metode yang dapat digunakan untuk penumbuhan film diantaranya chemical vapor deposition (CVD), pulse laser ablation deposition (PLAD), solution gelation (Sol-gel), metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), sputtering dan lain-lain. 3 Pada penelitian ini, penumbuhan film litium tantalat (LiTaO 3 ) dibuat dengan menggunakan metode chemical solution deposition (CSD) dengan teknik spin coating. Keunggulan metode ini dapat mengontrol stokiometri film dengan kualitas yang baik, prosedur yang mudah, dilakukan pada suhu rendah dan biaya yang relatif murah. 4,5 Substrat yang digunakan dalam penumbuhan film ini adalah silikon (100) tipe-p. Sedangkan material yang digunakan adalah litium tantalat (LiTaO 3 ), bahan material yang memiliki sifat ferroelectric, piezoelectric dan pyroelectric. 6 Pada penelitian ini dilakukan uji sifat listrik dari setiap film dengan mengukur arustegangan (I-V), uji sifat optik yang melihat sifat absorbansi dan reflektansi serta struktur kristal LiTaO 3 terhadap variasi suhu dan waktu annealing. Pembuatan film LiTaO 3 diharapkan bisa menjadi device fotodioda dan sensor warna. 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan umum penelitian ini adalah untuk menumbuhkan film litium tantalat (LiTaO 3 ) pada substrat Si (100) tipe-p dengan variasi suhu dan waktu annealing, kemudian diuji sifat listrik, optik dan struktur kristal dari setiap film yang telah dibuat. Tujuan khusus penelitian ini adalah 1. Penumbuhan film LiTaO 3 murni di permukaan substrat Si (100) tipe-p dengan variasi suhu dan waktu annealing. 2. Melakukan karakterisasi terhadap arustegangan (I-V) pada setiap film LiTaO Melakukan karakterisasi sifat optik antara lain sifat absorbansi dan reflektansi pada setiap film LiTaO Melakukan karakterisasi XRD pada setiap film LiTaO Perumusan Masalah Pada penelitian ini bahan LiTaO 3 ditumbuhkan di permukaan substrat silikon dengan metode CSD dengan memperhatikan pengaruh suhu dan waktu annealing dengan variasi 800 o C, 850 o C, 900 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. Kemudian film diuji sifat listrik, optik dan struktur kristal. 1.4 Hipotesis 1. Pembuatan larutan LiTaO 3 dari bahan litium asetat (LiO 2 C 2 H 3 ) ditambah tantalum oksida (Ta 2 O 5 ) sebagai bahan dasar pembuatan film yang ditumbuhkan pada permukaan substrat silikon (100) tipe-p menggunakan metode CSD dengan teknik spin coating pada kecepatan 3000 rpm dan diameter luar ujung pipet 1 mm akan memiliki ketebalan antara 1-10 m. 2. Film LiTaO 3 memiliki sifat yang mirip dioda dan dapat diaplikasikan sebagai fotodioda dan sensor warna. 3. Film LiTaO 3 memiliki energi bandgap yang cukup besar antara 3-4 ev. BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Litium Tantalat (LiTaO 3 ) Litium tantalat (LiTaO 3 ) merupakan bahan yang mempunyai sifat elektro-optik dan koefisien nonlinier optik yang tinggi. 7-9 LiTaO 3 juga merupakan bahan pyroelectric dan piezoelectric yang mempunyai stabilitas mekanik dan kimia yang baik. Oleh karena itu, LiTaO 3 sering digunakan untuk beberapa aplikasi termasuk electro-optic modulators, pyroelectric detectors, piezoelectric transducer dan lain-lain. 5,10 LiTaO 3 merupakan bahan yang memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, serta kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi. 11 Pembuatan LiTaO 3 dengan metode Irzaman et al dan Hikam et al menggunakan peralatan yang cukup sederhana, biaya murah dan dilakukan dalam waktu yang relatif singkat. 4,5 LiTaO 3 merupakan campuran dari hasil reaksi antara litium asetat [(LiO 2 C 2 H 3 )

12 2 99,99 %] dan tantalum oksida [(Ta 2 O 5 ) 99 %]. Berikut ini persamaan reaksi untuk menghasilkan LiTaO 3. 2LiO 2 C 2 H 3 + Ta 2 O 5 + 4O 2 2LiTaO H 2 O + 4 CO 2 LiTaO 3 merupakan kristal ferroelectric yang mengalami proses suhu Currie tinggi sebesar (601 5,5) o C. Massa jenis LiTaO 3 sebesar 7,45 g/cm 3 yang digunakan untuk menghitung ketebalan film Silikon (Si) Silikon (Si) adalah unsur yang banyak terdapat di bumi ini. Silikon adalah semikonduktor pengganti germanium. Sebuah atom silikon terisolasi mempunyai14 proton dan 14 elektron. 13 Bahan semikonduktor yang paling banyak adalah kristal silikon, yang merupakan unsur dari kelompok IVA dalam sistem periodik unsur-unsur. Kristal semikonduktor intrinsic terdiri atas atom silikon seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Tiap atom silikon mempunyai 4 buah elektron valensi. Atom silikon menempati kisi-kisi dalam kristal. Tiap atom Si terikat dengan 4 buah atom Si lain membentuk ikatan kovalen. 14 Kristal silikon merupakan semikonduktor intrinsic, yaitu semikonduktor murni yang belum dicampur atau dikotori oleh atom lain. Pada suhu 0 K, kristal silikon bersifat sebagai isolator karena memiliki pita konduksi yang kosong. Namun, ketika dipanaskan, elektron mendapat energi. Hal ini mengakibatkan perpindahan elektron dari pita valensi ke pita konduksi sehingga dapat bersifat sebagai konduktor Metode chemical solution deposition (CSD) Metode CSD merupakan metode pembuatan film dengan cara pendeposisian atau pengendapan larutan kimia di permukaan substrat, kemudian dipreparasi dengan menggunakan spin coater pada kecepatan putaran tertentu. Dalam pembuatan film pada penelitian ini digunakan metode chemical solution deposition (CSD) karena pada metode ini stoikiometrinya mudah dikontrol dengan baik, mudah dibuat dan dilakukan pada suhu rendah Metode Volumetrik Metode ini dapat dipakai dengan tepat jika film yang ditumbuhkan di permukaan substrat terdeposisi secara merata. Metode ini Gambar 2.1 Susunan atom pada kristal semikonduktor silikon intrinsic dilakukan dengan cara menimbang massa substrat sebelum dilapisi film dan menimbang substrat setelah dilakukan proses annealing dan terdapat film dipermukaannya, sehingga akan didapatkan massa film yang terdeposisi pada permukaan substrat. 4 Ketebalan film dari metode ini menggunakan rumus : d= (2.1) Keterangan : d adalah ketebalan film (cm), m 1 adalah massa substrat sebelum ditumbuhkan film (g), m 2 adalah massa substrat setelah annealing dan terdapat film dipermukaannya (g), A adalah luas permukaan film yang terdeposisi pada permukaan substrat (cm 2 ) dan adalah massa jenis film yang terdeposisi pada permukaan substrat (g/cm 3 ). 2.5 Fotodioda Fotodioda adalah dioda yang didesain khusus memiliki sifat fotoelektrik. Dioda merupakan komponen elektronik yang dapat melewatkan arus satu arah saja, yaitu jika kutub anoda dihubungkan pada tegangan (+) dan kutub katoda dihubungkan dengan tegangan (-) (bias maju). Energi foton cahaya diserap elektron dalam pita valensi sehingga elektron tersebut dapat bertransisi ke pita konduksi. Energi yang didapatkan elektron dari penyerapan foton tersebut harus lebih besar dari energi bandgap atom. Semakin kuat cahaya yang datang, semakin banyak jumlah pembawa yang dihasilkan cahaya dan semakin cepat arus yang dihasilkan. 15 Dioda adalah nama lain dari persambungan semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n yang membentuk kristal. Daerah pertemuan semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n disebut p-n junction. 16 Bahan semikonduktor tipe-p terdiri atas unsurunsur dalam kelompok IVA pada sistem periodik seperti silikon. Bahan semikonduktor tipe-n terdiri atas unsur-unsur dalam kelompok V atau kelompok III pada sistem periodik. 14 Sambungan antara bahan tipe-p dan tipe-n dapat dibuat dengan beberapa cara, misalnya

