Pembuatan dan Karakterisasi Film Ba0.4Sr0.6Ti03 Dibandingkan dengan Film Ba0.5Sr0.5Ti03

(1)

iii

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI FILM Ba

0.4

Sr

0.6

Ti0

3

DIBANDINGKAN DENGAN FILM

Ba

_0.5

Sr

_0.5

Ti0

₃

AYUB IMANUEL A.S

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

iii

AYUB IMANUEL A.S. Pembuatan dan Karakterisasi Film Ba

0,4

Sr

0,6

Ti0

3

dibandingkan

dengan Film Ba

0,5

Sr

0,5

Ti0

3

. Dibimbing oleh Dr.Ir.IRZAMAN, M.Si dan FAOZAN S.Si,M.Si.

Abstrak

Penelitian dengan menggunakan film

Ba

0,4

Sr

0,6

TiO

3

(BST) dibandingkan dengan film

Ba

0,5

Sr

0,5

Ti0

3

berdasarkan karakterisasi sifat optik, listrik, dan sensitifitas dengan metode

yang sama yaitu

sol gel

dengan teknik

spin coating

pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30

detik. Proses pembuatan fotodioda Ba

0,4

Sr

0,6

Ti0

3

dengan menumbuhkannya di permukaan

substrat Si(100)

type

-p pada konsentrasi 1 M

dan proses

annealing

pada variasi suhu yaitu

800

o

C, 850

o

C, 900

o

C dengan waktu masing-masing 15 jam. Karakterisasi I-V dilakukan pada

kondisi terang dan gelap dengan

filter

warna hijau, kuning dan merah. Hasil yang diperoleh

menunjukkan bahwa film bersifat fotodioda. Konduktivitas listrik ( ) dengan variasi suhu

800

o

C, 850

o

C, 900

o

C berturut-turut yaitu 0,36 x 10

-4

S/m, 3,77 x 10

-4

S/m, 50,25 x 10-

5

S/m.

Nilai tersebut berada dalam rentang semikonduktor, sehingga film BST yang dihasilkan

merupakan material semikonduktor sedangkan pada karakterisasi konstanta dielektrik

(

�

)

dengan variasi tegangan yaitu 1 volt, 2 volt dan 5 volt yang masing-masing pada suhu 800

o

C,

850

o

C, 900

o

C dapat disimpulkan bahwa konstanta dielektrik bahan semakin besar akibat

bertambahnya tegangan. Karakteristik sifat optik dilakukan pada pengukuran absorbansi dan

reflektansi film. Pada suhu 800

o

C, 850

o

C, 900

o

C berdasarkan kurva absorbansi yang

diperoleh memperlihatkan panjang gelombang yang paling banyak diserap dan dipantulkan

berturut-turut yaitu berkisar 340-430 nm, 345-520 nm, 340-1020 nm.

(3)

iii

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI FILM Ba

0.4

Sr

0.6

Ti0

3

DIBANDINGKAN DENGAN FILM

Ba

0.5

Sr

0.5

Ti0

3

AYUB IMANUEL A.S

Skripsi

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(4)

iii

JUDUL : Pembuatan dan Karakterisasi Film Ba

0.4

Sr

0.6

Ti0

3

Dibandingkan dengan Film

Ba

0.5

Sr

0.5

Ti0

3

NAMA : Ayub Imanuel A.S

NIM : G74061566

Disetujui,

Pembimbing

(

Dr. Ir.IRZAMAN, M.SI

)

(FAOZAN S.SI, M.SI)

Pembimbing I

Pembimbing II

Diketahui,

Ketua Departemen Fisika

Dr. Akhiruddin Maddu

NIP. 196609071988021006

(5)

iii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah

melimpahkan berkat, anugerah serta kasih karunia-Nya kepada saya sebagai penulis

sehingga dapat menyelesaikan hasil penelitian yang berjudul

“

Pembuatan dan

Karakterisasi Film Ba

0.4

Sr

0.6

TiO

3

dibandingkan dengan Film

Ba

0.5

Sr

0.5

TiO

3

”

,

sebagai

salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah

membantu dalam penyelesaian penulisan hasil penelitian ini, yaitu kepada

1. Keluarga (papa, mama, nova, sena, andre) terima kasih atas segala limpahan kasih

sayang dan doa yang senantiasa diberikan.

2. Bapak Dr.Ir. Irzaman, M.SI dan Bapak Faozan S.SI, M.SI selaku Dosen

pembimbing yang telah membimbing, mengarahkan dan senantiasa memberikan

motivasi sehingga tersusunnya skripsi ini.

3. Bapak Ir. Hanedi Darmasetiawan, MS selaku pihak editor atas saran dan

masukannya.

4. Bapak Drs. Mahfuddin Zuhri, MSI yang telah memberikan dukungan dan fasilitas

komputer.

5. Prof.Dr.Ir Bungaran Saragih,Msc,dr. Bona Simanungkalit, Hj Meilani Leimena

yang terus memberikan motivasi dan saran untuk tetap fokus pada bakat dan minat

yang saya miliki.

6. Teman-teman

Cisco

seperjuangan selama di IPB atas segala bantuan, semangat,

kebersamaan yang indah dan tak terlupakan.

7. Teman-teman kesekretariatan GMKI cabang Bogor yang menghadirkan tawa dan

semangat.

8. Rekan-rekan fisika angkatan 42,43, 44, 45, dan 46 serta fisika S2

Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan hasil penelitian

ini. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak agar dapat

memperbaiki penulisan hasil skripsi kedepannya.

Bogor, 6 Februari 2012

(6)

iii

RIWAYAT HIDUP

Penulis terlahir dari pasangan Adat Jonatan

Subakti dan Darmita Vionelita P di Bandung pada

tanggal 16 April 1988. Penulis merupakan anak

kedua dari empat bersaudara.

Lulus dari SMA Negeri 1 Ciruas, penulis

melanjutkan studinya di Institut Pertanian Bogor,

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Jurusan Fisika pada tahun 2006 lewat jalur SPMB

(Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru).

Selama kuliah, penulis pernah aktif dikegiatan eksternal kampus sebagai anggota

(7)

vi

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI ...vi

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL... ix

DAFTAR LAMPIRAN ... x

BAB I. PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 1

1.3 Perumusan Masalah ... 1

1.4 Hipotesis ... 1

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Material Ferroelektrik ... 1

2.2 Domain ... 2

2.3 Polarisasi Saturasi (Ps) ... 2

2.4 Polarisasi Remanen (Pr) ... 2

2.5 Medan Koersif (EC) ... 2

2.6 Barium Stronsium Titanat (BaxSr1-xTiO3) ... 2

2.7 Substrat-Si (Silikon) ... 3

2.8 Dioda... 3

2.9 Fotodioda ... 4

2.10 Metode Chemical Solution Deposition ... 5

2.11 Metode Volumetric ... 6

2.12 Kapasitor dan Konstanta Dielektrik... 6

2.13 Time Constant ... 7

2.14 Spektroskopi Optik ... 8

2.15 Hasil Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Ba0.5Sr0.5Ti03 ... 9

2.16 Hasil Karakterisasi I-V meter Film Ba0.5Sr0.5Ti03 ... 11

2.17 Hasil Karakterisasi Reflektansi dan Absorbansi Film Ba0.5Sr0.5Ti03 ... 11

2.18 Hasil Karakterisasi Konduktivitas Listrik Film Ba0.5Sr0.5Ti03... 12

BAB III. BAHAN DAN METODE ... 12

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 12

3.2 Alat dan Bahan ... 12

3.3 Metode Penelitian ... 12

3.3.1 Pembuatan film Ba0,4Sr0,6TiO3 murni ... 12

3.3.3 Proses penumbuhan film BST murni ... 13

3.3.4 Proses annealing ... 13

3.3.5 Pembuatan kontak pada film BST ... 13

3.3.6 Metode karakterisasi ... 13

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN... 14

4.1 Karakterisasi Absorbansi dan Reflektansi ... 14

4.1.1 Perhitungan nilai energy gap ... 15

4.2 Karakterisasi Arus Tegangan ... 16

4.3 Karakterisasi Konduktivitas Listrik ... 17

(8)

vii

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 22

5.1 Kesimpulan ... 222

5.2 Saran ... 22

DAFTAR PUSTAKA ... 23

(9)

