ARUS SATURASI, HAMBATAN SERI, HAMBATAN
PARALEL DAN ENERGI GAP PADA FILM FEROLEKTRIK
BaXSr1-XTiO3 (0.5 , 0.6 , 0.7 , 0.8)
NIA SARASTIKA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN IPA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Arus Saturasi, Hambatan Seri, Hambatan Paralel dan Energy Gap Pada Film Ferrolektrik BaxSr 1-XTiO3 (0.5 , 0.6 , 0.7 , 0.8) adalah benar karya saya dengan arahan dari
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2015
Nia Sarastika
ABSTRAK
NIA SARASTIKA. Arus Saturasi, Hambatan Seri, Hambatan Paralel dan Energy gap Pada Film Ferrolektrik BaxSr1-XTiO3 (0.5, 0.6, 0.7, 0.8). Dibimbing oleh
IRZAMAN dan HERIYANTO SYAFUTRA.
Dari beberapa penelitian yang dilakukan, film ferroelektrik BaxSr1-xTiO3
(BST) memiliki karakteristik I –V seperti dioda. Tujuan penelitian ini adalah menghitung arus saturasi, hambatan seri, dan hambatan paralel pada film ferroelektrik BST (0.5, 0.6, 0.7, 0.8). Selain itu diukur juga energy gap saat diberi
tegangan 0 V, 3 V, 4.5 V, dan 6 V. Dari hasil perhitungan, nilai arus saturasi didapat semakin besar dengan bertambahnya konsentrasi barium. Perhitungan nilai hambatan seri dan hambatan paralel menghasilkan nilai hambatan cenderung menurun dengan bertambahnya nilai fraksi mol. Sedangkan nilai energy gap yang
dihasilkan menunjukkan bahwa semakin besar tegangan yang diberikan pada material BST, semakin kecil nilai energy gap yang didapat.Yang memungkinkan
elektron lebih mudah berpindah dari pita valensi ke pita konduksi.
Kata kunci : arus saturasi, BST, energy gap, hambatan paralel, hambatan seri.
ABSTRACT
NIA SARASTIKA. Saturated Current, Series Resistant, Shunt Resistant and Gap Energi on Ferroelectric FilmBaxSr1-XTiO3 (0.5 ; 0.6 ; 0.7 ; 0.8). Supervised by
IRZAMAN and HERIYANTO SYAFUTRA.
From several research that has done, ferroelectric film BaxSr1-xTiO3 (BST)
have a dioda characteristic. Purpose of this experiment is to measure saturated current, series resistant, and shunt resistant. Beside that, energy gap also measured when given voltage 0 V, 3 V, 4.5 V, dan 6 V.From the measure, value of saturation current that get higher with increasing of Barium concentrate. Calculation of series resistant and shunt resistant that tending decreasing with more Barium concentrate. Whereas, the gap energy that measured show that more high the voltage that given on BST material, make the gap energy lower. That could be easier for electron to jump from valensi line to conduction line.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana sains
pada
Departemen Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
ARUS SATURASI, HAMBATAN SERI, HAMBATAN
PARALEL DAN ENERGI GAP PADA FILM FERROLEKTRIK
BaXSr1-XTiO3 (0.5, 0.6, 0.7, 0.8)
NIA SARASTIKA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN IPA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Skripsi : Arus Saturasi, Hambatan Seri, Hambatan Paralel dan Energy gap
Pada Film Ferrolektrik BaxSr1-XTiO3 (0.5, 0.6, 0.7, 0.8)
Nama : Nia Sarastika
NIM : G74080032
Disetujui oleh
Dr. Ir. Irzaman, M.Si Pembimbing I
Heriyanto Syafutra, S.Si, M.Si Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si Ketua Departemen Fisika
PRAKATA
Segala puji kepada Allah SWT yang telah melimpahkanrahmat, karunia sertahidayah-Nya kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul Arus Saturasi, Hambatan Seri, Hambatan Paralel dan Energy gap Pada Film Ferolektrik BaxSr1-XTiO3 (0.5, 0.6, 0.7, 0.8).Tak lupa salawat serta salam semoga tetaptercurah kepada junjungan besar Rasulullah Muhammad SAW.
Patutlah penulis haturkan terima kasih kepada semua pihak terutama kepada pembimbing skripsi penulis, yaitu Dr. Ir. Irzaman, M.Si dan Heriyanto Syafutra S.Si M.Si, yang telah memberikan nasihat, motivasi, serta ide-ide penelitian kepada penulis. Tidak lupa pula ucapan terima kasih kepada teman-teman penulis di departemen Fisika khususnya para kelompok peneliti tugas akhir di laboratorium Fisika Material, yang selalu memberikan motivasi sehingga memunculkan ide dan semangat bagi penulis untuk menyelesaikan penelitian ini.
Akhir kata, semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi kemajuan ilmu pengetahuan. Tentunya juga penulis sangat mengharapkan masukan, kritik, dan saran yang membangun dalam usaha pengembangan aplikasi material ini.