13 3 pendifusian ketidakmurnian dalam bentuk uap ke dalam wafer semikonduktor Energi bandgap semikonduktor Sifat optik material semikonduktor dapat diketahui dari lebar celah pita energinya (bandgap). Proses absorpsi terjadi ketika foton dengan energi yang lebih besar dari celah pita energi semikonduktor terserap oleh material. Proses ini biasanya menghasilkan pasangan elektron-hole. 18 Energi bandgap film LiTaO 3 diperoleh dengan menggunakan metode perhitungan reflektansi. 19 Energi bandgap dari perhitungan reflektansi menggunakan hubungan [ln(r max -R min )/(R-R min )] 2 dan energi foton yang datang pada film, ditunjukkan pada persamaan: =[(R max -R min )/(R-R min )] 2 (2.2) Keterangan: adalah koefisien absorbansi (cm -1 ), R adalah nilai reflektansi (%), dan d adalah ketebalan film (cm). Energi bandgap antara pita konduksi dan pita valensi di dalam bahan semikonduktor sekitar 1 ev seperti pada silikon, germanium dan lain-lain. Sedangkan energi bandgap pada isolator sangat besar (sekitar 6 ev), berbeda dengan konduktor dimana pita konduksi dan pita valensinya yang overlap sehingga elektron selalu ada di dalam pita konduksi. Struktur bandgap dari isolator, semikonduktor dan konduktor dapat dilihat pada Gambar X-ray diffraction (XRD) Struktur kristal dipelajari menggunakan metode x-ray diffraction (XRD). Orde panjang gelombang sinar-x hampir sama dengan jarak antar atom pada kristal, maka sinar-x dapat didifraksi oleh kristal. Pola difraksi sinar-x muncul akibat hamburan atom-atom yang terletak pada bidang hkl dalam kristal dan pola intensitas difraksi mengandung informasi penting mengenai struktur kristalografi suatu bahan. 21 Difraksi sinar-x oleh atom-atom yang tersusun di dalam kristal akan menghasilkan pola yang berbeda bergantung pada konfigurasi atom-atom pembentuk kristal. Elektron yang dipancarkan dengan tegangan yang sangat tinggi menumbuk target (Cu, Cr, Fe, Co, Mo dan W). Sebagian energi kinetik elektron yang menumbuk target berubah menjadi sinar-x. Sinar-x yang dipancarkan pada peristiwa ini terdistribusi secara kontinyu dengan panjang gelombang (λ) yang berbeda. 21 Gambar 2.2 Struktur bandgap isolator, semikonduktor dan konduktor Tumbukan antara elektron yang dipercepat dengan atom target bersifat tidak elastik. Jika energi elektron yang datang memiliki energi yang cukup maka akan melepaskan elektron pada kulit K, sehingga atom dalam keadaan tereksitasi. Proses transisi ini akan diikuti oleh pelepasan energi berupa radiasi sinar-x. Sinar-x ditembakkan pada material sehingga terjadi interaksi dengan elektron dalam atom. Ketika foton sinar-x bertumbukkan dengan elektron, beberapa foton hasil tumbukan akan mengalami pembelokkan dari arah datang awal. 22 Jika panjang gelombang hamburan sinar-x tidak berubah (foton sinar-x tidak kehilangan banyak energi) dinamakan hamburan elastik dan terjadi transfer momentum dalam hamburan. Sinar-x inilah yang digunakan untuk pengukuran sebagai hamburan sinar-x yang tersusun periodik dalam kristal. Gelombang yang terdifraksikan dari atomatom berbeda dapat saling mengganggu dan distribusi intensitas resultannya termodulasi kuat oleh interaksi ini. Syarat terjadinya difraksi harus memenuhi hukum difraksi Bragg, (2.3) Keterangan: d adalah jarak antar bidang, adalah sudut difraksi dan adalah panjang gelombang (Cu = 1,50546 Å). 22 Untuk mencari parameter kisi dapat menggunakan metode Cohen. Metode ini sangat akurat karena kesalahan sistematis tereliminasi oleh pemilihan fungsi ekstrapolasi yang tepat dan kesalahan acak dikurangi dengan metode kuadrat terkecil. 21 Pada penelitian ini diperoleh struktur rhombohedral dan monoclinic berdasarkan data hasil karakterisasi XRD. Gambar 2.3 dan 2.4 masing-masing menunjukkan struktur kristal rhombohedral dan monoclinic.