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Kurva histerisis sifat BST ... 2

Gambar 2. Struktur Ba0,25Sr0,75TiO3 ... 3

Gambar 3. Struktur dua dimensi kristal silikon ... 3

Gambar 4. Struktur pasangan elektron –hole dioda ... 4

Gambar 5. Forward bias dan reversed bias ... 4

Gambar 6. Karakteristik dioda ... 4

Gambar 7. Penampang melintang fotodioda. ... 5

Gambar 8. Keadaan fotodioda persambungan p-n ... 5

Gambar 9. Spin coater ... 6

Gambar 10. Kapasitor keping sejajar ... 6

Gambar 11. Rangkaian pengisian muatan pada kapasitor ... 8

Gambar 12. Hubungan konstanta dielektrik dan film BST murni ... 9

Gambar 13. Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 1 volt ... 9

Gambar 16. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat A ... 11

Gambar 17. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat B ... 11

Gambar 18. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat C ... 11

Gambar 19. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat D ... 11

Gambar 20. Hubungan antara absorbansi dan panjang gelombang ... 11

Gambar 21. Hubungan antara reflektansi dan panjang gelombang ... 11

Gambar 22. Indeks bias film BST murni ... 12

Gambar 23. Hubungan konduktivitas listrik dan waktu annealing film Ba0,5Sr0,5Ti03 ... 12

Gambar 24. Proses annealing ... 13

Gambar 25. Prototype sel fotovoltaik tampak atas ... 13

Gambar 26. Rangkaian penentu konstanta dielektrik film BST murni ... 13

Gambar 27. Spektrum absorbansi BST terhadap panjang gelombang ... 15

Gambar 28. Spektrum reflektansi BST terhadap panjang gelombang ... 15

Gambar 29. Hubungan ln[(Rmax-Rmin)/(R-Rmin)]2 dan energy gap pada suhu 800oC... 15

Gambar 30. Hubungan ln[((Rmax-Rmin)/(R-Rmin)] 2 dan energy gap pada suhu 850oC ... 16

Gambar 31. Hubungan ln[(Rmax-Rmin)/(R-Rmin)]2 dan energy gap pada suhu 900oC... 16

Gambar 32. Hubungan energy gap dan suhu ... 16

Gambar 33. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) BST pada kondisi terang dan gelap .... 16

Gambar 34. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat A ... 17

Gambar 35. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat B ... 17

Gambar 36. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat C ... 17

Gambar 37. Hubungan konduktivitas listrik dan suhu film Ba0,4Sr0,6Ti03 ... 17

Gambar 38. Sinyal keluaran osiloskop pada suhu film BST 800oC... 19

(10)

ix

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Panjang gelombang berdasarkan spektrum cahaya tampak ... 8 Tabel 2. Nilai konstanta dielektrik film BST murni ... 9 Tabel 3. Nilai konduktivitas film BST murni berdasarkan perbedaan

waktu annealing ... 12 Tabel 4. Perbandingan karakterisasi absorbansi dan reflektansi

film Ba0,4Sr0,6Ti03 dan Ba0,5Sr0,5Ti03 ... 15

Tabel 5. Nilai konduktivitas film Ba0,4Sr0,6Ti03 berdasarkan

perbedaan suhu annealing ... 17 Tabel 6. Perbandingan karakterisasi konduktivitas film

Ba0,4Sr0,6Ti03 dan Ba0,5Sr0,5Ti03 ... 18

Tabel 7. Hasil karakterisasi konstanta dielektrik

(11)

Lanjutan lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V) a.Data karakterisasi substrat 800oC

x

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Diagram alur kerja penelitian... 26

Lampiran 2. Data karakterisasi arus tegangan (I-V) ... 27

Lampiran 3. Data substrat film Ba0,4Sr0,6Ti03 ... 32

Lampiran 4. Pengolahan data konstanta dielektrik ... 33

(12)

Lanjutan lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V) a.Data karakterisasi substrat 800oC

BAB I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Di era globalisasi sekarang ini, semakin pesatnya perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di dunia hal ini dimanfaatkan dan dikembangkan oleh manusia untuk dapat membantu pekerjaan mereka sehingga dapat menyelesaikan segala aktivitas dengan lebih mudah dan efisien. Oleh karena itu, setiap manusia terutama mahasiswa dituntut agar mampu beradaptasi dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi tersebut. Bidang elektronik saat ini memegang peranan

penting diberbagai sektor pembangunan

terutama ilmu pengetahuan dan teknologi. Hal ini menyebabkan banyak orang melakukan penelitian dan pembuatan alat-alat serta

komponen-komponen elektronika yang

diharapkan mempunyai sifat dan karakteristik

tertentu.Penelitian yang belakangan ini

menarik perhatian para ahli fisika yaitu material ferroelektrik karena material ini bisa dikembangkan lebih lanjut terhadap device

generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Material ferroelektrik, terutama yang didasari oleh campuran barium stronsium titanat (BST), diharapkan memiliki energi yang tinggi karena memiliki konstanta dielektrik dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi sehingga banyak digunakan sebagai FRAM (ferroelectric random access memory) selain itu sifat histerisis dan konstanta dielektriknya yang tinggi dapat diterapkan

pada sel memori dynamic random acsess

memory (DRAM) dengan kapasitas

penyimpanan melampaui 1 Gbit [1]. Sifat piezoelektriknya dapat digunakan sebagai

mikroaktuator dan sensor, sifat piroelektrik dapat diterapkan pada infrared sensor, sifat

polaryzability dapat diterapkan sebagai non volatile ferroelektrik random acsess memory

(NVRAM), serta sifat electro-optic dapat digunakan dalam switch thermal infrared [2].

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan umum penelitian ini adalah

membuat film BST murni ferrolektrik

Ba0,4Sr0,6TiO3 murni dengan menggunakan

metode chemical solution deposition (CSD) yang kemudian diuji karakteristik sensor cahaya dan sensor suhu dari film BST murni yang dibuat.

Tujuan khusus hasil penelitian ini adalah:

1. Melakukan karakterisasi arus–tegangan (I-V). 2. Menguji sifat reflektansi dan absorbansi. 3. Menentukan konstanta dielektrik dan waktu

konstantnya.

4. Menguji sifat konduktivitas listrik.

1.3 Perumusan Masalah

1. Bagaimanakah hasil karakterisasi film

Ba0,4Sr0,6TiO3 murni yang dihasilkan terhadap

uji sifat listriknya ( I-V, konduktivitas, absorbansi dan reflektansi serta konstanta

dielektrik) dibandingkan dengan film

Ba0,5Sr0,5TiO3 murni ?

2. Apakah pembuatan film Ba0,4Sr0,6TiO3 murni

dipermukaan substrat silikon type-p dengan variasi waktu tetap yaitu 15 jam pada suhu yang berbeda yaitu 800oC, 850oC, 900oC akan dihasilkan film yang memiliki sensitifitas dan sifat histerisis yang lebih baik dibandingkan film Ba0,5Sr0,5TiO3 murni ?

1.4 Hipotesis

1. Pembuatan film Ba0,4Sr0,6TiO3 murni

dipermukaan substrat silikon type-p dengan variasi waktu tetap yaitu 15 jam pada suhu yang berbeda yaitu 800oC, 850oC, 900oC pada karakterisasi I-V, konduktivitas, absorbansi dan reflektansi serta konstanta dielektrik lebih baik dibandingkan film Ba0,5Sr0,5TiO3 murni

karena komposisi faktor molarnya lebih banyak.

2. Pembuatan film Ba0,4Sr0,6TiO3 murni

dipermukaan substrat silikon type-p dengan variasi waktu tetap yaitu 15 jam pada suhu yang berbeda yaitu 800oC, 850oC, 900oC akan dihasilkan film yang memiliki sensitifitas dan sifat histerisis yang lebih baik dibandingkan film Ba0,5Sr0,5TiO3 murni.