Bogor, Januari 2015
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL ix
DAFTAR GAMBAR ix
DAFTAR LAMPIRAN ix
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 1
Tujuan Penelitian 1
TINJAUAN PUSTAKA 1
Material Ferroelektrik 1
Barium Stronsium Titanat (BST) 2
Chemical solution Deposition 2
Arus Saturasi 2
Energy Gap 3
METODE 3
Tempat dan Waktu Penelitian 3
Alat dan Bahan 4
Pembuatan Film BST 6
Persiapan substrat Si (100) tipe-p 6
Pembuatan larutan BST 6
Proses penumbuhan film 6
Proses pemanasan 7
Pembuatan kontak pada film 7
Karakterisasi I – V 8
Perhitungan Rp, Rs dan Vknee 8
Perhitungan nilai arus saturasi (Io) 8
Pengukuran Absorbansi 8
Perhitungan energy gap 8
HASIL DAN PEMBAHASAN 9
Hasil Pembuatan Film BST 9
Perhitungan Rp, Rs dan Vknee 9
Perhitungan nilai arus saturasi (Io) 12
Perhitungan energy gap 12
Perhitungan faktor dioda ideal (n) 14
SIMPULAN DAN SARAN 15
Simpulan 15
DAFTAR PUSTAKA 15
DAFTAR TABEL
1 Perbandingan nilai Vknee (volt) sampel 1x1 cm2 dan 2x2 cm2 variasi
fraksi mol 0.5, 0.6, 0.7, dan 0.8 9
2 Hasil nilai Rp dan Rs sampel 1 x 1 cm2 10
3 Hasil nilai Rp dan Rs sampel 2 x 2 cm2 10
4 Nilai Io sampel 1x1 dan 2x2 variasi fraksi mol 0.5, 0.6, 0.7, dan 0.8 11
5 Nilai energy gap sampel 1x1cm2 bias maju 12
6 Nilai energy gap sample 2x2 cm2 bias maju 13
7 Nilai energy gap sample 1x1 cm2 bias mundur 13
8 Nilai energy gap sample 2x2 cm2 bias mundur 13
9 Nilai faktor dioda ideal 14
DAFTAR GAMBAR
8 Grafik tegangan terhadap Egap bias mundur (a) sampel 1 x 1 dan (b)
sampel 2 x 2 14
9 Grafik faktor dioda ideal 14
DAFTAR LAMPIRAN
1 Data perhitungan berat massa 17
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Material ferroelektrik ditandai dengan dua keadaan; yang pertama adalah adanya polarisasi spontan tanpa adanya medan listrik, yang kedua, kemampuan untuk membentuk kurva histerisis. Ketika medan listrik diberikan pada material ferroelektrik, polarisasi akan menunjukkan sifat histerisis dengan medan listrik yang diberikan.1
Salah satu penelitian yang sedang berkembang saat ini adalah pemanfaatan bahan – bahan piroelektrik dan ferroelektrik seperti BaTiO3, PbTiO3, PbZrO3,
BaxSr1-xTiO3 (BST) yang digunakan untuk piranti elektronik dan optoelektronik.2
Pada penelitian ini, dilakukan pembuatan film BaxSr1-xTiO3 (BST) dengan
variasi fraksi mol (x) 0.5, 0.6, 0.7, dan 0.8 menggunakan metode chemical solution deposition (CSD) yang diikuti dengan proses spin coating. Sampel
dipanaskan pada suhu 8500C dengan lamawaktu 15 jam.
Perumusan Masalah
Pemberian tegangan bias maju dan bias mundur pada film BST akan mempengaruhi energi band gap film BST. Variasi fraksi mol (x) 0.5, 0.6, 0.7, dan 0.8 pada film BST akan mempengaruhi arus saturasi, hambatan seri, dan hambatan paralel pada material BST.
Tujuan Penelitian
Menumbuhkan film tipis BST pada permukaan substrat Si(100) tipe-p
dengan variasi fraksi mol Bax(x : 0.5, 0.6, 0.7, 0.8) menggunakan metode CSD
dengan lama waktu pemanasan 15 jam pada suhu tetap 8500C. Serta menghitung arus saturasi, hambatan seri, hambatan paralel dan energy gap pada material BST.
TINJAUAN PUSTAKA
Material Ferroelektrik
Material ferroelektrik ditandai dengan adanya polarisasi spontan tanpa adanya medan listrik dan juga kemampuan untuk membentuk kurva histerisis.3
Feroelektrifitas merupakan fenomena yang ditunjukkan oleh kristal dengan suatu polarisasi spontan dan efek histerisis yang berkaitan dengan perubahan dielektrik dalam menanggapi penerapan medan listrik.4 Ferroelektrik merupakan kelompok material dielektrik dengan polarisasi listrik internal yang lebar P (C/m2) yang
2
bahan ferroelektrik telah ditemukan seperti BaTiO3, PbTiO3, NH4HSO4 dan lain
sebagainya.6 Salah satu bahan ferroelektrik yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah jenis BST.
Barium Stronsium Titanat
Beberapa hal yang menarik dari film BST adalah konstanta dielektrik yang tinggi, low dielectric loss, high dielectric breakdown dan temperature curie bergantung pada komposisi yang memungkinkan bahanmemiliki sifat paraelektrik sebaik seperti sifat ferroelektrik.7
BST yang memiliki rumus kimia BaxSr1-xTiO3 memiliki keunggulan dan
prospek baik untuk devais mikroelektronika.8 Berdasar ICDD (International Center for Difraction Data), BaxSr1-xTiO3 (BST) memiliki sistem kristal kubik
dengan konstanta kisi, a = 3,947Å untuk konsentrasi stronsium 50% dan a = 3,965Å untuk konsentrasi stronsium 40%.9
Chemical solution Deposition
Metode CSD merupakan cara pembuatan film dengan pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, kemudian dipreparasi dengan spinning pada
kecepatan putar tertentu.10 Dengan tahapan pertama mensintesis larutan
menggunakan metode stoikiometri. Kemudian pendeposisian larutan pada permukaan substrat yang diikuti proses spinning. Selanjutnya perlakuan panas
pada temperature tinggi yakni annealing. Perlakuan ini bertujuan untuk
kristalisasi film (biasanya pada suhu 600-10000C).10
3
Hubungan arus dan tegangan sel surya p-n dalam semikonduktor dalam
keadaan tanpa cahaya, sama dengan karakteristik arus tegangan sebuah dioda ideal yang dapat dinyatakan dalam persamaan (a).