14 4 Gambar 2.3 Struktur kristal rhombohedral Gambar 2.4 Struktur kristal monoclinic BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Material, Biofisika dan Spektroskopi Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Penelitian ini dilaksanakan dari bulan November 2010 sampai dengan bulan Februari Bahan dan Alat Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah substrat Si (100) tipe-p, bubuk litium asetat [(LiO 2 C 2 H 3 ) 99,99 %], bubuk tantalum oksida [(Ta 2 O 5 ) 99 %], pelarut 2-metoksietanol [(C 3 H 8 O 2 ) 99,3 %], deionized water, aseton PA [(CH 3 COCH 3 ) 58,06 g/mol], metanol PA [(CH 3 OH) 32,04 g/mol], asam florida (HF), kaca preparat, pasta perak, kawat tembaga halus dan alumunium foil. Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah pisau mata intan, penggaris, pinset, gelas ukur, beaker glass, bransonic 2510, pipet volumetrik, hot plate, neraca analitik, reaktor spin coater, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, pipet, perekat, double tape, tissue, furnace vulcan TM 3-130, alat metalisasi, I-V meter Keithley's SourceMeter family model 2400, light meter lutron LX-100, lampu moritex MHF-M1002, Spectrophotometer UV-VIS ocean optics USB 1000 oceanoptic dan Shimadzu XRD Prosedur Penelitian Skema diagram alir penelitian pembuatan film LiTaO 3 diperlihatkan pada Gambar 3.1 adapun penjelasan setiap tahapannya sebagai berikut: Persiapan substrat Si tipe-p Substrat yang digunakan adalah Si (100) tipe-p. Substrat dipotong membentuk segi empat berukuran 1 cm x 1 cm menggunakan pisau mata intan. Substrat dibersihkan dengan proses pencucian sebagai berikut : (1) substrat yang telah dipotong, direndam di dalam larutan aseton PA selama 10 menit sambil digetarkan dengan ultrasonik, (2) substrat direndam di dalam deionized water selama 10 menit sambil digetarkan dengan ultrasonik, (3) substrat direndam di dalam metanol PA selama 10 menit sambil digetarkan dengan ultrasonik, (4) substrat direndam selama beberapa detik di dalam campuran HF dan deionized water dengan perbandingan 1:5, (5) tahap terakhir substrat direndam di dalam deionized water selama 10 menit sambil digetarkan dengan ultrasonik. Setelah selesai semua tahap pencucian, substrat dikeringkan di permukaan hot plate pada suhu 100 o C selama 1 jam Pembuatan larutan LiTaO 3 1 M Film LiTaO 3 yang ditumbuhkan di permukaan substrat Si tipe-p dibuat dengan mereaksikan bubuk litium asetat dan bubuk tantalum oksida dengan pelarut 2-metoksietanol sebanyak 2,5 ml. Bahanbahan tersebut direaksikan dalam tabung reaksi kemudian digetarkan dengan ultrasonik. Hasil reaksi berupa larutan LiTaO 3 murni. Komposisi massa masing-masing bahan ditentukan dengan perhitungan stoikiometri, kemudian bahan-bahan tersebut ditimbang menggunakan neraca analitik Penumbuhan film LiTaO 3 Penumbuhan film LiTaO 3 menggunakan metode CSD di permukaan reaktor spin coater. Metode CSD merupakan metode pembuatan film dengan cara pendeposisian larutan bahan kimia di permukaan substrat, kemudian dipreparasi dengan spin coater pada kecepatan tertentu. Langkah penumbuhan film LiTaO 3 sebagai berikut: substrat yang telah dibersihkan, diletakkan di permukaan piringan reaktor spin coater kemudian ditutup 1/3 bagiannya dengan perekat. Bagian 2/3 substrat ditetesi larutan LiTaO 3 sebanyak 1 tetes dengan 3 kali ulangan. Reaktor spin coater diatur pada kecepatan 3000 rpm selama 30 detik setiap penetesan larutan LiTaO 3. Setelah itu substrat dipanaskan di permukaan hot plate untuk menguapkan sisa cairan yang ada. Proses penumbuhan film LiTaO 3 menggunakan metode CSD dapat dilihat pada Gambar3.2.

15 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian 5

16 Proses annealing Proses annealing bertujuan untuk mendifusikan larutan LiTaO 3 dengan substrat silikon. Proses annealing dilakukan secara bertahap menggunakan furnace vulcan TM Pemanasan dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu annealing yang diinginkan yaitu 800 o C, 850 o C dan 900 o C dengan kenaikan suhu 1,7 o C/menit. Setelah didapatkan suhu 800 o C, 850 o C dan 900 o C kemudian suhu annealing tersebut ditahan konstan selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. Selanjutnya dilakukan proses pendinginan sampai kembali pada suhu ruang. Nomor sampel film LiTaO 3 setelah proses annealing terlihat seperti pada Tabel 3.1. Hubungan suhu dan waktu selama proses annealing dapat dilihat pada Gambar 3.3. Pada Gambar 3.3 diperlihatkan proses kenaikan suhu awal sampai suhu annealing berupa garis linier karena pengaturan kenaikan suhu per menit, sedangkan proses pendinginan diperlihatkan berupa garis tidak linier karena tidak ada pengaturan penurunan suhu per menitnya. Gambar 3.2 Proses penumbuhan film LiTaO 3 Tabel 3.1 Nomor sampel film LiTaO 3 setelah proses annealing Keterangan : yang diberi warna adalah sampel uji xrd Gambar 3.3 Hubungan suhu dan waktu selama proses annealing