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Material Ferroelektrik

Material ferroelektrik memiliki

kemampuan untuk mengubah arah listrik

internal, dapat terpolarisasi secara spontan dan menunjukkan efek histerisis yang berkaitan

dengan pergeseran dielektrik dalam

(13)

ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu

material ferroelektrik [1], selain itu

ferroelektrik merupakan material yang

memiliki polarisasi listrik dengan adanya medan listrik eksternal, polarisasi ini dapat dihilangkan dengan memberikan medan listrik eksternal yang arahnya berlawanan. Sifat listrik yang ditunjukkan material ini berkaitan dengan sifat listrik mikroskopiknya. Jika jumlah muatan dikali jarak semua elemen dari sel satuan tidak nol maka sel akan memiliki momen dipol listrik. Kurva hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E) ditunjukkan pada Gambar 1. Ketika kuat medan listrik ditingkatkan maka polarisasi meningkat cepat (OA) hingga material akan mengalami kondisi saturasi (AB), jika nilai kuat medan listrik mengalami penurunan, polarisasinya tidak kembali lagi ke titik O, melainkan mengikuti garis BC, ketika medan listrik tereduksi menjadi nol, maka material memiliki polarisasi remanan (Pr) (OC), untuk menghapus nilai polarisasi dapat dilakukan dengan menggunakan sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan koersif (Ec),jika medan listrik kemudian dinaikkan kembali, maka material akan kembali mengalami saturasi, yang bernilai negatif (EF). Putaran kurva menjadi lengkap jika medan listrik dinaikkan lagi yang akhirnya didapatkan suatu kurva hubungan polarisasi (P)

Gambar 1. Kurva histerisis sifat BST

dengan medan koersif (Ec) yang ditunjukan

loop histerisis [3]. Luasan dalam kurva histerisis ini berbanding lurus dengan energi yang didisipasikan dalam proses irreversible

pemagnetan dan penghilangan sifat magnet [4].

2.2 Domain

Dalam kristal ferroelektrik, terdapat suatu daerah yang memiliki orientasi dipol yang seragam, yang disebut domain. Struktur dan sifat domain memegang peranan penting dalam penentuan sifat bahan ferroelektrik [5].

2.3 Polarisasi Saturasi (Ps)

Polarisasi saturasi tercapai pada saat seluruh arah orientasi domain searah dengan medan listrik eksternal. Pada keadaan ini nilai polarisasinya tetap walaupun medan listrik eksternal bertambah besar.

2.4 Polarisasi Remanen (Pr)

Polarisasi remanen adalah nilai polarisasi Ύ pada bahan ferroelektrik walaupun sudah tidak lagi dipengaruhi medan listrik.

2.5 Medan Koersif (EC)

Medan koersif pada bahan ferroelektrik adalah medan yang diperlukan untuk merubah polarisasinya dari nilai polarisasi remanen menjadi nol (P=0). Nilai medan koersif suatu bahan bergantung dari banyak parameter antara lain perlakuan suhu dan perlakuan listrik suatu bahan.

2.6 Barium Stronsium Titanat (BaxSr 1-xTiO3)

Material yang digunakan dalam

pembuatan lapisan BST murni ini adalah BaxSr1-xTiO3 (BST). BST merupakan bahan

yang memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, serta kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi. Pembuatan BST dapat menggunakan peralatan yang cukup sederhana, biaya murah dan dilakukan dalam waktu yang relatif

singkat. BST memiliki potensi untuk

menggantikan film BST murni SiO2 pada

rangkaian metal oxide semikonduktor (MOS) namun konstanta dielektrik yang dimiliki oleh BST tersebut masih rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya. Hal ini berkaitan dengan ukuran mikro, tingkat tekanan yang baik, kekosongan oksigen, formasi lapisan

interfacial dan oksidasi pada silikon

[6].Struktur BST sendiri berbentuk kubus seperti pada Gambar 2. Ion barium (Ba2+) terletak di ujung rusuk kubus, ion titanium (Ti4+) terletak pada diagonal ruang sedangkan ion oksigen terletak pada diagonal bidang unit

sel yang berbentuk kubus.

Barium stronsium titanat juga banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik yang tinggi dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi. BST dapat diaplikasikan dalam berbagai macam piranti seperti konstanta dielektrik yang tinggi sehingga BST dapat digunakan sebagai

DRAMs (dynamic access random memories)

dan juga dapat diaplikasikan dalam pembuatan

multi-layer capasitor (MLC), selain itu BST juga memiliki kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity), kebocoran arus yang rendah (low leakage

current) dan memiliki kekuatan breakdown

yang tinggi pada suhu curie yang dapat diaplikasikan sebagai NVRAM (non volatile

random access memories) dan FRAM

(ferroelectric random access memories). Suhu Curie material barium titanat murni

(14)

stronsium, suhu barium titanat menurun menjadi suhu kamar [7]. Film BST murni dapat dibuat dengan berbagai teknik antara lain

chemical solution deposition sputtering, laser ablasi, MOCVD dan proses sol gel [8]. Persamaan reaksi BST ialah :

0,25Ba(CH3COO)2+0,75Sr(CH3COO)2+Ti(C12

H28O4)+22O2→Ba0,25Sr0,75TiO3 +H2O + 16CO2

Gambar 2. Struktur Ba0,25Sr0,75TiO3

(a) Polarisasi ke atas (b) Polarisasi kebawah

2.7 Substrat-Si (Silikon)

Silikon adalah unsur yang paling

melimpah di kerak bumi setelah oksigen. Sebagian besar unsur bebas silikon tidak ditemukan di alam. Oleh karena itu, silikon dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan pasir dengan karbon yang berkualitas tinggi. Silikon untuk pengunaan semikonduktor dimurnikan lebih lanjut dengan metode pelelehan berzona kristal czochralski. Kristal silikon ini memiliki kilap logam dan mengkristal dengan struktur intan [9].

Silikon oksida (SiO2) digunakan sebagai gate dielektrik karena bentuk non kristal (amorphous) yang sesuai dengan insulator, dengan daya tahan terhadap medan listrik yang tinggi (sekitar 10 MV/cm), kestabilan terhadap panas dan lebih lagi karena kualitas interlayer

Si/SiO2 yang tinggi (jumlah muatan yang

terjebak dalam interlayer (<1011/cm). Kualitas Si/SiO2 ini penting karena merupakan bagian

(nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk

ikatan kovalen dengan ion-ion atom

tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0 K), struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada Gambar 3.

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan

semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik.

Gambar 3. Struktur dua dimensi kristal silikon

Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi kalor, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya namun hanya sedikit yang dapat

terlepas, sehingga tidak memungkinkan

menjadi konduktor yang baik [11].

2.8 Dioda

Dioda adalah sambungan p-n yang

berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan

type-p akan menjadi sisi anoda sedangkan bahan type-n akan menjadi katoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, dioda bisa berlaku sebagai sebuah

saklar tertutup apabila bagian anoda

mendapatkan tegangan positif sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif dan berlaku sebagai saklar terbuka apabila bagian

anoda mendapatkan tegangan negatif

sedangkan katoda mendapatkan tegangan positif. Kondisi tersebut terjadi hanya pada dioda ideal. Pada dioda faktual (riil), perlu tegangan lebih besar dari 0,7 V (untuk dioda yang terbuat dari bahan silikon). Tegangan sebesar 0,7 V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Dioda yang dibuat dari bahan germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3 V [12].

Pada saat dioda tidak diberikan panjar

tegangan (unbiased) seperti ditunjukkan

Gambar 2.4, terjadi difusi elektron ke segala arah pada setiap tepi-tepi semikonduktor. Beberapa difusi melewati junction, sehingga terbentuk ion positif pada daerah n dan ion negatif pada daerah p, jika ion-ion ini bertambah banyak, maka daerah di sekitar

junction akan terjadi kekosongan dari elektron bebas dan hole. Daerah ini disebut dengan

depletion region. Pada suatu saat, depletion region akan berlaku sebagai penghalang bagi elektron untuk berdifusi lanjut melalui

(15)

Jika dioda diberi tegangan seperti pada Gambar 5, yaitu kutub positif baterai dihubungkan dengan bahan type-p dan kutub negatifnya dihubungkan dengan bahan type-n, maka rangkaian ini disebut dengan forward biased atau prategangan maju,bila tegangan ini melebihi tegangan yang diakibatkan oleh

daerah pengosongan maka forward biased

dapat menghasilkan arus yang besar.Kutub negatif sumber dapat mendorong elektron pada bahan type-n menuju junction. Elektron ini dapat melewati junction dan jatuh ke dalam

hole.