(a)
dengan q adalah elemen muatan, k adalah kontstanta Boltzmann (k = 1.38 ×10-23
J/K), T adalah temperatur mutlak dan I adalah arus jenuh (saturasi) dari
persambungan.
Saat sel surya terkena cahaya, maka akan dihasilkan arus foto (photocurrent) yang terjadi karena pembangkitan elektron oleh cahaya dengan
energi tertentu. Sehingga persamaan (a) dapat ditulis menjadi
(b)
dengan Iph adalah arus foto. Io adalah arus saturasi, V adalah tegangan bias dan n
adalah faktor dioda karena adanya penyimpangan dari dioda ideal. Bila Iph>>Io, maka persamaan (b) dapat disederhanakan menjadi
(c)
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.11 Besarnya energy gap ini berpengaruh pada proses
absorpsi dan transmisi foton. Ketika material semikonduktor disinari maka foton diserap menimbulkan pasangan elektron hole.11
Energy gap adalah energi minimal yang harus dimiliki oleh elektron agar
dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi.11Elektron pada pita valensi ini dapat berpindah ke pita konduksi dengan penambahan energi eksternal yang berasal dari medan listrik eksternal, energi termal, dan energi – energi foton12, 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 negative, 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.12
METODE
Tempat dan Waktu Penelitian
4
Alat dan Bahan
Alat yang akan digunakan pada penelitian ini adalah Bransonic 2510, neraca
analitik model BL 6100, reaktorspincoater, mesin pemanasan annealing, mortar,
pipet, pinset, gelas ukur Iwaki 10 ml, gunting, spatula, stopwatch, tabung reaksi,
sarung tangan karet, cawan petri, tissue, isolasi, I - V meter, masker,
potensiometer, resistor, serta kawat atau kabel yang sangat halus.
Bahan yang akan 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, etilane glykol, aseton
pro-analisis, methanol pro-analisis, asam asetat, substrat Si (100) tipe-p, di water,
5
Gambar 1 Diagram Alir Penelitian Pemotongan Substrat Si (100) tipe - p
Mulai
Selesai
Pemasangan Kabel Halus
Pengukuran I – V dan absorbansi
Perhitungan Vknee, Io, Rs dan Rp
Perhitungan Energy Gap
Pengolahan Data
6
Pembuatan Film BST
Persiapan substrat Si (100) tipe-p
Substrat yang dimaksud ialah substrat Si (100) tipe-p, tempat penumbuhan
film BST yang kebersihannya harus dijaga agar film dapat tumbuh baik dan merata. Pertama-tama, substrat dipotong sesuai dengan bentuk dan ukuran yang diinginkan menggunakan pisau khusus pemotong bahan silikon yang terbuat dari mata intan. Dalam penelitian ini akan dibuat dua ukuran substrat, yang pertama yakni berbentuk dioda 1 x 1 cm dan yang kedua berukuran 2 x 2 cm. Substrat yang telah dipotong kemudian dicuci dengan beberapa tahapan perendaman sambil digetarkan menggunakan gelombang ultrasonik 22 kHz selama masing – masing ±10 menit kecuali tahap ke – 4 hanya 60 detik. Pencucian atau perendaman menggunakan larutan-larutan antara lain berikut sesuai dengan urutannya: aseton pro analisis, di water, methanol pro analisis, asam flourida (HF)
dicampur dengan di water dengan perbandingan 5:1, dan terakhir menggunakan di water lagi. Indikatorbersih jika air yang ada pada permukaan substrat langsung
hilang (karena gaya kohesi antara air dan substrat Si (100) tipe –p kecil).
Pembuatan larutan BST
Menumbuhkan film BST pada permukaan substrat dengan metode CSD dilakukan dengan cara mereaksikan Barium asetat [Ba(CH3COO)2, 99%],
Stronsium asetat [Sr(CH3COO)2, 99%], Titanium isopropoksida [Ti(C12O4H28),
97,999%], serta 2-Metoksietanol sebanyak 2,5 ml sebagai bahan pelarut. Dalam penelitian ini digunakan variasi fraksi molar Bax (x : 0.5, 0.6, 0.7, 0.8). Komposisi
massa yang sesuai ketentuan dari masing-masing bahan-bahan tersebut dihitung menggunakan persamaan stoikiometri (reaksi kimia), kemudian dilakukan penimbangan dengan menggunakan neraca analitik sebelum dilakukan pencampuran. Setelah bahan-bahan dicampur, larutan dikocok selama satu jam dengan menggunakan gelombang ultrasonik menggunakan Bransonic 2510
dengan frekuensi ±22 kHz.