17 7 Gambar 3.4 Film LiTaO 3 tampak samping Perhitungan ketebalan film LiTaO 3 Film LiTaO 3 setelah proses annealing dihitung ketebalannya dengan metode volumetrik menggunakan persamaan (2.1). Substrat silikon yang telah dicuci kemudian ditimbang sebagai massa awal (m 1 ). Substrat silikon yang telah ditumbuhkan film LiTaO 3 di permukaannya setelah proses annealing kemudian ditimbang sebagai massa akhir (m 2 ). Luas film LiTaO 3 di permukaan silikon diukur menggunakan penggaris. Perhitungan lengkap ketebalan film LiTaO 3 dapat dilihat pada Lampiran Pembuatan kontak pada film LiTaO 3 Proses selanjutnya adalah pembuatan kontak. Diawali dengan cara membuat pola kontak pada film yang berukuran 1 mm x 1 mm menggunakan aluminium foil. Setelah itu dilakukan proses metalisasi di Lab MOCVD Fisika ITB menggunakan bahan kontak aluminium 99,99 %. Selanjutnya pemasangan kawat tembaga halus menggunakan pasta perak pada kontak. Film LiTaO 3 tampak samping yang telah ditumbuhkan pada substrat Si tipe-p dan telah dipasang kontak dapat dilihat pada Gambar Karakterisasi film LiTaO Karakterisasi sifat listrik Karakterisasi sifat listrik yang dilakukan adalah karakterisasi arus-tegangan. Pengukuran hubungan arus-tegangan film menggunakan I-V meter Keithley's SourceMeter family model Data keluaran dari I-V meter merupakan nilai arus dan tegangan. Dari data tersebut kemudian dibuat grafik hubungan arus dan tegangan menggunakan microsoft excel. Pada grafik terlihat adanya pergeseran antara kurva yang diperoleh pada kondisi gelap dan kondisi terang serta yang menggunakan filter. Hal ini menunjukkan besar sensitivitas film tersebut Karakterisasi sifat optik Karakterisasi sifat optik dilakukan untuk mempelajari tingkat absorbansi dan reflektansi film LiTaO 3 menggunakan Spectrophotometer UV-VIS ocean optics USB 1000 oceanoptic. Data yang diperoleh berupa kurva absorbansi terhadap panjang gelombang dan reflektansi terhadap panjang gelombang. Dari data tersebut dapat dianalisa dan dihitung nilai energi bandgap Karakterisasi XRD Karakterisasi XRD merupakan metode untuk mengidentifikasi struktur kristal film LiTaO 3.Karakterisasi XRD menggunakan Shimadzu XRD Sifat-sifat material film LiTaO 3 dapat ditentukan jika telah diketahui struktur kristalnya. Data hasil karakterisasi XRD diolah menggunakan sofware sigmaplot. Data tersebut digunakan untuk menentukan indeks Miller dari pola difraksi sinar-x dan menghitung parameter kisi film LiTaO 3. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pembuatan Film LiTaO 3 Pembuatan film LiTaO 3 dimulai dengan persiapan substrat Si (100) tipe-p yang dipotong membentuk segiempat berukuran 1 cm x 1 cm. Kemudian substrat dicuci menggunakan proses pencucian seperti yang telah dijelaskan pada hlm 4. Bahan dasar pembuatan film LiTaO 3 adalah litium asetat (LiO 2 C 2 H 3 ) ditambah tantalum oksida (Ta 2 O 5 ). Berikut ini persamaan reaksi untuk menghasilkan LiTaO 3 murni: 2 LiO 2 C 2 H 3 + Ta 2 O 5 + 4O 2 2 LiTaO H 2 O + 4 CO 2. Komposisi massa masing-masing bahan ditentukan dengan perhitungan stoikiometri. Bahan-bahan tersebut direaksikan dalam

18 8 tabung reaksi dengan menambahkan pelarut 2-metoksietanol sebanyak 2,5 ml. Film LiTaO 3 ditumbuhkan pada permukaan substrat Si (100) tipe-p menggunakan metode CSD dengan teknik spin coating. Reaktor spin coater diatur pada kecepatan 3000 rpm selama 30 detik setiap penetesan larutan LiTaO 3. Setelah film LiTaO 3 ditumbuhkan di permukaan substrat Si tipe-p, kemudian dilakukan proses annealing dengan variasi suhu dan waktu annealing. Suhu annealing yang digunakan adalah 800 o C, 850 o C dan 900 o C. Sedangkan waktu annealing yang digunakan adalah 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. Hubungan suhu dan waktu selama proses annealing dapat dilihat pada Gambar 3.3. Film LiTaO 3 setelah proses annealing dihitung ketebalannya dengan metode volumetrik menggunakan persamaan (2.1). Perhitungan lengkap ketebalan film dapat dilihat pada Lampiran 1. Ketebalan film LiTaO 3 berkisar antara 1,07-3,80 μm. Proses selanjutnya adalah pembuatan kontak. Film LiTaO 3 tampak samping yang ditumbuhkan pada permukaan substrat Si tipe-p dan telah dipasang kontak dapat dilihat pada Gambar Karakterisasi Sifat Listrik Karakterisasi sifat listrik yang dilakukan adalah karakterisasi arus-tegangan. Karakterisasi ini untuk melihat sifat dominan dari film LiTaO 3, apakah bersifat dioda, fotodioda, resistor atau fotoresistor. Pengukuran arus-tegangan dilakukan pada kondisi gelap dan kondisi terang serta pada kondisi terang yang memakai filter warna merah, kuning dan hijau yang disinari lampu dengan intensitas cahaya 3000 lux pada semua kombinasi kontak setiap film. Tegangan catu yang diberikan adalah -15 volt sampai 15 volt dengan kenaikan 0,05 volt. Gambar 4.1 menunjukkan hubungan arus-tegangan pada kondisi gelap-terang pada suhu annealing 800 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. Gambar 4.2 menunjukkan hubungan arus-tegangan pada kondisi gelapterang pada suhu annealing 850 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. Gambar 4.3 menunjukkan hubungan arus-tegangan pada kondisi gelap-terang pada suhu annealing 900 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. Pada suhu annealing 800 o C, nilai arus kondisi terang yang tertinggi terdapat pada waktu annealing 8 jam dan 15 jam sebesar 2 ma. Pada suhu annealing 850 o C, nilai arus yang tertinggi pada waktu annealing 1 jam dan 8 jam sebesar 1,4 ma. Pada suhu annealing 900 o C, nilai arus tertingginya hanya pada waktu annealing 8 jam sebesar 0,8 ma. Gambar 4.1 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 800 o C, 1 jam (b) 800 o C, 8 jam (c) 800 o C, 15 jam (d) 800 o C, 22 jam