Gambar 4. Struktur pasangan elektron

(a) kondisi awal,(b) kondisi setelah terjadi difusi elektron, (c) daerah pengosongan

Gambar 5. Forward bias dan reversed bias

Keterangan : pada gambar sebelah kiri forward bias dan sebelah kanan reversed bias

bila ini terjadi, elektron akan dapat terus bergerak melalui hole pada bahan type-p yang ada menuju kutub positif baterai.

Sebaliknya, jika sumber tegangan tersebut dibalik polaritasnya, maka rangkaian yang tampak pada Gambar 5. itu disebut dengan pengosongan semakin besar sehingga beda

potensialnya mendekati harga sumber

tegangan. Namun pada situasi ini, masih terdapat arus kecil, arus pembawa minoritas,

atau disebut arus balik (reverse current),

disamping itu juga terdapat low leakage

current (LLC). Jika keadaan ini terus berlanjut, akan tercapai titik pendobrakan, yang disebut dengan breakdown voltage.

Jika sebuah dioda dihubungkan dengan sumber tegangan Vin, yang dapat diubah-ubah

besarnya, maka akan didapat tegangan (Vd)

dan arus (Id) pada dioda yang berbeda-beda

pula dengan menghubungkan titik-titik

tegangan dan arus dioda. Pada saat dibalik tegangan panjarnya, maka akan didapat grafik dioda seperti pada Gambar 6, hal ini menjelaskan karakteristik dioda yaitu sebagai komponen non-linear bila diberikan forward biased dioda menjadi sangat tidak konduktif sebelum tegangannya melampaui potensial

barrier, sehingga arusnya sangat kecil. Ketika

tegangannya mendekati potensial barrier,

pasangan elektron-hole mulai melintasi

junction diatas 0,7 volt, biasa disebut tegangan lutut (knee voltage), Vg, atau tegangan offset,

dioda menjadi sangat konduktif dan

mengalirkan arus yang besar. Semakin besar tegangannya, maka arus bertambah semakin cepat. Hal ini menunjukkan, bahwa dioda memiliki tahanan tertentu, disebut tahanan bulk (bulk resistance). Sebaliknya, pada saat dioda dalam bentuk reverse biased, terdapat arus balik yang sangat kecil,jika tegangan ini ditambah, akan dicapai tegangan breakdown, sehingga terjadi peningkatan arus yang sangat besar yang dapat merusakkan dioda, sehingga perlu hati-hati dalam hal memberikan tegangan dioda, agar tidak sampai ke daerah breakdown.

Gambar 6. Karakteristik dioda

2.9 Fotodioda

(16)

ditumbuhkan di permukaan substratyang akan

menghasilkan persambungan p-n. Ketebalan

lapisan yang ditumbuhkan biasanya 1 µm atau lebih kecil pada daerah persambungan

lapisan-p dan lapisan-n tedapat daerah deplesi. Daerah spektral dan frekuensi aktif dari fotodioda bergantung pada ketebalan lapisan atau doping

[13]. Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron dalam struktur kristalnya akan terstimulus. Jika energi cahaya lebih besar daripada energy gap

(Eg), elektron akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan hole pada pita valensi. Pada Gambar 8 menunjukkan keadaan fotodioda persambungan p-n, dapat dilihat pasangan elektron-hole terjadi pada lapisan-p dan lapisan-n.

Gambar 7. Penampang melintang fotodioda.

Gambar 8. Keadaan fotodioda persambungan p-n.

di dalam lapisan deplesi, medan listrik mempercepat elektron-elektron ini menuju lapisan-n dan hole menuju lapisan-p. Pasangan elektron - hole dihasilkan di dalam lapisan-n, bersamaan dengan elektron yang datang dari

lapisan-p yang bersama-sama menuju pita

konduksi di sebelah kiri (pita konduksi). Pada saat itu juga hole didifusikan melewati lapisan deplesi dan akan dipercepat, kemudian hole ini akan dikumpulkan pada pita valensi

lapisan-p.Pasangan elektron-hole yang dihasilkan sebanding dengan cahaya yang diterima oleh lapisan-p dan lapisan-n. Muatan positif dihasilkan pada lapisan-p dan muatan negatif pada lapisan-n. Jika lapisan-p dan lapisan-n

dihubungkan dengan rangkaian terbuka (I = 0), elektron akan mengalir dari lapisan-n dan hole

akan mengalir dari lapisan-p [13].

2.10 Metode Chemical Solution Deposition

Film BST murni yang memiliki ketebalan sekitar satu mikron ideal biasanya digunakan pada berbagai sensor. Pembuatan film BST murni ini dapat dilakukan dengan cara

sputtering, metal organic vapour deposition

(MOCVD) dan variasi metode chemical

solution deposition. Metode chemical solution deposition (CSD) merupakan cara pembuatan film dengan pendeposisian larutan bahan kimia di permukaan substrat, yang dipreparasi dengan spin coating pada kecepatan putar tertentu,yang biasanya digunakan kecepatan putar 3000 rpm.

Spin coating seperti yang terlihat pada Gambar 9 adalah cara yang mudah dan efektif dalam pelapisan film di permukaan substrat datar. Spin coating merupakan teknik pelapisan bahan dengan cara menyebarkan larutan ke permukaan substrat kemudian diputar dengan kecepatan tertentu yang konstan untuk

memperoleh lapisan baru yang homogen. Spin

coating melibatkan akselerasi dari genangan cairan di substrat yang berputar. Material pelapis di deposisi di tengah substrat. Proses

spin coating dapat dipahami dengan reologi atau perilaku aliran larutan pada piringan substrat yang berputar. Mula-mula aliran volumetrik cairan dengan arah radial substrat yang bervariasi terhadap waktu.

Pada saat t=0, penggenangan awal dan pembasahan menyeluruh pada permukaan substrat (tegangan permukaan diminimalisasi yakni tidak adanya getaran, noda kering dan sebagainya). Piringan lalu dipercepat dengan kecepatan rotasi yang spesifik sehingga menyebabkan bulk dari cairan terdistribusi

secara merata [14]. Ilmu fisika yang

melatarbelakangin melibatkan kesetimbangan antara gaya sentrifugal yang diatur oleh kecepatan putar dan viskositas. Beberapa parameter dalam spin coating adalah

1. viskositas larutan

2. kandungan padatan

3. kecepatan sudut 4. waktu putar

Proses pembentukan film dipengaruhi oleh

dua parameter bebas yaitu kecepatan putar dan viskositas. Rentang ketebalan film yang dihasilkan oleh spin coating adalah 1-200µm. Salah satu keuntungan metode CSD adalah sangat fleksibel untuk komposisi material apapun, sejak persiapan larutan precursor

prosesnya cepat dan tiap komposisi material

yang diinginkanuntuk dicampur pada

komponen awal dengan nisbah yang

(17)

Gambar 9. Spin coater

2.11 Metode Volumetric

Metode ini dapat dipakai dengan tepat jika

film BST murni yang

ditumbuhkandipermukaan substrat terdeposisi secara merata. Metode ini dilakukan dengan cara menimbang massa substrat sebelum dilapisi film BST murni dan menimbang substrat setelah perlakuan annealing dan terdapat film BST murni di permukaan substrat, sehingga didapatkan massa film BST murni yang terdeposisi pada permukaan substrat. Ketebalan film BST murni dari metode ini menggunakan rumus (2.1) :

2.12 Kapasitor dan Konstanta Dielektrik

Kapasitor adalah piranti yang berfungsi untuk menyimpan muatan dan energi listrik.