Proses penumbuhan film
Setelah substrat silikon (100) tipe-p dicuci, dilakukan penumbuhan film
dengan menggunakan reaktor spin coater. Pada piringan reaktor spin coaterd
itempel dengan doubletape pada bagian tengahnya, kemudian substrat diletakkan
diatasnya. Penempelan doubletape ini, agar substrat tidak terlepas saat piringan
reaktor spincoater berputar. Kemudian diatas substrat ditempeli sebagian dengan
isolasi, tujuannya untuk membentuk lapisan substrat murni dan lapisan film BST yang aktif disebagian substrat yang tidak tertutup isolasi, namun bagian yang dilapisi BST lebih luas daripada lapisan substrat murni. Substrat yang telah ditempatkan di atas piringan spin coater ditetesi larutan BST sebanyak 3 tetes.
Kemudian reaktor spin coater diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik.
7
Proses pemanasan
Proses pemanasan dilakukan pada suhu tetap 8500C dalam waktu 15 jam diharapkan akan menghasilkan karakterisasi film BST yang memiliki struktur kristal, untuk mengukur ketebalan film diatas substrat Si (100) tipe – p.
Pembuatan kontak pada film
Setelah dilakukan proses pemanasan, proses selanjutnya adalah persiapan pembuatan kontak yang meliputi proses penganyaman film BST berbentuk persegi dengan ukuran 1cm2 menggunakan aluminium foil. Bahan kontak yang
dipilih adalah Aluminium 99,999%. dengan cara evaporasi di atas permukaan substrat Si tipe-p (Al/Ba0,5Sr0,5TiO3/p-Si) dan film BST. Setelah kontak terbentuk
maka proses selanjutnya adalah pemasangan hider dan pemasangan kabel
tembaga berukuran halus pada kontak, agar memudahkan proses pengukuran I – V dan absorbansiuntuk dihubungkan dengan rangkaian. Berikut adalah proses pemanasan yang ditunjukkan oleh Gambar 1, dan prototype film BST pada Gambar 2.
Gambar 2 Proses pemanasan
Gambar 3 Prototype film BST tampak atas Kaca
8
Karakterisasi I – V
Pada karakterisasi I – V, sampel dihubungkan secara langsung dengan alat pengukur I - V meter, dilakukan variasi tegangan.
Perhitungan Rp, Rs dan Vknee
Dari data karakterisasi I – V dibuat grafik tegangan terhadap arus.Dari grafik tersebut dapat ditentukan nilai Rs, Rp dan Vknee.
Grafik dioda silikon menunjukkan kurva respon tegangan bias maju dan mundur. Grafik dioda silikon menunjukkan titik di wilayah bias maju di mana potensi penghalang terlampaui dan dioda mulai konduksi. Tegangan di mana dioda dimulai konduksi disebut knee voltage. 13
Grafik untuk menentukan nilai Vknee menggunakan nilai arus dan tegangan
yang positif. Kemudian dari grafik positif tersebut ditarik perpotongan garis pada saat mulai terjadi kenaikan arus.
Dari grafik karakterisasi I – V, pada nilai positif ditarik persamaan garis, maka diperoleh persamaangaris y = mx + b ; dimana m =
maka didapat Rs.
Sebaliknya dari grafik I – V negatif ditarik persamaan garis, dimana pada kurva negatif berlaku m =
, maka didapat Rp.
Perhitungan nilai arus saturasi (Io)
Data arus dan tegangan yang didapat pada karakterisasi I - V dan nilai Rp dan Rs yang telah diperoleh dari grafik, dapat dicari nilai arus saturasi dari sampel BST. Dengan persamaan
| | | | (d) maka didapat nilai Io.
Pengukuran Absorbansi
Pengukuran nilai absorbansi dilakukan dengan menggunakan alat spektrofotometer. Pada pengukuran absorbansi dilakukan variasi tegangan bias maju dan bias mundur dari 0 V, 3 V, 4.5 V, dan 6 V.
Perhitungan energy gap
Data panjang gelombang dan absorbansi dibuat grafik, kemudian ditarik perpotongan garis untuk ditentukan panjang gelombang pada saat terjadi absorbansi maksimum. Dari data panjang gelombang pada absorbansi maksimum yang didapat kemudian dicari energy gap menggunakan persamaan (e)
(e)
9
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Pembuatan Film BST
Dari persiapan substrat dihasilkan 12 buah silikon murni yang dibagi dalam 6 buah sampel berukuran 1 x 1 cm2 dan 6 buah lainnya berukuran 2 x 2 cm2. Namun yang digunakan dalam penelitian ini hanya sebanyak masing-masing 4 buah dari tiap ukuran, untuk variasi fraksi mol 0.5, 0.6, 0.7, 0.8.
Pada pembuatan larutan BST, masing-masing berat massa tiap unsur untuk tiap variasi fraksi mol dihitung dengan persamaan stoikiometri. Hasil timbangan kemudian dicampurkan dalam tabung reaksi menurut fraksi mol nya, kemudian dilarutkan dengan pelarut 2-metoksietanol sebanyak 2.5 ml. Pengadukan dilakukan dengan gelombang ultrasonik 22 kHz selama 1 jam. Larutan BST yang telah siap harus segera dideposisikam, agar tidak terjadi penggumpalan.
Selanjutnya semua sampel dipanaskan dari suhu ruang dengan kenaikan suhu 1.67oC/menit hingga 850oC, pada suhu 850oC kemudian ditahan konstan selama 15 jam, kemudian diturunkan lagi hingga suhu ruang.