19 9 Gambar 4.2 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 850 o C, 1 jam (b) 850 o C, 8 jam (c) 850 o C, 15 jam (d) 850 o C, 22 jam Berdasarkan data tersebut, suhu dan waktu annealing telah mempengaruhi nilai arus maksimum dari film LiTaO 3 yang diberi tegangan sampai 15 volt. Hubungan arustegangan menunjukkan film LiTaO 3 yang ditumbuhkan pada substrat Si (100) tipe-p memiliki sifat yang mirip dengan dioda. Adanya perbedaan antara nilai arus pada kondisi gelap dan terang juga menunjukkan bahwa film yang dibuat mempunyai sifat sebagai fotodioda. Film LiTaO 3 mempunyai sifat sebagai fotodioda karena menghasilkan arus ketika dikenai cahaya. Film LiTaO 3 yang merupakan semikonduktor tipe-n dan substrat silikon tipe-p membentuk sambungan p-n. Elektron bebas pada bahan tipe-n berdifusi melalui sambungan, masuk ke dalam bahan tipe-p dan terjadi rekombinasi dengan hole. Sebaliknya juga terjadi, yaitu hole bahan p berdifusi masuk ke dalam bahan n dan berekombinasi dengan elektron serta saling meniadakan muatan. Akibatnya, tepat pada sambungan p-n terjadi daerah tanpa muatan bebas yang disebut depletion region. Oleh karena itu, muatan positif terpisah dari muatan negatif, maka di dalam depletion region terjadi medan listrik yang melawan proses difusi selanjutnya. Dengan adanya medan listrik ini terjadi beda potensial listrik antara bagian p dan bagian n dalam depletion region. 14 Agar elektron dalam film LiTaO 3 dapat berdifusi masuk ke dalam bahan p, maka elektron tersebut harus memiliki energi yang lebih besar daripada beda potensial antara bagian p dan bagian n dalam depletion region. Dalam hal ini, energi foton dapat memberikan energi yang cukup untuk difusi elektron. Pemberian cahaya menyebabkan film LiTaO 3 menjadi lebih konduktif. Hal inilah yang mengakibatkan adanya perbedaan nilai arus pada kondisi gelap dan terang pada pengukuran karakterisasi arus-tegangan. Arus pada kondisi terang lebih tinggi daripada arus pada kondisi gelap. Film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 8 jam memberikan respon yang paling baik terhadap intensitas cahaya yang mengenainya. Hal ini ditunjukkan oleh selisih nilai arus pada kondisi terang dan gelap saat dikenai tegangan 15 volt yaitu sebesar 0,5 ma. Selisih nilai arus kondisi gelap dan terang untuk seluruh film LiTaO 3 dapat dilihat pada Tabel 4.1.

20 10 Tabel 4.1 Selisih nilai arus kondisi gelap dan terang film LiTaO 3 setelah proses annealing Gambar 4.3 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 900 o C, 1 jam (b) 900 o C, 8 jam (c) 900 o C, 15 jam (d) 900 o C, 22 jam

21 11 Tabel 4.2 Tegangan knee film LiTaO 3 setelah proses annealing Gambar 4.4 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang dan filter (merah, hijau, kuning) film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 800 o C, 1 jam (b) 800 o C, 8 jam (c) 800 o C, 15 jam (d) 800 o C, 22 jam (biru : gelap, pink : terang, merah : filter merah, hijau : filter hijau, kuning : filter kuning)

22 12 Gambar 4.5 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang dan filter (merah, hijau, kuning) film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 850 o C, 1 jam (b) 850 o C, 8 jam (c) 850 o C, 15 jam (d) 850 o C, 22 jam (biru : gelap, pink : terang, merah : filter merah, hijau : filter hijau, kuning : filter kuning). Gambar 4.6 Hubungan arus-tegangan kondisi gelap-terang dan filter (merah, hijau, kuning) film LiTaO 3 pada suhu dan waktu annealing (a) 900 o C, 1 jam (b) 900 o C, 8 jam (c) 900 o C, 15 jam (d) 900 o C, 22 jam (biru : gelap, pink : terang, merah : filter merah, hijau : filter hijau, kuning : filter kuning).