Kapasitor terdiri dari 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 10. 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 [13]. Kemampuan material untuk polarisasi

dinyatakan sebagai permisivitas dan

permitivitas relatif ( ) adalah nisbah antara permitivitas material (ε) dengan permitivitas vakum (ε0). Nilai konstanta dielektrik

merupakan material yang dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan [16]. Contoh perhitungan konstanta dielektrik dapat

dilakukan dengan persamaan (2.2) sebagai berikut : kapasistansi substrat BST (F). Nilai maksimum terlihat pada persamaan (2.3) dan (2.4) yaitu terjadi pada saat

�=�0, (2.3)

Keterangan :e yaitu muatan elektron yang besarnya 1,602 x 10-19 C, sehingga

�0

=�₀ −τ/ _(2.4)

dengan menggunakan persamaan yaitu pada saat kapasitor terisi penuh secara eksponensial [17], maka nilai kapasitansi didapatkan : sehingga didapat hubungan melalui persamaan (2.5) dan (2.6) yaitu:

= 5 RC (2.5)

(18)

Dari hubungan =�_��_� (2.6)

sehingga diperoleh konstanta dielektrik film BST murni seperti pada persamaan :

ĸ=

sebagai konstanta waktu merupakan waktu yang dibutuhkan muatan untuk berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya yang biasanya disimbolkan dengan dan dirumuskan sebagai = RC [4]. Pada kapasitor, muatan disimpan

dalam material dielektrik yang mudah

terpolarisasi dan mempunyai tahanan listrik yang tinggi sekitar 1011 ohm untuk mencegah aliran muatan di antara pelat kapasitor. Kapasitor dapat digunakan untuk pengisian dan pengosongan muatan. Proses pengisian muatan pada kapasitor dapat dianalisis seperti pada Gambar 11. Asumsikan mula-mula kapasitor tidak bermuatan. Saklar, terbuka pada awalnya, ditutup pada saat t = 0. Muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positif kapasitor. Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus

rangkaian adalah I, aturan simpal ketika muatan pada kapasitor meningkat seperti pada persamaan (2.10) :

�= +

� (2.10) Keterangan : t yaitu waktu (s)

Substitusikan persaman (2.10) ke (2.9) sehingga didapatkan persamaan (2.11) :

�=

� + (2.11)

pada saat t=0, muatan (Q) pada kapasitor nol dan arusnya I0 = ε/R. Muatan lalu bertambah dan arus berkurang, seperti tampak pada persamaan (2.9). Muatan mencapai maksimum

Qf = Cεketika arus I sama dengan nol.

Persamaan (2.11) diubah menjadi bentuk persamaan (2.12) :

� = � − (2.12)

Lalu pisahkan variabel-variabel Q dan t dengan mengalikan tiap sisi dengan dt/RC dan

membaginya dengan Cε – Q seperti persamaan

(2.13) :

�− =

�

(2.13)

dengan mengintegralkan tiap sisi diperoleh persamaan (2.14) :

-ln (Cε-Q)= t/RC+ A (2.14) Keterangan : A adalah konstanta sembarang

dengan mengeksponensialkan persamaan (2.14) didapat persamaan (2.15) dan (2.16) :

� − = − −�� = −� (2.15) persamaan (2.15) sehingga menghasilkan persamaan (2.17) dan (2.18) yaitu :

0 = Cε – B (2.17)

atau

B = Cε (2.18)

dengan mensubstitusikan persamaan (2.16) ke persamaan (2.15) maka didapat persamaan (2.19) yaitu :

= � 1− −� = 1− −�� (2.19)

Keterangan : Qf = Cε adalah muatan akhir.

Arus diperoleh dengan mendifferensialkan

persamaan (2.19) sehingga didapatkan

(19)

�=

Gambar 11. Rangkaian pengisian muatan pada kapasitor

Sifat optik suatu material semikonduktor diketahui dapat digunakan untuk menentukan lebar celah pita energi (energy gap). Proses absorpsi terjadi ketika foton dengan energi

lebih besar dari celah pita energi

semikonduktor terserap oleh material. Proses ini biasanya menghasilkan pasangan elektron -hole[12]. Sifat optik dapat diketahui juga dari spektrum reflektansi, nilai reflektansi film BST diperoleh dalam bentuk spektrum reflektansi (%) terhadap panjang gelombang ( ) [18]. Pada semikonduktor, koefisien absorpsi (α) merupakan fungsi dari panjang gelombang atau energi foton, ditunjukkan berdasarkan Persamaan (2.4) dan (2.5) :

Keterangan : hv adalah energi foton (eV) pada substart BST, γ adalah konstanta dan Eg yaitu energy gap (eV) pada substrat BST.

Terdapat dua jenis transisi dari pita ke pita yaitu diizinkan (allowed) dan terlarang (forbidden). Untuk material dengan energy gap

yang langsung, transisi kebanyakan terjadi antara dua pita yang memiliki nilai κ yang sama, Transisi langsung yang diizinkan dapat terjadi pada seluruh nilai κ, sedangkan transisi langsung yang terlarang hanya dapat terjadi pada saat κ ≠ 0. Untuk transisi langsung perkiraan nilai γ sebesar 1/2 dan 3/2 secara berurutan untuk yang diizinkan dan terlarang [19]. Untuk κ = 0, energy gap didefinisikan hanya transisi yang diizinkan (γ = 1/2) yang terjadi dan ini digunakan untuk menentukan

energy gap secara eksperimen. Pada transisi

tidak langsung berperan dalam

mempertahankan momentum. Pada transisi ini, tiap fonon (dengan energi Ep) ada yang diserap dan ada yang diemisikan, dan koefisien absorpsi(α)dapat dimodifikasi.

Energy gap film BST dapat dihitung

menggunakan metode Tauc, seperti yang telah

dilakukan [20,4]. Metode Tauc ini

menggunakan hubungan koefisien absorbansi dengan energi foton yang datang pada film BST. Beberapa penelitian yang telah dilakukan sebelumnya menyebutkan bahwa koefisien absorbansi sebanding dengan nilai dari

ln[(Rmax – Rmin)/(R – Rmin)] seperti

ditunjukkan pada persamaan (2.6) :

2αt = ln[(Rmax –Rmin)/(R –Rmin)] (2.24) Keterangan : t yaitu ketebalan film (m), Rmax dan Rmin nilai maksimum dan minimum dari reflektansi film BST dan R nilai reflektansi yang bersesuaian dengan energi foton. Dengan memplotkan nilai (αhυ)2 pada sumbu-y dan (hυ) pada sumbu-x akan didapatkan garis lurus

pada rentang energygap tertentu, dengan

mengekstrapolasi garis lurus ini pada saat nilai dari [ln {(Rmax – Rmin)/(R – Rmin)}]2 = 0, didapatkan kisaran energy gapdari film BST [20, 4].

(20)

2.15 Hasil Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Ba0.5Sr0.5Ti03

Pada penelitian yang dilakukan

sebelumnya didapat konstanta dielektrik Film Ba0.5Sr0.5Ti03 yaitu

Tabel 2. Nilai konstanta dielektrik film BST murni

Gambar 12. Hubungan konstanta dielektrik dan waktu annealing film Ba0,5Sr0,5Ti03

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Gambar13. Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 1 volt

a) Sinyal keluaran sebelum film BST murni

dipasang.

b) Sinyal keluaran setelah film BST murni 8 jam

annealing dipasang

c) Sinyal keluaran setelah film BST murni 15 jam

d) Sinyal keluaran setelah film BST murni 22 jam

e) Sinyal keluaran setelah film BST murni 29 jam

(21)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Gambar 14. Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 3 volt

a) Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.

b) Sinyal keluaran setelah film BST 8 jam

c) Sinyal keluaran setelah film BST 15 jam

d) Sinyal keluaran setelah film BST 22 jam

e) Sinyal keluaran setelah film BST 29 jam

(a)

(b)

(c)

(22)

(e)

Gambar 15. Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 5 volt

a) Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.

b) Sinya keluaran setelah film BST 8 jam

c) Sinyal keluaran setelah film BST 15 jam

d) Sinyal keluaran setelah film BST 22 jam

e) Sinyal keluaran setelah film BST 29 jam

2.16 Hasil Karakterisasi I-V meter Film Ba0.5Sr0.5Ti03

Pada penelusuran literatur, didapat

karakterisasi I-V meter pada Film

Ba0.5Sr0.5Ti03 yaitu

Gambar 16. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat A

Gambar 17. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat B

Gambar 18. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat C

Gambar 19. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat D

2.17 Hasil Karakterisasi Reflektansi dan Absorbansi Film Ba0.5Sr0.5Ti03

karakterisasi reflektansi dan absorbansi pada film Ba0.5Sr0.5Ti03 yaitu

Gambar 20. Hubungan absorbansi dan panjang gelombang

Gambar 21. Hubungan reflektansi dan panjang gelombang.