Pembuatan kontak diawali dengan penganyaman menggunakan aluminium foil sehingga terbentuk pola kontak yang diinginkan. Dalam penelitian ini dibuat kontak sebanyak 4 buah, 2 pada substrat dan 2 pada lapisan BST. Setelah dianyam, sampel ditembak dengan aluminium, kontak yang digunakan ialah aluminium.
Karakteristik I – V
Pada saat bias maju respon arus listrik yang dihasilkan pada sampel 1 x 1 cm2 dan 2 x 2 cm2 sama-sama menunjukkan nilai positif. Dan setelah dibandingkan dengan literatur pola bias mundur dan bias maju pada kurva tersebut menunjukkan bahwa sampel yang dibuat memiliki sifat dioda.
Perhitungan Rp, Rs dan Vknee
Data nilai Vknee yang diperoleh dapat dilihat pada Tabel 1. Dan grafik nya
dapat dilihat pada Gambar 4 (Halaman 9).
Tabel 1 Perbandingan nilai Vknee (volt) sampel 1x1 cm2 dan 2x2 cm2 variasi fraksi mol 0.5, 0.6, 0.7, dan 0.8
Fraksi mol 0.5 0.6 0.7 0.8
Vknee sampel 1 x 1 cm2 1.9 4.8 4.8 3.75
10
Gambar 4 Grafik Nilai Vknee pada variasi fraksi mol
Dari literatur yang diperoleh, untuk silikon dan dioda zener masing-masing potensi penghalang dicapai pada 0.65V and 0.67V, untuk dioda germanium, potensi penghalang dicapai pada 0.27V. Nilai tegangan di mana penghalang diatasi disebut knee voltage (Vknee).15
Vknee menunjukkan besarnya tegangan minimum yang diberikan agar timbul
arus listrik dari bahan. Dapat dilihat pada Gambar 4, nilai Vknee paling besar
dibutuhkan oleh BST 0.6.Sedangkan nilai Vknee paling kecil dibutuhkan oleh BST
0.5. Dalam hal ini jika dibandingkan antara sampel 1 x 1 cm2 dan 2 x 2 cm2, dapat dikatakan sampel 2 x 2 cm2 membutuhkan Vknee yang lebih kecil untuk
menghasilkan arus. Sedangkan pada sampel 1 x 1 cm2 dibutuhkan tegangan yang
lebih besar untuk menghasilkan arus. Nilai fraksi mol BST 0.5 menghasilkan nilai Vknee paling kecil, sehingga arus lebih mudah mengalir.
Pada literatur diketahui bahwa hambatan seri BST memiliki kisaran nilai antara 80 – 110 Ω.16 Nilai ini jauh berbeda dengan yang didapat dari hasil penelitian yakni sebesar 7.77 - 2.52x10kΩ. Perbedaan nilai tersebut dikarenakan pada penelitian ini menggunakan BST tanpa didadah, sedangkan literatur menggunakan BST didadah Platinum (Pt). Pada sampel 1 x 1 cm2 nilai hambatan seri terlihat menurun dengan bertambahnya konsentrasi Barium, sedangkan pada sampel 2 x 2 cm2 terjadi perubahan namun hanya di BST 0.8.
Data nilai Rp dan Rs dapat dilihat pada Tabel 2 untuk sampel 1 x 1 cm2
serta grafiknya pada Gambar 5. Sedangkan Tabel 3 untuk sampel 2 x 2 cm2 dan grafiknya pada Gambar 6.
Tabel 2 Hasil nilai Rp dan Rs sampel 1 x 1 cm2
RsΩ 7.77x103 7.77x103 7.77x103 1.02x104
11
Gambar 5 Grafik Nilai Rp dan Rs
Hasil hambatan paralel (Rp) dan hambatan seri (Rs) yang didapat menunjukkan semakin besar konsentrasi Barium yang diberikan pada bahan membuat kecenderungan nilai hambatan seri dan hambatan paralel mengecil.Hal ini dikarenakan jari–jari atom Barium lebih kecil dari jari–jari atom Stronsium.Namun pada sampel 2 x 2 cm2 BST 0.8 terjadi kenaikan nilai Rs, hal ini bisa disebabkan oleh adanya kesalahan pada saat pengukuran. Dari BST fraksi mol 0.8 baik Rp dan Rs dari dua ukuran sampel, memiliki nilai terkecil sehingga makin memudahkan bahan BST umtuk mengalirkan arus. Tabel 4 menyajikan data nilai Io dan gambar 6 memperlihatkan grafik Io.
Gambar 6 Grafik Nilai Io pada variasi fraksi mol
0.00E+00
Tabel 4 Nilai Io sampel 1x1 dan 2x2 variasi fraksi mol 0.5, 0.6, 0.7, dan 0.8
Fraksi mol 0,5 0,6 0,7 0,8
12
Perhitungan nilai arus saturasi (Io)
Berdasarkan kajian hambatan seri dan paralel yang cenderung mengecil sehingga menunjukkan elektron kecenderungan mudah mengalir dalam material BST mengakibatkan arus saturasi membesar seperti tampak dalam tabel diatas.
Perhitungan energy gap
Dari hasil perhitungan, nilai Energy gap yang didapat menunjukkan bahwa
semakin besar tegangan yang digunakan semakin kecil nilai energy gap. Semakin
kecil nilai gap yang terdapat pada sampel menunjukkan bahwa semakin cepat terjadi perpindahan elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Kaitan energy gap
dengan tegangan bahwa Eg = q Vknee. Namun hasil Eg dan Vknee tidak sesuai
dikarenakan ada pengotor dalam bahan.
