Sifat ferroelektrik film tipis Ba1-y/2(Ti1-yTay)O3(BTT)

(1)

SIFAT FERROELEKTRIK FILM TIPIS Ba

1-y/2

(Ti

1-y

Ta

y

)O

3

(BTT)

Oleh:

Eko Sulistyo

G74102008

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

ABSTRAK

EKO SULISTYO. SIFAT FERROELEKTRIK FILM TIPIS Ba1-y/2(Ti1-yTay)O3

(BTT).

Dibimbing oleh Mersi Kurniati, M.Si.

Telah berhasil ditumbuhkan film tipis Ba1-y/2(Ti1-yT ay)O3 (BTT) dengan metode chemical

solution deposition (CSD). Digunakan spin coating dengan kecepatan putar 3000 rpm dalam

waktu 30 detik, dilakukan 5 kali pelapisan. Penumbuhan film tipis BTT dilakukan diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan Si (100) tipe-p, dilakukan annealing pada suhu 900oC, 950 oC dan

1000 oC. Uji sifat ferroelektrik dilakukan dengan alat Radiant Technology model RT 66 A. Film tipis dengan sifat ferroelektrik yang terbaik adalah untuk penumbuhan film tipis BTT diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) untuk suhu annealing 1000oC dengan nilai polarisasi

remanen, polarisasi saturasi dan medan koersif masing-mas ing 1,4709µC/cm2, 5,5970µC/cm2, dan 2,9832kV/cm.

(3)

SIFAT FERROELEKTRIK FILM TIPIS Ba

1-y/2

(Ti

1-y

Ta

y

)O

3

(BTT)

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains

pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Pertanian Bogor

Oleh:

Eko Sulistyo

G74102008

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(4)

J udul : Sifat Ferroelektrik Film Tipis Ba

1-y/2

(Ti

1-y

Ta

y

)O

3

(BTT)

Nama : Eko Sulistyo

NRP : G74102008

Menyetujui,

Pembimbing I

Mersi Kurniati, M.Si

NIP.132 206 237

Mengetahui :

Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Pertanian Bogor

Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M.S

NIP. 131473999

(5)

Riwayat Hidup

Penulis dilahirkan di Alai Ilir pada tanggal 24 Maret 1984 dari pasangan Bapak Sarmo dengan Ibu Tuti Mulyani. Penulis merupakan anak pertama dari dua bersaudara.

Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SDN 305 Kuamang Kuning pada tahun 1996. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan di SMPN 4 Pelepat sampai selesai pada tahun 1999, kemudian penulis melanjutkan pendidikan di SMUN 1 Pelepat. Setelah menyelesaikan pendidikan di SMU pada tahun 2002 penulis melanjutkan pendidikan sarjana strata satu di Jurusan Fisika IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI).

(6)

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulillah senantiasa penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, yang telah memberikan Rahmat dan Karunia-Nya serta begitu banyak nikmat yang tak terhingga jumlahnya. Hanya dengan izin dan kemudahan yang diberikan-Nya, penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi dengan judul ”Sifat Ferroelektrik Film Tipis Ba1-y/2(Ti1-yTay)O3

(BTT)”.

Penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Ibu Mersi Kurniati sebagai dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan penelitian.

2. Terimakasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak Irzaman yang telah banyak membantu terlaksananya penelitian ini, tanpa beliau penelitian ini tidak mungkin berlangsung. 3. Seluruh dosen fisika IPB yang telah berkenan berbagi ilmu dan pengalamannya.

4. Keluarga tercinta ( Bapak, Ibu, Adik Dwi Retno Sulistyaningsih) atas semua doa, semangat dan kasih sayangnya. Semangat kuliahnya, capai cita-citamu.

5. Eti tercinta dan keluarga atas doa, semangat, dan bantuannya. Maaf ya sering buat kamu marah.

6. Teman-teman Elvo dan Elvo’ers dan juga Bravo semoga persahabatan kita tidak hanya sampai disini, tapi berlanjut sampai masa mendatang.

7. Rekan-rekan penelitianku Anantho, Hastyo, K’ Cucu, dan K’ Yerry. 8. Staff dan laboran departemen Fisika IPB atas bantuan dan kerjasamanya. 9. Pak Firman atas segala bantuannya.

10. Semua rekan 38, 39, 40 dan 41.

11. Serta semua pihak yang telah membantu penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu.

Material ferroelektrik menjadi sangat penting dalam teknologi khususnya untuk aplikasi devais memori penyimpan. Oleh karena itu penelitian di bidang ini sangat banyak dikembangkan, terlebih penelitian mengenai material BTT masih jarang dilakukan.