(23)

Gambar 22. Indeks bias film BST murni

2.18 Hasil Karakterisasi Konduktivitas Listrik Film Ba0.5Sr0.5Ti03

karakterisasi reflektansi dan absorbansi pada Film Ba0.5Sr0.5Ti03 yaitu

Tabel 3. Nilai konduktivitas film BST murni berdasarkan perbedaan waktu annealing

Film BST murni Ko duktivitas listrik σ S/c

Annealing 8 jam 1,49 x 10-5

Annealing 15 jam 2.05 x 10-5

Gambar 23. Hubungan konduktivitas listrik dan waktu annealing film Ba0,5Sr0,5Ti03

BAB III. BAHAN DAN METODE

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium

Material dan Laboratorium Biofisika,

Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian

Bogor dan Laboratorium MOCVD,

Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung dari bulan April 2011 sampai dengan bulan Januari 2012.

3.2 Alat dan Bahan

Alat yang akan digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik model BL 6100, reaktor spin coater, mortal, pipet,pinset, gelas ukur 10 ml, hot plate, gunting, spatula,

stopwatch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petris, tissue, isolasi, LCR meter, I-V meter, osiloskop, potensiometer, hambatan 10 kΩ dan 100 kΩ.

Bahan yang digunakan dalam penelitian

ini adalah bubuk barium asetat

[Ba(CH3COO)2, 99%], stronsium asetat

[Sr(CH3COO)2, 99%], titanium isopropoksida

[Ti(C12O4H28), 97.999%], 2-metoksietanol,

substrat Si (100) type-p, aquades, HF (asam florida), kaca preparat dan alumunium foil

3.3 Metode Penelitian

Gambar 12 memperlihatkan skema

diagram alir penelitian pembuatan film BST

murni, adapun penjelasan tahap-tahap

lengkapnya sebagai berikut :

3.3.1 Pembuatan film Ba0,4Sr0,6TiO3 murni

Substrat yang digunakan adalah substrat Si (100) type-p. Substrat dipotong membentuk segiempat berukuran 0.5 cm x 0.5 cm dengan menggunakan mata intan. Kebersihan substrat sebagai tempat penumbuhan film BST murni perlu dijaga agar film BST murni dapat tumbuh baik dan merata. Substrat Si(100) 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 permukaan spin

coating untuk membuang air yang tersisa.

3.3.2 Pembuatan larutan Ba0,4Sr0,6TiO3 murni

Film BST murni Ba0,4Sr0,6TiO3 yang

ditumbuhkan dipermukaan substrat dengan

metode CSD dibuat dengan cara

mencampurkan barium asetat [Ba(CH3COO)2,

99%] + stronsium asetat [Sr(CH3COO)2,

99%]+ titanium isopropoksida [Ti(C12O4H28),

97.99%] + 2-metoksi etanol sebagai bahan pelarut. Dalam penelitian ini, digunakan fraksi molar Ba sebesar 0.4 sedangkan fraksi molar Sr sebesar 0,6 agar mendapatkan komposisi yang sesuai dengan yang diharapkan, bahan-bahan tersebut sebelumnya diperhalus dengan

spatula dan ditimbang dengan menggunakan

(24)

neraca analitik sebelum dilakukan pencampuran. Setelah bahan-bahan dicampur, larutan dikocok selama satu jam dengan menggunakan ultrasonik yaitu bransonic 2510. Setelah itu larutan disaring dengan kertas saring untuk mendapatkan larutan yang bersifat homogen dan BST siap di deposisi dengan teknik CSD. Persamaan reaksinya ialah :

0,4Ba(CH3COO)2+0,6Sr(CH3COO)2+Ti(C12H28

O4)+22O2→Ba0,4Sr0,6TiO3 +17H2O + 16CO2

3.3.3 Proses penumbuhan film BST murni

Substrat silikon (100) type-p yang telah dicuci dengan larutan asam flurida (HF) 5% dicampur dengan aquades sebanyak 2% siap dilakukan penumbuhan film BST murni dengan menggunakan reaktor spin coating. Piringan reaktor spin coating di tempel dengan

doubletip di tengahnya, kemudian substrat diletakkan di permukaan film. Penempelan

doubletip ini, agar substrat tidak terlepas saat piringan reaktor spin coating berputar. Substrat yang telah ditempatkan di permukaan piringan

spin coating ditetesi larutan BST sebanyak 1 sampai 3 tetes. Kemudian reaktor spin coating

diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik.

3.3.4 Proses annealing

Proses annealing pada suhu yang berbeda akan menghasilkan karakterisasi film BST murni yang berbeda dalam hal struktur kristal, ketebalan dan ukuran butir. Substrat (100) ditahan selama 15 jam, selanjutnya dilakukan

furnace cooling secara manual sampai

didapatkan kembali suhu ruang. Pada

perlakuan kedua yaitu suhu850oC dengan

kenaikan suhu pemanasan 1,670C/menit, yang ditahan selama 15 jam, selanjutnya dilakukan

didapatkan kembali suhu ruang. Pada

perlakuan ketiga yaitu suhu 900oC dengan kenaikan suhu pemanasan 1,670C/menit yang ditahan selama 15 jam,selanjutnya dilakukan

didapatkan kembali suhu ruang proses

annealing dapat ditunjukkan pada Gambar 24.

3.3.5 Pembuatan kontak pada film BST

Setelah dilakukan proses annealing,

proses selanjutnya adalah persiapan pembuatan kontak yang meliputi proses penganyaman

film BST murni dengan ukuran 0.5 cm x 0.5

cm menggunakan aluminium foil. 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 BST murni dapat dilakukan dengan mudah. Gambar dari film

BST murni yang telah diberi kontak dan hider

ditunjukkan oleh Gambar 25.

Gambar 24. Proses annealing

Gambar 25. Prototype sel fotovoltaik tampak atas

Gambar 26. Rangkaian penentu konstanta dielektrik film BST murni

3.3.6 Metode karakterisasi

Ada beberapa metode karakterisasi yang dilakukan pada penelitian ini antara lain :

a.Karakterisasi konstanta dielektrik film

Ba0.4Sr0.6Ti03

Pada karakterisasi ini, rangkaian yang digunakan adalah rangkaian pada Gambar 26. Dari rangkaian pengukuran ini ditentukan nilai kapasitansi film sedangkan untuk penentuan besar konstanta dielektriknyamenggunakan persamaan (2.1).

(25)

b.Karakterisasi I-V meter film Ba0.4Sr0.6Ti03

Pengukuran hubungan arus dan tegangan menggunakan alat I-V meter. Data keluaran dari alat I-V meter merupakan nilai arus dan tegangan, kemudian dapat dibuat grafik hubungan tegangan dan arus menggunakan

microsoft excel. Dari grafik hubungan tersebut dapat diketahui karakteristik film BST murni yang dibuat, apakah bersifat dioda, resistansi atau kapasitansi.

c. Karakterisasi reflektansi dan absorbansi film Ba0.4Sr0.6Ti03

Karakterisasi ini dilakukan untuk

mendapatkan spektrum absorbansi dan

reflektansi film BST murni sehingga dapat ditentukan daerah serapan panjang gelombang

paling besar dari film BST murni.

Karakterisasi sifat optik dari film BST murni menggunakan kabel fiber optic sebagai media

transmisi gelombang. Tungsten halogen

lampdigunakan sebagai sumber gelombang.

Perangkat alat kemudian dihubungkan dengan

spectrophotometer Vis-NIR ocean optics USB

1000 oceanoptic sebagai detektor.

Spectrophotometer Vis-NIR ocean optics USB

1000 oceanoptic mendeteksi panjang

gelombang dari 339 nm sampai 1022 nm

dengan menggunakan metode refleksi.