Pada sampel 1 x 1 cm hasil energy gap bias maju yang didapat,paling baik
terlihat pada fraksi mol x : 0.8 (lihat gambar 8) karena nilai energy gap nya yang
cenderung menurun dari variasi 0 – 6 V. Sedangkan pada fraksi mol lain terjadi loncatan energy gap. Dan loncatan nilai energy gap paling jauh terjadi pada
sampel fraksi mol x : 0.6.Pada sampel 2 x 2 cm2 biasa maju sampel fraksi mol x : 0.6 justru terlihat paling baik, berbanding terbalik dengan sampel x : 0.6 ukuran 1 x 1cm2. hal ini dapat disebabkan karena permukaan BST x : 0.6 ukuran 1 x 1 cm2 yang kurang luas atau bahkan lapisan BST yang kurang baik, dapat juga disebabkan oleh kurang akurasi dalam pengukuran.
Pada grafik bias mundur 1 x 1 cm2 (gambar 10) terlihat bahwa BST x : 0.5, 0.6 dan 0.7 menunjukkan perubahan energy gap yang kecenderungan menurun.
Sedangkan loncatan energy gap hanya terjadi pada BST x : 0.8 namun tidak
terlalu signifikan. Pada sampel 2 x 2 cm2 bias mundur hamper sama dengan yang terjadi pada sampel 1 x 1 cm bias maju, hanya saja terdapat sedikit kenaikan nilai
energy gap pada sampel BST x : 0.6.
amun dari semua hasil energy gap, perubahan nilai energy gap terlihat lebih
baik pada bias mundur. Nilai perubahan energy gap pada bias mundur lebih besar
dibanding pada bias maju. Akan tetapi nilai energy gap yang didapat pada
penelitian ini berada pada kisaran yang sesuai menurut literatur yakni 2.4 – 4 eV.14
Tabel 5 Nilai energy gap sampel 1x1cm2 bias maju
Fraksi mol 0 V 3 V 4,5 V 6 V
0,5 2,978 eV 2,94 eV 2,82 eV 2,88 eV
0,6 3,050 eV 2,65 eV 2,82 eV 2,86 eV
0,7 2,908 eV 3,06 eV 2,82 eV 2,68 eV
13 Tabel 6 Nilai energy gap sample 2x2 cm2 bias maju
Fraksi mol 0 V 3 V 4,5 V 6 V
0,5 2,779 eV 2,8 eV 2,7 eV 2,5 eV
0,6 3,127 eV 2,75 eV 2,6 eV 2,5 eV
0,7 2,842 eV 2,76 eV 2,7 eV 2,74 eV
0,8 3,127 eV 2,66 eV 2,74 eV 2,72 eV
Gambar 7 Grafik tegangan terhadap Egap bias maju (a) sampel 1 x 1 cm2 dan (b) sampel 2 x 2 cm2
Tabel 7 Nilai energy gap sample 1x1 cm2 bias mundur
Fraksi mol 0 V 3 V 4,5 V 6 V
0,5 2,978 eV 2,78 eV 2,72 eV 2,7 eV
0,6 3,050 eV 2,82 eV 2,78 eV 2,78 eV
0,7 2,908 eV 2,8 eV 2,72 eV 2,64 eV
0,8 2,908 eV 2,68 eV 2,76 eV 2,76 eV
Tabel 8 Nilai energy gap sample 2x2 cm2 bias mundur
Fraksi mol 0 V 3 V 4,5 V 6 V
0,5 2,779 eV 2,74 eV 2,72 eV 2,74 eV
0,6 3,127 eV 2,72 eV 2,7 eV 2,78 eV
0,7 2,842 eV 2,7 eV 2,66 eV 2,7 eV
14
Gambar 8 Grafik tegangan terhadap Egap bias mundur (a) sampel 1 x 1 cm2 dan (b) sampel 2 x 2 cm2
Perhitungan faktor dioda ideal (n)
Hasil perhitungan faktor dioda ideal penelitian ini dapat dilihat pada tabel 12, nilai yang didapat sangat besar. Hal ini tidak sesuai dengan literatur yang nilai faktor dioda ideal nya bernilai 1.5.15 Namun hal ini dapat disebabkan karena penelitian ini menggunakan BST tanpa didadah, sedangkan literatur menggunakan Platinum (Pt) sebagai pendadah yang tentunya mempengaruhi nilai faktor dioda ideal. Pada sampel 1 x 1 cm2 BST x : 0.6 terlihat ada lonjakan nilai faktor dioda ideal, pada analisis lain dalam penelitian ini pun terjadi lonjakan nilai pada sampel tersebut, yang dapat disimpulkan bahwa hasil pembuatan sampel BST x : 0.6 ukuran 1 x 1 cm2 kurang baik atau terdapat noise.
Tabel 9 Nilai faktor dioda ideal
x 0.5 0.6 0.7 0.8
n ( sampel 1 x 1) 54.645 781.250 31.746 44.843
n (sampel 2 x 2) 75.758 58.480 42.373 15.924
Gambar 9 Grafik faktor dioda ideal
-50 150 350 550 750
0.5 0.6 0.7 0.8
n
fraksi mol
n ( sampel 1 x 1)
15
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Dari penelitian ini telah berhasil dibuat film BST dengan fraksi mol 0.5, 0.6, 0.7, dan 0.8 diatas substrat Si (100) tipe-p dengan menggunakan metode CSD.