Penulis menyadari dalam tulisan ini masih terdapat kekurangan, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk hasil yang lebih baik. Semoga skripsi ini dapat memberikan sumbangan yang Allah berikan manfaatnya kepada semuanya.

Bogor, Mei 2006

(7)

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN ...i

RIWAYAT HIDUP...ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ...iv

DAFTAR GAMBAR ...v

DAFTAR TABEL ...vi

DAFTAR LAMPIRAN ... vii

PENDAHULUAN Latar Belakang ...1

Tujuan Penelitian ...1

TINJAUAN PUSTAKA Bahan Ferroelektrik ...1

Bahan Barium Titanat (BaTiO3). ...2

Bahan Pendadah... ...2

Tantalum Oksida (Ta2O5)...2

Metode Chemical Solution Deposition (CSD)...3

Karakterisasi film tipis BTT... ...3

Karakterisasi struktur dengan XRD ...3

Karakterisasi morfologi permukaan dengan Scanning Electron Microscopy (SEM) ... 4

Karakterisasi Ferroelektrik ...4

BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian ...4

Alat dan Bahan ...4

Metode penelitian...4

Pembuatan larutan... 4

Persiapan substrat...4

Proses penumbuhan film tipis ...5

Proses Annealing ...5

Karakterisasi XRD, SEM dan Ferroelektrik...5

HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan sampel ...6

Karakterisasi XRD ...6

Karakterisasi morfologi permukaan (SEM) ...7

Karakterisasi Ferroelektrik ...9

KESIMPULAN...12

(8)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Kurva histerisis ... 1

Gambar 2.2. Struktur perovskite dari BaTiO3 ... 2

Gambar 2.3. Donor doping ... 2

Gambar 2.4. Kekosongan padaposisi ion... 3

Gambar 3.1. Peralatan spin coating... 5

Gambar 3.2 Proses annealing... 5

Gambar 3.3a. Substrat Si... 5

Gambar 3.3b. Substrat Pt(200)/SiO2/Si(100)... 5

Gambar 4.1. Pola XRD film tipis BTT yang ditumbuhkan diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) (a) suhu annealing 900oC (b) suhu annealing 950oC (c) suhu annealing 1000oC ... 6

Gambar 4.2. Pola XRD film tip is BTT yang ditumbuhkan diatas substrat Si(100) tipe-p (a) suhu annealing 900oC (b) suhu annealing 950oC (c) suhu annealing 1000oC ... 6

Gambar 4.3. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada suhu 900oC dengan perbesaran 2.000x ... 7

Gambar 4.4. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada suhu 950oC dengan perbesaran 2.000x ... .7

Gambar 4.5. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada suhu 1000oC dengan perbesaran 2.000x ... 7

Gambar 4.6. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 900oC dengan perbesaran 20.000x. ... 8

Gambar 4.7. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 950o_{C dengan perbesaran 20.000x... .8}

Gambar 4.8. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 1000o_{C dengan perbesaran 20.000x. ... 8}

Gambar 4.9. Penampang melintang BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada suhu 900oC dengan perbesaran 10.000x. ... 8

Gambar 4.10. Penampang melintang BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada suhu 950oC dengan perbesaran 10.000x... .8

Gambar 4.11. Penampang melintang BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada suhu 1000oC dengan perbesaran 10.000x... .8

Gambar 4.12. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 900oC dengan perbesaran 10.000x ... .9

Gambar 4.13. Penampang melintang BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 950oC dengan perbesaran 10.000x ... .9

Gambar 4.14. Penampang melintang BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 1000oC dengan perbesaran 10.000x. ... 9

Gambar 4.15. Grafik hubunga n polarisasi remanan vs tegangan film tipis BTT pada substrat Pt a) suhu annealing 900oC b) suhu annealing 950oC c) suhu annealing 1000oC... 10

Gambar 4.16. Grafik hubungan polarisasi saturasi vs tegangan film tipis BTT pada substrat Pt a) suhu annealing 900oC b) suhu annealing 950oC c) suhu annealing 1000oC... 10

Gambar 4.17. Grafik hubungan medan koersif vs tegangan film tipis BTT pada substrat Pt a) suhu annealing 900oC b) suhu annealing 950oC c) suhu annealing 1000oC... 10

Gambar 4.18. Grafik hubungan polarisasi remanan vs t egangan film tipis BTT pada substrat Si a) suhu annealing 900oC b) suhu annealing 950oC c) suhu annealing 1000oC... 11