Spectrophotometer kemudian dihubungkan

dengan komputer. Hubungan absorbansi dan

reflektansi terhadap panjang gelombang

ditampilkan melalui softwarespectra-suite

sehingga diperoleh kurva absorbansi terhadap panjang gelombang dan reflektansi terhadap panjang gelombang pada komputer.

d. Karakterisasi konduktivitas listrik film

Ba0.4Sr0.6Ti03

Konduktivitas film listrik diukur dengan menggunakan LCR meter. Dari alat dan rangkaian listrik tersebut didapatkan nilai konduktansi (G). Nilai resistansi didapatkan dari persamaan R=1/G sedangkan nilai

konduktivitas dapat dicari dari persamaan

�=�� (2.26)

Keterangan :

= konduktivitas listrik (S/m) L = jarak antara 2 kontak (m)

G = konduktansi yang terukur pada

LCR meter (S)

A = luas penampang kontak (m2)

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Semikonduktor yaitu bahan penghantar listrik yang karakteristiknya berada diantara bahan insulator dan konduktor. Film BST yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor type-p, sedangkan lapisan BST merupakan semikonduktor type

-n.Persambungan antara type-p dan type-n

disebut p-n junction, hal ini memiliki

karakteristik seperti dioda. Persambungan p-n

berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan

type-p menjadi sisi anoda sedangkan bahan

type-n menjadi katoda bergantung pada

polaritas tegangan yang diberikan pada dioda. Penelitian ini lebih memfokuskan pada

pembuatan film Ba0.4Sr0.6TiO3 murni

dipermukaan substrat silikon type-p yang

dilakukan annealing dengan variasi waktu

tetap yaitu 15 jam pada suhu yang berbeda yaitu substrat A pada suhu 800oC, substrat B pada 850oC dan substrat C pada suhu 900oC.

4.1 Karakterisasi Absorbansi dan Reflektansi

Uji absorbansi dilakukan untuk melihat spektrum serapan film BST, yang selanjutnya dijadikan dasar untuk memilih sumber cahaya yang akan digunakan ketika film BST dijadikan sebagai sensor. Sumber cahaya yang digunakan yaitu panjang gelombang cahaya tampak, sedangkan alat yang digunakan dalam karakterisasi ini yaitu spektrofotometer.

Pada hasil karakterisasi absorbansi dapat dilihat pada Gambar 27. Dari Gambar 27 tersebut dapat disimpulkan bahwa substrat A maksimum menyerap panjang gelombang 340 nm yaitu spektrum ultraviolet dan minimum menyerap lebih dari 430 nm pada spektrum ungu, sedangkan substrat B memiliki dua puncak serapan yaitu menyerap panjang gelombang 345 nm pada spektrum ungu dan panjang gelombang 520 nm pada spektrum hijau dan substrat C memiliki dua puncak daerah absorbansi yaitu panjang gelombang 340 nm pada spektrum ungu dan panjang gelombang 1020 nm pada daerah spektrum inframerah.

Proses annealing dapat mempengaruhi

kemampuan absorbansi BST ketika bekerja terhadap cahaya serta efektivitas rentang panjang gelombang tertentu[22]. Kemungkinan perubahan daerah serapan tersebut disebabkan

oleh pertumbuhan butir kristal yang

menimbulkan proses pemadatan (densification)

dan penyusutan ketebalan film [22].

(26)

Hal ini menunjukkan bahwa homogenitas dan kerapatan butiran kristal dalam film semakin ditingkatkan dengan adanya annealing. Perbandingan karakterisasi absorbansi dan reflektansi pada film Ba0,4Sr0,6Ti03 dan

Ba0,5Sr0,5Ti03 dapat terlihat pada suhu 850oC

dan waktu annealing 15 jam, hal ini dapat dilihat pada tabel 4.

Tabel 4. Perbandingan karakterisasi absorbansi dan reflektansi film Ba0,4Sr0,6Ti03dan

Ba0,5Sr0,5Ti03

berdasarkan Tabel 4 dapat disimpulkan bahwa

aplikasi maupun penggunaan film

Ba0,4Sr0,6Ti03 lebih baik pada spektrum ungu

dan hijau sedangkan pada film Ba0,5Sr0,5Ti03

lebih baik menggunakan spektrum biru dan kuning

Gambar 27. Hubungan absorbansi dan panjang gelombang

Gambar 28 Hubungan reflektansi dan panjang gelombang

4.1.1 Perhitungan nilai energy gap

Pengukuran sifat optik merupakan hal yang sangat penting dalam penentuan energy

gap material semikonduktor. Transisi

elektronik yang terjadi akibat foton bergantung

pada energy gap [23]. Besarnya energy gap ini

berpengaruh pada proses absorpsi dan

transmisi foton. Ketika material semikonduktor disinari maka foton diserap dan menimbulkan pasangan elektron-hole.[23]

Energy gap adalah suatu celah energi minimal yang harus dimiliki oleh elektron agar dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi [23]. Elektron pada pita valensi ini dapat berpindah ke pita konduksi dengan penambahan energi eksternal yang berasal dari medan listrik eksternal, energi termal, dan energi energi foton[24], sehingga elektron lebih banyak berada pada pita konduksi, sebaliknya pada pita valensi terjadi hole.

Elektron yang tereksitasi saat dikenai energi foton yang dibawa oleh cahaya, membuat kondisi pita konduksi lebih bermuatan negatif, sebaliknya pita valensi lebih bermuatan positif

karena kekurangan elektron. Perbedaan

pembawa muatan dari dua kondisi potensial yang akan menghasilkan terjadinya arus pada rangkaian luar yang dihubungkan dengan film BST [24].

Nilai reflektansi minimum yang setara dengan nilai absorbansi maksimum, dapat digunakan untuk menghitung energy gap dari sebuah semikonduktor, karena pada rentang panjang gelombang ini merupakan nilai yang maksimal dalam penyerapan energi foton oleh elektron untuk melewati energy gap [25]. Berdasarkan dengan data spektrum reflektansi pada Gambar 28, reflektansi minimum (absorbansi maksimum) terjadi pada panjang gelombang pendek. Berdasarkan spektrum reflektansi, didapat nilai energy gap dari masing-masing substrat BST dengan variasi suhu 800oC, 850oC dan 900oC menggunakan metode Tauc [25] berturut-turut yaitu 3,48 eV, 2,42 eV dan 3,4 eV. Hasil ini sesuai dengan literatur yang memperlihatkan nilai energy gap

semikonduktor yaitu berkisar 2,4-4 eV [26].

Gambar 29 Hubungan [ln( )]2 dan

(27)

Gambar 30 Hubungan [ln( )]2 dan

4.2 Karakterisasi Arus Tegangan

Karakterisasi tegangan dilakukan untuk melihat sifat dominan dari film BST, apakah

bersifat dioda, fotodioda, resistor atau

fotoresistor [26].Pengukuran kurva arus-tegangan (I-V) menggunakan alat I-V meter. Pengukuran tersebut dilakukan dengan dua perlakuan yaitu pada kondisi gelap dan kondisi terang dengan intensitas cahaya 405 lux. Tegangan yang pada sumbu horizontal merupakan variabel bebas. Pada perlakuan yang dilakukan, tegangan yang diberikan dari -10 V sampai -10 V.

Prinsip kerja I-V meter yaitu

menghasilkan arus yang terjadi karena saat film BSTmemiliki dua muatan yaitu positif dan

negatif yang diberikan tegangan

sehinggaelektron dan hole akan berekombinasi dan pergerakan elektron akan menghasilkan arus [26], dengan banyaknya elektron bebas

pada film BST maka menyebabkan film BST menjadi lebih konduktif akibat pemberian cahaya [27]. Terjadinya sifat konduktif pada film BST karena adanya energi foton yang

diserap oleh elektron sehingga mudah

menyebabkan elektron menjadi lebih banyak muncul [27] dari karakteristikI-V yang dilakukan maka dapat diketahui bahwa film BST yang dibuat mempunyai sifat sebagai dioda [27], selain itu dengan adanya perbedaan kurva ketika diberikan cahaya dan tanpa cahaya, maka film BST yang dibuat juga mempunyai sifat sebagai fotodioda[27]. Hal ini terlihat pada Gambar 33, bahwa terdapat pergeseran kurva terang dan gelap, hal ini berarti BST sensitif terhadap cahaya yang datang.