Film BST yang dihasilkan memiliki karakter dioda. Penelitian analisis arus saturasi, hambatan seri, hambatan paralel dan energy gap pada film ferrolektrik
BaxSr1-xTio3 (0.5, 0.6, 0.7, dan 0.8) ditinjau dari hasil karakterisasi dan analisis
menunjukkan bahwa nilai arus saturasi yang dihasilkan dari film BST yang dibuat cenderung bertambah besar seiring dengan menurunnya nilai hambatan seri dan nilai hambatan parallel yang menyebabkan elektron cenderung lebih mudah mengalir dalam material BST. Hasil hambatan paralel (Rp) dan hambatan seri (Rs) yang didapat menunjukkan semakin besar konsentrasi Barium yang diberikan pada bahan membuat kecenderungan nilai hambatan seri dan hambatan paralel mengecil. Hal ini dikarenakan jari–jari atom Barium lebih kecil dari jari–jari atom Stronsium.Sedangkan analisis energy gap menunjukkan bahwa semakin besar
variasi tegangan catu yang diberikan pada material BST, semakin kecil nilai
energy gap yang didapat. Dengan semakin kecilnya nilai energy gap yang didapat
memungkinkan elektron lebih mudah berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Pada analisis faktor dioda ideal dihasilkan nilai yang amat besar yakni sekitar 15 hingga 75, bahkan ada yang bernilai 781. Namun ketidaksesuaian hasil ini merupakan perbandingan film BST tanpa didadah, sedangkan literatur menggunakan Platinum sebagai pendadah.
DAFTAR PUSTAKA
1. Iriani, Y., Hikam, M., Soegijono, B., Mudzakir, I. Pengaruh Heating Rate
dan Jumlah Lapisan Terhadap Sifat Listrik (Kurva Histerisis) pada Lapisan Tipis Barium Stronsium Titanat. Depok : Departemen Fisika, FMIPA UI. 2007.
2. Hendrawan, A. Y. Sifat Optik Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 Doping Fe2O3.
[Skripsi]. Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Institut Pertanian Bogor. 2006.
3. www.kompas.com/kompas-cetak/0212/03/iptek/memo29.htm [19/11/2010]
4. S. O’Brien, L. Brus, C. B. Murray. Synthesis of Monodisperse Nanoparticles of Barium Titanate :Toward a Generalized Strategy of Oxide Nanoparticles Synthesis. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123,12085-12086, 2001.
5. Irzaman, Studi Lapisan Tips Pyroelektrik PbZr0.25Ti0.75O3 (PZT) yang
Didadah Tantalum dan Penerapannya Sebagai Infra Merah, Dsertasi, 2005. 6. Yogaraksa, T. Dan Hikam, M. Studi Vibrasi Material Ferroelektrik
PbZr0,625Ti0,375O3. [Jurnal] KFI (Kontribusi Fisika Idonesia) Vol. XIII no.3,
16
7. Adem, Umut. Preparation of BST Thin Film by Chenical Solution Deposition And Their Electrical Characterization. The Middle East Technical University. 2003.
8. Hilaludin, M. N. Pembuatan Sel Surya Berbasis Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3.
Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. 2010.
9. Giridharan, N. V., et al Structural, Morphological and Electrical Studies on Barium Stronsium Titanate Thin Film Prepared by Sol Gel Technique. Crystal Research Technology Vol 36 (1). Page 65 – 72.. 2001.
10. Sumardi, T. Penumbuhan Film Tipis Bahan PbZrxTi1-xO3 Doping In2O3
(PIZT) Dengan Metode Chemical Solution Deposition (CSD). [Skripsi]. Bogor : Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor. 2004.
11. Rio, S.R , M. Iida. Fisika dan Teknologi Semikonduktor. PT.
PradnyaParamita: Jakarta. 1999.
12. Omar, M.A. Elementary Solid State Physics. Addison-Wesley Publishing
Company, Inc . 2007.
13. Ima, Al Koon, Associate Professor. Diode Characteristic. ETR 148-91B.
2000.
14. Ho, J.J, Y.K. Fang, W.J. Lee, J. Lee,F.Y.Chen, W.T. Hsieh, S.F.Ting, M.S.Ju, S.B. Huang, K.H. Wu and C.Y. Chen. IEEE Trans Elektron Devices.
46 (12), 2289. 1999.
15. Cheng, J.G, J.Tang, A.J. Zhang, X.J. Meng and J.H. Chu. Sol-gel derived pyroelectric barium strontium titanate thin films for infrared detector applications. Applied physics amaterials science and processing.71, 67-670. 2000.