23 13 Tegangan yang menyebabkan arus mulai naik saat pengukuran karakterisasi arus-tegangan disebut tegangan knee. Nilai tegangan knee film LiTaO 3 setelah proses annealing ditunjukkan pada Tabel 4.2. Berdasarkan data yang diperoleh, suhu dan waktu annealing mempengaruhi nilai tegangan knee. Pada film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 15 jam menunjukkan nilai tegangan knee yang paling rendah yaitu sebesar 1 volt. Karakterisasi sifat listrik dan material (mikrostruktur) banyak dipengaruhi oleh metode pembuatan film, suhu annealing dan ukuran grain. 22 Perubahan suhu mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk lengkung ciri dioda pada tegangan knee dan arus breakdown. Jika suhu dinaikkan maka tegangan knee berkurang, tetapi arus breakdown bertambah dan kemiringan lengkung ciri pada tegangan mundur pun bertambah. 13 Namun berdasarkan Tabel 4.2, terjadi fluktuasi nilai tegangan knee. Hal ini terjadi karena adanya pengaruh waktu annealing. Film LiTaO 3 ini dapat diaplikasikan sebagai sensor warna. Terlihat dari Gambar 4.4 yang menunjukkan hubungan arus-tegangan pada kondisi yang diberi filter untuk film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C. Semakin meningkatnya suhu dan waktu annealing, sensitivitasnya semakin berkurang ditunjukkan oleh grafik yang berimpit seperti pada Gambar 4.5 dan Gambar 4.6 untuk film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 850 o C dan 900 o C. 4.3 Karakterisasi Sifat Optik Karakterisasi sifat optik dilakukan untuk mempelajari tingkat absorbansi dan reflektansi film LiTaO 3 terhadap panjang gelombang cahaya dari nm. Film LiTaO 3 setelah proses annealing selama 8 jam pada suhu 800 o C merupakan yang terbaik karena absorbansinya paling tinggi. Nilai absorbansi yang tinggi menunjukkan bahwa film LiTaO 3 banyak menyerap energi foton dari cahaya yang mengenainya. Gambar 4.7 menunjukkan hubungan absorbansi dan panjang gelombang film LiTaO 3 setelah proses annealing. Dari grafik tersebut dapat dilihat nilai absorbansi dari film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 8 jam lebih tinggi dibandingkan film LiTaO 3 setelah proses annealing selama 1 jam, 15 jam dan 22 jam. Sedangkan pada suhu annealing 850 o C dan 900 o C tidak menunjukkan perbedaan yang jelas berdasarkan absorbansinya karena grafiknya cenderung berimpit dan bertumpuk Film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 8 jam dan 22 jam menyerap paling banyak cahaya pada rentang panjang gelombang nm. Intensitas absorbansi film LiTaO 3 setelah proses annealing selama 8 jam lebih tinggi. Selain itu, grafik absorbansi pada rentang panjang gelombang nm cenderung horizontal, hal ini menunjukkan bahwa film LiTaO 3 dapat menyerap seluruh cahaya pada rentang panjang gelombang tersebut. Pada film LiTaO 3 setelah proses annealing selama 1 jam dan 15 jam menyerap cahaya pada rentang panjang gelombang nm, namun intensitas absorbansi yang lebih tinggi pada film LiTaO 3 setelah proses annealing selama 15 jam. Terdapat hubungan antara nilai absorbansi ini dengan nilai arus pada karakterisasi arus-tegangan. Semakin tinggi nilai absorbansinya, maka semakin tinggi pula kenaikan arus listrik dan sebaliknya. Reflektansi (pemantulan) merupakan kebalikan dari absorbansi yang diperlihatkan dalam Gambar 4.8, hubungan antara reflektansi dan panjang gelombang pada rentang nm. Energi bandgap dapat dicari menggunakan perhitungan dari reflektansi. 19 Perhitungan nilai energi bandgap dilakukan dengan metode perhitungan reflektansi yang menggunakan persamaan (2.2). 19 Energi bandgap pada metode perhitungan reflektansi diperoleh dari ekstrapolasi [ln(r max -R min )/(R-R min )] 2 ke 0, dengan sumbu x adalah hv dan sumbu y adalah [ln(r max -R min )/(R-R min )] 2 seperti diperlihatkan oleh Gambar 4.9. Selain energi bandgap, dengan menggunakan persamaan (2.2) dapat diperoleh koefisien absorbansi optis ( ) dari spektrum reflektansi 24 dan harga ketebalan lapisan film yang didapatkan dari metode volumetrik pada persamaan (2.1). 5 Tabel 4.3 menunjukkan ketebalan film LiTaO 3 setelah proses annealing menggunakan metode volumetrik. Perhitungan lengkap ketebalan film LiTaO 3 dapat dilihat pada Lampiran 1. Ketebalan film LiTaO 3 bervariasi. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor. Pertama faktor suhu substrat. Proses terjadinya film disebabkan atom berdifusi di

24 14 sekitar substrat yang dipengaruhi suhu substrat. Ketika suhu substrat mencapai suhu optimum, atom yang terbentuk menyebar secara merata di permukaan substrat sehingga meningkatkan laju penumbuhan film. Sedangkan ketika suhu substrat melewati suhu optimum, atom yang terbentuk dapat terlepas dari permukaan substrat (evaporasi) yang mengakibatkan laju penumbuhan film menurun. Kedua, metode CSD bergantung pada keterampilan penetesan larutan di permukaan spin coater. Ketebalan film pun akan berbeda. Ketiga, dari hasil penelitian yang dilakukan, ada beberapa bagian film yang menjadi kering dan lepas dari substrat sehingga mengurangi ketebalan film. 25 Ketebalan film sangat berpengaruh terhadap besar energi bandgap. Variasi suhu dan waktu annealing juga mempengaruhi besarnya energi bandgap dari film LiTaO 3. Film LiTaO 3 telah ditumbuhkan Youssef et al dengan teknik sol-gel pada suhu annealing o C. Didapatkan puncak (006) yang sensitif terhadap variasi suhu annealing dan hasil yang paling baik pada suhu 700 o C dengan energi bandgap yang diperoleh sebesar 4,6 ev. 25 Sedangkan, energi bandgap film LiTaO 3 pada penelitian ini diperoleh pada rentang nilai 2,62-3,43 ev seperti ditunjukkan pada Tabel 4.4. Dilihat dari nilai energi bandgap yang diperoleh, film LiTaO 3 merupakan semikonduktor berdasarkan literatur (1-6 ev). 20 Film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C, 8 jam dan 850 o C, 22 jam memiliki energi bandgap paling tinggi sebesar 3,43 ev. Diperlukan energi yang cukup besar pada elektron untuk tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi. Sedangkan pada film LiTaO 3 setelah proses annealing 800 o C selama 1 jam, energi bandgap yang diperoleh sebesar 2,62 ev. Hal ini memudahkan elektron untuk tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi karena energi yang dibutuhkan tidak terlalu besar. Gambar 4.7 Hubungan absorbansi dan panjang gelombang film LiTaO3 setelah proses annealing pada variasi suhu (a) 800 o C, (b) 850 o C, (c) 900 o C terhadap waktu annealing

25 15 Gambar 4.8 Hubungan reflektansi dan panjang gelombang film LiTaO 3 setelah proses annealing pada variasi suhu (a) 800 o C, (b) 850 o C, (c) 900 o C terhadap waktu annealing Gambar 4.9 Energi bandgap film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu (a) 800 o C, (b) 850 o C, (c) 900 o C terhadap variasi waktu annealing

26 16 Tabel 4.3 Ketebalan film LiTaO 3 setelah proses annealing Tabel 4.4 Energi bandgap film LiTaO Karakterisasi XRD Karakterisasi XRD merupakan metode untuk mengidentifikasi struktur kristal film LiTaO 3. Film yang dikarakterisasi hanya film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. Berdasarkan data hasil karakterisasi XRD film LiTaO 3 yang ditumbuhkan pada substrat silikon (100) telah terbentuk beberapa puncak yaitu puncak Si (100), puncak SiO 2 (040) dan (033), puncak LiTaO 3 dan puncak LiTaSiO 5. Litium tantalum silikat (LiTaSiO 5 ) terbentuk dari LiTaO 3 yang bersenyawa dengan substrat silikon karena suhu dan waktu annealing yang tinggi (800 o C) melebihi literatur (600 o C). 6 Film LiTaO 3 telah ditumbuhkan Gonzalez et al menggunakan teknik spin coating pada kecepatan putar 5000 rpm dan metode polymeric organic solution (metode Pechini) dengan suhu annealing 600 o C selama 3 jam diperoleh puncak LiTaO 3 pada hkl (012), (104), (110), (006), (202), (024), (116), (122), (018), (214), (300). 6 Fungsi annealing pada variasi suhu adalah agar film yang terbentuk menuju kristal yang