Pada penelitian lebih lanjut, dilakukan

karakterisasi I-V dengan memvariasikan

spektrum sumber cahaya dengan menggunakan

filter warna hijau, kuning, dan merah hal ini bertujuan untuk mengetahui kepekaan film BST pada cahaya tampak yang datang. Pada Gambar 34 dapat disimpulkan bahwa pada substrat A spektrum merah lebih sensitif dari spektrum lainnya karena lebih mendekati pada kondisi terang dan spektrum hijau lebih lemah, sedangkan substrat B pada Gambar 35 spektrum yang lebih sentisitif yaitu spektrum hijau dan spektrum kuning karena spektrum tersebut lebih peka terhadap intensitas cahaya yang datang. Pada Gambar 36 yaitu substrat C, spektrum hijau lebih sensitif dari spektrum lainnya karena lebih mendekati pada kondisi terang dan spektrum kuning lebih lemah, kepekaan spektrum cahaya kemungkinan disebabkan oleh rekombinasi elektron dan hole

yang terbentuk lebih banyak ketika film diberikan intensitas cahaya[28].

Gambar 33 Hubungan arus (I) dan tegangan (V) BST pada kondisi terang dan gelap

(28)

Gambar 34 Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat A

Gambar 35 Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat B

Gambar 36 Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat C

4.3 Karakterisasi Konduktivitas Listrik

Pengukuran konduktivitas listrik film BST

dilakukan dengan mengukur nilai

konduktansinya menggunakan alat

LCRmetermodel HIOKI 3522-50. Uji

konduktivitas pada penelitian ini bertujuan untuk menentukan apakah bahan film BST

yang dibuat termasuk konduktor,

semikonduktor atau isolator. Berdasarkan literatur suatu bahan material dikatakan bersifat semikonduktor jika nilai konduktivitas listriknya berkisar antara 10-8 S/cm sampai 103 S/cm [28]. Pengaruh suhu annealing terhadap konduktivitas film BST dapat dilihat pada Tabel 5.

Pada Tabel 5, diketahui bahwa konduktivitas maksimum film Ba0,4Sr0,6Ti03 terjadi pada suhu

800oC dan minimum pada suhu 900oC. Secara

umum suhu annealing menurunkan

konduktivitas listrik film BST, penurunan ini disebabkan terjadinya peningkatan evaporasi

lapisan film BST [28] akibatnya dapat menurunkan jumlah konsentrasi pembawa.

Berdasarkan Tabel 5, data nilai film

berkisar dalam konduktivitas listrik

semikonduktor.

Tiga mekanisme transport yang dapat

terjadi pada batas butir ialah: emisi termionik, emisi medan termionik, dan emisi medan. Emisi termionik merupakan mekanisme hamburan pada batas butir untuk film semikonduktor polikristalin[30]. Berdasarkan

statistic Maxwell Boltzmann, konduksi yang dibatasi oleh emisi termionik atas penghalang

potensial Schottky dinyatakan oleh (Seung et al.,2007)

= L.e2.N.(2πm*kT)-1/2exp(-E/kT) (2.27)

Keterangan: = konduktivitas listrik (S/m), E adalah energi (J), L adalah ukuran butir (m) dan N adalah konsentrasi pembawa muatan (m-3).

dengan demikian ukuran butir L sangat berpengaruh terhadap konduktivitas material atau resistivitasnya.

Pada Tabel 6, dapat dibandingkan berdasarkan pada saat suhu annealing 850oC dan waktu

annealing 15 jam bahwa film Ba0,5Sr0,5Ti03

memiliki konduktivitas yang lebih besar dibandingkan film Ba0,4Sr0,6Ti03

Tabel 5. Nilai konduktivitas film Ba0,4Sr0,6Ti03

berdasarkan perbedaan suhu annealing

Suhu annealing film BST Konduktivitas listrik σ (S/m)

Suhu 800oC 3,6 x 10-5

Suhu 850oC 3,77 x 10-4

Suhu 900oC 5,025 x 10-4

Gambar 37 Hubungan konduktivitas listrik dan suhu film Ba0,4Sr0,6Ti03

(29)

Tabel 6. Perbandingan karakterisasi

konduktivitas film Ba0,4Sr0,6Ti03 dan

Ba0,5Sr0,5Ti03

4.4 Karakterisasi Konstanta Dielektrik

Kapasitansi adalah kemampuan penyimpanan muatan untuk suatu perbedaan potensial tertentu. Satuan dari kapasitansi adalah coulomb per volt, yang disebut farad (F).

Ketika ruang di antara dua konduktor pada kapasitor diisi dielektrik, kapasitansi naik

sebanding dengan faktor ĸ yang merupakan

karakteristik dielektrik dan disebut konstanta dielektrik.Karakterisasi konstanta dielektrik didapat menggunakan rangkaian listrik seperti pada Gambar 26 dengan frekuensi 20 kHz dan hambatan 10 kΩ dengan variasi frekuensi input

pada range10 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 100 kHz,

250 kHz, 500 kHz, 1 MHz sehingga hasil

outputnya dapat dilihat pada layar osiloskop, sehingga dari grafik osiloskop pada gambar 39, 40 dan 41 tersebut dapat dihitung time constant

( ) serta kapasitansi dan konstanta

dielektriknya [17].

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(30)

(h)

Gambar 38 Sinyal keluaran osiloskop pada suhu film BST 800oC

Keterangan :

a. Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.

b. Sinyal keluaran setelah film BST diberi

frekuensi 10 kHz

c. Sinyal keluaran setelah film BST diberi

frekuensi 20 kHz

d. Sinyal keluaran setelah film BST diberi

frekuensi 30 kHz

e. Sinyal keluaran setelah film BST diberi

frekuensi 100 kHz

f. Sinyal keluaran setelah film BST diberi

frekuensi 250 kHz

g. Sinyal keluaran setelah film BST diberi

frekuensi 500 kHz

h. Sinyal keluaran setelah film BST diberi

frekuensi 1MHz

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(31)

(h)

Keterangan :

frekuensi 10 kHz

frekuensi 20 kHz

frekuensi 30 kHz

frekuensi 100kHz

frekuensi 250 kHz

frekuensi 500 kHz

frekuensi 1 MHz.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(32)

(h)

Keterangan :

frekuensi 10 kHz

frekuensi 20 kHz

frekuensi 30 kHz

frekuensi 100 kHz

frekuensi 250 kHz

frekuensi 500 kHz

frekuensi 1MHz

Berdasarkan Gambar 38, 39 dan 40, dapat dianalisa bahwa kelengkungan pada sinyal kotak menunjukkan adanya penyimpanan muatan pada material tersebut. Penyimpanan muatan ini dapat mengindikasikan bahwa film Ba0,4Sr0,6Ti03 bersifat kapasitor. Pada variasi

suhu konstanta dielektrik terlihat semakin kecil akibat bertambahnya suhu annealing, hal ini dilihat berdasarkan Tabel 7, pada suhu 900oC

nilai kontanta dielektrik paling rendah

dibandingkan dengan suhu lainnya, turunnya nilai konstanta dielektrik akibat ketebalan film BST semakin kecil karena terjadi penguapan pada film BST akibat kenaikan suhu

annealing[30].

Tabel 7. Hasil karakterisasi konstanta dielektrik film Ba0,4Sr0,6TiO3

Gambar 41 Hubungan konstanta dielektrik dengan suhu

Penelitian lebih lanjut yaitu variasi frekuensi pada range 10 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 100 kHz, 250 kHz pada masing-masing suhu 800oC, 850oC, 900oC, dapat dilihat pada Tabel

7 dapat disimpulkan bahwa konstanta

dielektrik semakin kecil akibat bertambahnya

frekuensi dan faktor-faktor yang

mempengaruhi hasil ini yaitu ketebalan film serta ketelitian dalam membaca gambar pada osikoskop. Pada frekuensi 500 kHz dan 1

MHz, frekuensi sumber lebih cepat

dibandingkan frekuensi pengisian film BST mengakibatkan polarisasi listrik yang terbentuk

lebih cepat pada saat pengisian dan

pengosongan muatan pada film BST. Film Ba0,4Sr0,6Ti03 pada suhu annealing 8500C dan

waktu annealing 15 jam memiliki nilai