17
18
Lampiran 1 Data perhitungan massa
BST 1 M = 1 mol/L; dengan pelarut 2-metoksiethanol sebanyak 2,5 ml • Mol (n) Ba(CH3COO)2 = fraksi mol x M x Vpelarut
= 0,5 x 1 (mol/L) x 0,0025 L
= 0,00125 mol
• Mol (n) Sr(CH3COO)2 = 0,5 x 1 (mol/L) x 0,0025 L
= 0,00125 mol
• Mol (n) Ti(C12H28O4) = 1 x 1 (mol/L) x 0,0025 L
= 0,0025 mol
Massa (gram) dari hubungan : n = m/Mr • M [Ba(CH3COO)2 ] = nBa x MrBa
= 0,00125 x 255,439
= 0,31929 gram
• M [Sr(CH3COO)2 ] = nSr x MrSr
= 0,00125 x 205,732
= 0,25717 gram
• M [Ti(C12H28O4)] = nTi x MrTi
= 0,00125 x 284,224
19 Lampiran 2 Data arus – tegangan (I – V) Sampel 1 x 1
Sampel 1x1 (x = 0.5) Sampel 1x1 (x = 0.6) Sampel 1x1 (x = 0.7) Sampel 1x1 (x = 0.8)
V (volt) I (ampere) V (volt) I (ampere) V (volt) I (ampere) V (volt) I (ampere) 19.99991 0.000799642 -2.00E+01 -1.74E-04 -10.0093 -0.00038 -1.00E+01 -1.59E-04
18.97124 0.00071064 -1.02E+01 -4.35E-05 -8.94856 -0.0003 -8.01E+00 -7.09E-05
17.95245 0.000638909 -5.60E+00 1.72E-06 -7.89649 -0.00022 -6.01E+00 -2.44E-05
16.92171 0.000558561 0.401602 2.96E-06 -6.84586 -0.00015 -4.00E+00 -6.32E-06
15.89787 0.000494118 5.200354 3.56E-05 -5.79136 -8.4E-05 -2.00E+00 -3.98E-06
14.87074 0.000428391 10.00226 0.000135 -4.73869 -5E-05 3.74E-03 -2.18E-06
13.84573 0.000372493 15.9991 0.000273 -3.68807 -3.4E-05 2.00E+00 1.41E-05
12.82363 0.000317431 19.99384 0.000355 -2.63436 -1.9E-05 4.01E+00 3.87E-05
11.79618 0.000269318 -1.58551 -1E-05 6.00E+00 1.14E-04
10.77133 0.00022457 -0.53891 -4.7E-06 8.00E+00 1.88E-04
9.746806 0.000188969 0.521096 3.86E-06 1.00E+01 2.79E-04
8.719473 0.000155607 1.578044 3.09E-05
7.692364 0.000126007 2.633183 5.92E-05
6.667135 9.51643E-05 3.685681 8.63E-05
5.643172 7.26634E-05 4.736259 0.00013
4.613582 5.36005E-05 5.788486 0.000188
20
Lampiran 3 Data arus – tegangan (I – V) Sampel 2 x 2
Sampel 2x2 (x = 0.5) Sampel 2x2 (x = 0.6) Sampel 2x2 (x = 0.7) Sampel 2x2 (x = 0.8)
V (volt) I (ampere) V (volt) I (ampere) V (volt) I (ampere) V (volt) I (ampere) -1.00E+01 -4.10E-04 -1.50E+01 -2.81E-04 -1.50E+01 -1.31E-03 -3.00E+01 -1.87E-03 -8.00E+00 -2.71E-04 -1.34E+01 -2.31E-04 -1.20E+01 -8.40E-04 -2.79E+01 -1.76E-03 -6.00E+00 -1.74E-04 -1.17E+01 -1.80E-04 -9.00E+00 -4.73E-04 -2.58E+01 -1.53E-03 -4.00E+00 -8.74E-05 -1.01E+01 -1.28E-04 -6.00E+00 -2.59E-04 -2.37E+01 -1.32E-03 -2.00E+00 -3.30E-05 -8.43E+00 -8.88E-05 -3.00E+00 -1.10E-04 -2.16E+01 -1.12E-03 -3.26E-03 -5.79E-06 -6.79E+00 -4.62E-05 -1.24E-02 4.66E-06 -1.95E+01 -9.34E-04
2.00E+00 5.81E-05 -5.15E+00 -1.97E-05 2.97E+00 1.05E-04 -1.74E+01 -7.77E-04
4.00E+00 1.54E-04 -3.51E+00 -9.98E-06 6.00E+00 3.34E-04 -1.53E+01 -6.45E-04
6.00E+00 2.68E-04 -1.86E+00 1.18E-06 9.01E+00 5.86E-04 -1.32E+01 -5.31E-04
8.00E+00 3.90E-04 -2.19E-01 2.61E-06 1.20E+01 1.00E-03 -1.11E+01 -4.46E-04
1.00E+01 4.79E-04 1.43E+00 1.18E-05 1.50E+01 1.36E-03 -8.97E+00 -3.67E-04
3.07E+00 5.84E-05 -6.85E+00 -2.88E-04
4.71E+00 1.48E-04 -4.75E+00 -2.08E-04
6.36E+00 2.53E-04 -2.64E+00 -1.20E-04
9.50E+00 3.96E-04 -5.47E-01 -1.28E-05
1.59E+00 8.58E-05
3.69E+00 2.39E-04
5.85E+00 4.29E-04
7.90E+00 6.34E-04
21 Lampiran 4 Data energy gap
23
1x1 0,5 bias mundur
0 V 3 V 4,5 V 6 V
(nm) 440 450 460
Egap (eV) 2.978 2.78 2.72 2.7
1x1 0,7 bias mundur
24
2x2 0,5 bias mundur
0 V 3 V 4,5 V 6 V
(nm) 450 460 460
Egap (eV) 2.779 2.74 2.72 2.74
2x2 0,7 bias mundur
0 V 3 V 4,5 V 6 V 2x2 0,6 bias mundur
0 V 3 V 4,5 V 6 V
2x2 0,8 bias mundur
26
28
30
31
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Berlin pada tanggal 06 Mei 1990 dari pasangan Bambang Trinugroho dan Juli Elia Saraswati. Penulis adalah anak pertama dari 3 bersaudara.