27 17 orientasinya sesuai dengan orientasi kristal substrat. Proses annealing mempengaruhi ukuran grain film. Grain film menjadi lebih rapat, kompak, teratur dan homogen. Proses annealing meningkatkan homogenitas dari kerapatan grain kristal dalam film. 27 Gambar 4.7 menunjukkan pola XRD film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. Terlihat perbedaan intensitas puncak yang terbentuk pada masing-masing grafik. Pada waktu annealing 1 jam terbentuk 12 puncak LiTaO 3 pada hkl (012), (104), (110), (202), (024), (116), (122), (018), (214), (300), (306) dan (312). Pada waktu annealing 8 jam terbentuk 2 puncak LiTaO 3 pada hkl (122) dan (312). Pada waktu annealing 15 jam terbentuk 6 puncak LiTaO 3 pada hkl (012), (014), (110), (202), (122), (312). Pada waktu annealing 22 jam terbentuk 9 puncak LiTaO 3 pada hkl (012), (104), (110), (202), (024), (116), (122), (018), (300) dan (312). Sebagian besar LiTaO 3 yang terbentuk memiliki intensitas yang lebih rendah dibandingkan dengan intensitas LiTaSiO 5. Pada seluruh variasi waktu annealing terbentuk 9 puncak LiTaSiO 5 pada hkl (020), (200), (002), (022), (130), ( 12), (122), (040) dan (312). Pada film yang tumbuh dengan orientasi monokristal, derajat kualitas kristal ditentukan berdasarkan tingginya intensitas puncak yang terbentuk. Film yang memiliki intensitas tinggi dikatakan mempunyai kualitas kristal yang lebih baik dibandingkan dengan film yang tumbuh dengan intensitas yang lebih rendah. 28 Puncak yang terbentuk dari struktur kristalin berupa puncak tajam (sharp) karena memiliki derajat keteraturan yang tinggi (long range order). Sedangkan pada amorf, puncak-puncak yang dihasilkan sangat landai karena memiliki derajat keteraturan yang sangat rendah (short range order). 21 Kristalitas lapisan film sebanding dengan bertambahnya ukuran grain. Ini berarti bahwa semakin besar grain size dari suatu morfologi film, kualitas kristalnya semakin baik. 28 Perlakuan panas menggunakan suhu annealing yang bervariasi dapat berpengaruh terhadap mikrostruktur bahan. 27 Semakin tinggi suhu annealing, semakin besar ukuran grain. Pertumbuhan grain terjadi karena peningkatan suhu memperbesar energi vibrasi termal, yang kemudian mempercepat difusi atom melintasi batas ukuran grain dari grain yang kecil menuju grain yang besar. 30 Kristal LiTaO 3 telah ditumbuhkan dengan teknik Czochralski oleh Tao Yan et al. Diperoleh 12 puncak LiTaO 3 dengan struktur kristal rhombohedral dalam space group R3c (JCPDS file ) (a = 5,15428 Å, c = 13,78350 Å). Reduksi kimia tidak mempengaruhi struktur kristal. Parameter kisi dan volume unit sel meningkat seiring dengan peningkatan suhu selama proses reduksi. 10 Begitu pun dengan film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam pada penelitian ini memiliki struktur kristal rhombohedral dalam space group R3c (161) (JCPDS file ) (a = 5,1530 Å, c = 13,7550 Å). 31 Parameter kisi film LiTaO 3 dapat dilihat pada Tabel 4.5. Berdasarkan data tersebut, waktu annealing mempengaruhi nilai parameter kisi. Sedangkan LiTaSiO 5 memiliki struktur kristal monoclinic dalam space group P2 1 /c (14) (JCPDS file ) (a = 7,514 Å, b = 7,929 Å, c = 7,445 Å). 32 Parameter kisi LiTaSiO 5 dapat dilihat pada Tabel 4.6. Perhitungan lengkap parameter kisi LiTaO 3 dan LiTaSiO 5 dapat dilihat pada Lampiran 2 dan3. Tabel 4.5 Parameter kisi film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C (rhombohedral) Parameter Waktu annealing (jam) Data JCPDS kisi a (Å) 5,1608 5,1569 5,1588 5,1595 5,1530 c (Å) 13, , , , ,7550 Tabel 4.6 Parameter kisi LiTaSiO 5 setelah proses annealing pada suhu 800 o C (monoclinic) Parameter Waktu annealing (jam) Data JCPDS kisi a (Å) 6,2478 6,2478 6,2478 6,2478 7,5140 b (Å) 7,2785 7,2785 7,2785 7,2785 7,9290 c (Å) 6,1087 6,1087 6,1087 6,1087 7,4450