Gambar 4.19. Grafik hubungan polarisasi saturasi vs tegangan film tipis BTT pada substrat Si a) suhu annealing 900oC b) suhu annealing 950oC c) suhu annealing 1000oC... 11

Gambar 4.20. Grafik hubungan medan koersif vs tegangan film tipis BTT pada substrat Si a) suhu annealing 900oC b) suhu annealing 950oC c) suhu annealing 1000oC... 11

Gambar 4.21. Grafik hubungan gradien polarisasi saturasi vs suhu untuk beberapa suhu annealing. ... 12

(9)

DAFTAR TABEL

(10)

DAFTA R LAMPIRAN

Lampiran 1. Diagram alir penelitian. ... 15 Lampiran 2. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

900o_{C dengan perbesaran 4.000x ...16}

Lampiran 3. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

950o_{C dengan perbesaran 4.000x. ... 16}

Lampiran 4. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

1.000oC dengan perbesaran 4.000x. ... 16 Lampiran 5. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada

suhu 900o_{C dengan perbesaran 10.000x. ... 16}

Lampiran 6. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada

suhu 1.000oC dengan perbesaran 10.000x. ... 16 Lampiran 7. Penampang melintang BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada

suhu 900oC dengan perbesaran 20.000x. ... 16 Lampiran 8. Penampang melintang BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada

suhu 1.000oC dengan perbesaran 20.000x. ... 17 Lampiran 9. Penampang melintang BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

900oC dengan perbesaran 20.000x. ... 17 Lampiran 10. Penampang melintang BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

950oC dengan perbesaran 20.000x. ... 17 Lampiran 11. Penampang melintang BT T di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

1.000oC dengan perbesaran 20.000x. ... 17 Lampiran 12. Data polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada suhu 900oC dengan pemberian tegangan

9 volt. ... 18 Lampiran 13. Data polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

14 volt ...23 Lampiran 18. Data polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

(11)

Lampiran 23. Data polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

9 volt. ... 34 Lampiran 29. D ata polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 900oC dengan pemberian tegangan

5 volt... 40 Lampiran 35. Data polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

8 volt. 43

9 volt ... 44 Lampiran 39. Data polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

(12)

10 volt . ... 59 Lampiran 54. Data polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

11 volt . ... 60 Lampiran 55. Data polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

12 volt ...61 Lampiran 56. Data polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

14 volt . ... 63 Lampiran 58. Hasil karakterisasi EDX untuk penumbuhan film tipis BTT-murni diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dengan suhu annealing 900oC... 64

Lampiran 59. Hasil karakterisasi EDX untuk penumbuhan film tipis BTT-oksida diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dengan suhu annealing 900oC... 64

Lampiran 60. Hasil karakterisasi EDX untuk penumbuhan film tipis BTT-murni diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dengan suhu annealing 950oC... 65

Lampiran 61. Hasil karakterisasi EDX untuk penumbuhan film tipis BTT-oksida diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dengan suhu annealing 950oC... 65

(13)

Lampiran 63. Hasil karakterisasi EDX untuk penumbuhan film tipis BTT-oksida diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dengan suhu annealing 1.000oC. ... 66

Lampiran 64. Hasil karakterisasi EDX untuk penumbuhan film tipis BTT-murni diatas substrat Si(100) tipe-p dengan suhu annealing 900oC. ... 67

Lampiran 65. Hasil karakterisasi EDX untuk penumbuhan film tipis BTT-oksida diatas substrat Si(100) tipe-p dengan suhu annealing 900oC ...67

Lampiran 66. Hasil karakterisasi EDX untuk penumbuhan film tipis BTT-murni diatas substrat Si(100) tipe-p dengan suhu annealing 950oC. ... 68

Lampiran 67. Hasil karakterisasi EDX untuk penumbuhan film tipis BTT-oksida diatas substrat Si(100) tipe-p dengan suhu annealing 950oC. ... 68

Lampiran 68. Hasil karakterisasi EDX untuk penumbuhan film tipis BTT-murni diatas substrat Si(100) tipe-p dengan suhu annealing 1.000oC. ... 69

(14)

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Material ferroelektrik menjadi sangat penting dalam teknologi khususnya untuk aplikasi devais memori penyimpan mikroelektromekanik (memory storage devices microelectromechanical systems),

kapasitor keramik multilayer (multilayer

ceramic capacitor), dan devais

optoelektronik [1]. Kelompok dari oksida ferroelektrik kompleks contohnya adalah BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, dan (Ba,Sr)TiO3[2].