28 18 Gambar 4.10 Pola XRD film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5. 1 Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa variasi suhu dan waktu annealing mempengaruhi sifat listrik dan optik dari film LiTaO 3 yang ditumbuhkan pada substrat Si (100) tipe-p. Struktur kristal film LiTaO 3 dipengaruhi oleh variasi waktu annealing. Film LiTaO 3 mempunyai sifat yang mirip dengan dioda dan dapat berperan sebagai fotodioda. Selain itu, film LiTaO 3 dapat dijadikan sebagai sensor warna dilihat dari perbedaan nilai arus pada kondisi gelapterang serta menggunakan filter merah, kuning dan hijau. Sensitivitas yang tinggi dari hasil pengukuran arus-tegangan diperoleh karena intensitas absorbansi yang tinggi dan nilai energi bandgap yang besar. Nilai energi bandgap berkisar antara 2,62-3,43 ev yang menunjukkan bahwa film LiTaO3 merupakan semikonduktor.berdasarkan hasil karakterisasi arus-tegangan dan optik, film LiTaO 3 setelah proses annealing pada suhu 800 o C selama 8 jam merupakan yang terbaik karena perbedaan arus terang-gelap paling besar yang disebabkan oleh energi bandgap yang besar. Struktur kristal film LiTaO 3 yang telah disesuaikan dengan data JCPDS menunjukkan struktur rhombohedral dengan parameter kisi yang mendekati nilai dari data JCPDS (a = 5,1530 Å, c = 13,755 Å). Selain itu muncul puncak LiTaSiO 5 yang memiliki struktur monoclinic. 5.2 Saran Pada penelitian selanjutnya diharapkan menumbuhkan film LiTaO 3 pada variasi suhu annealing tidak melebihi suhu Currie (601 5,5) o C dan waktu annealing tidak lebih dari 5 jam agar mendapatkan intensitas puncak kristal LiTaO 3 yang tinggi. Pada saat menumbuhkan film di permukaan spin coater, peneliti hendaknya memperhatikan lebih seksama saat penetesan larutan LiTaO 3 agar menghasilkan ketebalan film yang tidak terlalu bervariasi dengan cara meneteskan larutan pada kedua bagian pinggir dan tengah di permukaan substrat. DAFTAR PUSTAKA 1. Saragih H, Kurniati M, Maddu A, Arifin P dan Barmawi M Penumbuhan film tipis Ti 1-x Co x O 2 dengan metode MOCVD. J. Matematika dan Sains 9 (3): Darmawansyah A, Susanto A dan Litasari Implementasi teknologi hibrid film tebal pada rangkaian filter high pass butterworth orde dua. Teknosains 16B (3): Effendi E H Konduktor film tebal pada rangkaian hybrid-ic. Buletin IPT 1 (5-6):

29 19 4. Irzaman, Maddu A, Syafutra H dan Ismangil A Uji konduktivitas listrik dan dielektrik film tipis lithium tantalate (LiTaO3) yang didadah niobium pentaoksida (Nb 2 O 5 ) menggunakan metode chemical solution deposition. Di dalam : prosiding seminar nasional fisika. hlm Hikam M, Sarwono E dan Irzaman Perhitungan polarisasi spontan dan momen quadrupol potensial listrik bahan PIZT (PbIn x Zr y Ti 1-x-y O 3-x/2 ). Makara, Sains 8 (3): Gonzalez A H M, Simoes A Z, Zaghete M A dan Varela J A Effect of preannealing on the morphology of LiTaO3 thin films prepared from the polymeric precursor method. Materials Characterization 50: Kostritskii S M, Sevostyanov O G, Bourson P, Aillerie M, Fontana M D dan Kip D Comparative study of composition dependences of photorefractive and related effects in LiNbO 3 and LiTaO3 crystal. Ferroelectrics 352: Abedin K S, Sato M dan Ito H Ordinary and extraordinary continuous wave lasing at and m in bulk Nd:LiTaO3 crystal. J. Appl. Phys 78 (2): Gopalan V dan Gupta M C Origin of internal field and visualization of 180 o domains in congruent LiTaO3 crystal. J. Appl. Phys 80 (11): Tao Yan, Feifei Zheng, Yonggui Yu, Shubin Qin, Hong Liu, Jiyang Wang dan Dehong Yu Formation mechanism of black LiTaO3 single crystal through chemical reduction. J. Appl. Cryst 44: Uchino K Ferroelectric Devices. New York : Marcel Dekker, Inc. 12. Irzaman, Darvina Y, Fuad A, Arifin P, Budiman M dan Barmawi M Physical and pyroelectric properties of tantalum oxide doped lead zirconium titanate [Pb (Zr Ti Ta )O 3 ] thin films and its applications for IR sensor. Physica Status Solidi (a) Germany 199 (3): Malvino A V Prinsip-prinsip Elektronika. Jakarta: Salemba Teknika. 14. Sutrisno Elektronika Teori dan Penerapannya. Bandung: Institut Teknologi Bandung. 15. Sze S M Physic of Semikonduktor Devices. New Jersey: Bell Laboratories, Incorporated Murray Hill. 16. Beiser A Konsep Fisika Modern, Edisi keempat. Jakarta: Erlangga. 17. Kwok K N Complete to Semiconductor Devices. New York: McGraw-Hill, Inc. 18. Hillaludin M N Pembuatan sel surya berbasis film tipis Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 (BST) [skripsi]. Bogor: FMIPA, IPB. 19. Kumar V, Sharma S Kr, Sharma T P dan Singh V Bandgap determination in thick films from reflectance measurements. Optical Materials 12: Muktavat K dan Upadhayaya A K Applied Physics. New Delhi: L.K. International publishing House Pvt. Ltd. 21. Frimasto H Sifat optik film tipis bahan ferrolektrik BaTiO 3 yang didadah tantalum (BTT) [skripsi]. Bogor: FMIPA, IPB. 22. Cullity D B Elements of X-Ray Diffraction, 3 rd ed. New Jersey: Prentice Hall Inc. 23. Huriawati F Sintesis film tipis BST didadah niobium dan tantalum serta aplikasinya sebagai sensor cahaya [Tesis]. Bogor: Sekolah Pasca sarjana IPB. 24. Munisa L dan Saleh R Studi disorder lapisan tipis amorf silikon karbon (a-sic:h) hasil deposisi metode DC sputtering. Makara, Sains 6 (2): Hendrawan A Y Sifat optik film tipis Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 doping Fe 2 O 3 [skripsi]. Bogor: FMIPA, IPB. 26. Youssef S, Al Amar R, Podlecki J, Sorli B dan Foucaran A Structural and optical characterization of oriented LiTaO3 thin films deposited by sol-gel technique [abstract]. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 43 (1): Umiati N A K, Irzaman, Budiman M dan Barmawi M Efek annealing pada penumbuhan film tipis ferroelektrik PbZr Ti O 3 (PZT). Kontribusi Fisika Indonesia 12 (4): Suhaldi, Marwoto P dan Sugianto Pengaruh kondisi penumbuhan pada sifat fisis film tipis Ga 2 O 3 dengan doping ZnO [skripsi]. Semarang: Universitas Negeri Semarang. 29. Chaidir A dan Kisworo D Pengaruh pemanasan terhadap struktur mikro, sifat mekanik dan korosi paduan