Kemampuan oksida ferroelektrik misalnya polarisasi spontan dan permitivitas dielektrik yang tinggi dikenal sebagai piezo- dan pyroelektrik membuat kelompok material ferroelektrik diteliti untuk berbagai aplikasi[3].

Khususnya BaTiO3 yang merupakan

material ferroelektrik dengan konstanta dielektrik yang tinggi, yakni diatas 2000 pada suhu ruang[4]. BaTiO3 secara luas

banyak digunakan untuk membuat komponen elektronik seperti kapasitor multilayer[5,6], transduser piezoelektrik dan berbagai devais elektrooptik[6].

Dalam penelit ian ini dilakukan pembuatan film tipis BTT dengan cara melakukan doping tantalum pada BaTiO₃

menggunakan metode chemical solution deposition (CSD). Digunakan spin coating

dengan kecepatan putar 3000 rpm dalam waktu 30 detik, dan dilakukan 5 kali pelapisan . Penumbuhan film tipis BTT dilakukan di atas substrat Pt (200)/SiO2/Si

(100) dan Si(100) tipe-p. Dilakukan variasi suhu annealing yaitu 900oC, 950oC, dan

1000o_{C, dengan molaritas larutan BaTiO} 3

yang digunakan adalah 1 M, yang kemudian akan diuji sifat ferroelektriknya dan dikarakterisasi menggunakan SEM

(Scanning Electron Microscopy), EDX

(Energy Dispersive X-ray Analyzer) dan

XRD (X-ray diffraction).

Tujuan Penelitian

Tujuan umum dari penelitian ini adalah menguji sifat ferroelektrik film tipis dari bahan BaTiO3 yang didadah tantalum

(BTT). Tujuan khusus dari penelitian ini adalah:

1. Melakukan penumbuhan film tipis BTT diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100)

dan substrat Si(100) tipe-p.

2. Menganalisis uji sifat ferroelektrik struktur film tipis BTT.

3. Mempelajari sifat ferroelektrik dari lapisan tipis.

TINJAUAN PUSTAKA

Bahan Ferroelektrik

Ferroelektrisitas merupakan fenomena yang diperlihatkan oleh kristal dengan suatu polarisasi spontan dan efek histerisis yang berkaitan dengan perubahan dielektrik dalam merespon penerapan medan listrik [2].

Material ferroelektrik memiliki polarisasi spontan (Ps) oleh pemberian medan listrik yang

lebih besar dibandingkan dengan medan koersif (Ec). Ferroelektrik merupakan kelompok

material dielektrik dengan polaris asi listrik internal yang lebar P(C/m2_{), serta mempunyai}

kemampuan merubah polarisasi internalnya dengan menggunakan medan listrik yang sesuai. Material ferroelektrik dicirikan oleh kemampuan untuk membentuk kurva histerisis, sesuai dengan gambar 2.1 yaitu kurva yang menghubungkan antara medan listrik dan polarisasi. Jika kuat medan listrik ditingkatkan maka akan menyebabkan polarisasi meningkat dengan cepat (OA) sehingga material akan mengalami saturasi (AB). Jika kuat medan diturunkan, polarisasi listriknya tidak akan kembali ke titik O, tetapi cenderung mengikuti garis BC. Ketika medan listrik tereduksi menjadi nol, material akan memiliki polarisasi remanen (Pr) (OC).[7] Polarisasi remanen

didefinisikan sebagai nilai dari polarisasi yang tersisa setelah pengaruh medan listrik dihilangkan[ 8].

Untuk menghapus nilai polarisasi dari material dapat dilakukan dengan menggunakan sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga dari medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan koersif (Ec). Jika pemberian

(15)

Gambar 2.3. Donor doping

prohibite

d

5+

B

vacancy

Gambar 2.2. Struktur perovskite dari BaTiO3

hanya saja bernilai negatif (EF). Putaran kurva akan lengkap jika medan listrik dinaikkan lagi dan pada akhirnya akan didapatkan kurva hubungan polarisasi (P) dengan medan koersif (Ec) yang ditunjukkan

loop histerisis[7].

Bahan Barium Titanat (BaTiO3)

Barium titanat merupakan suatu bahan ferroelektrik dari golongan perovskite dan

telah dipelajari secara ektensif. Pada temperatur tinggi barium titanat memiliki struktur kubik dari perovskite, ketika

didinginkan dibawah temperatur 120o_C

berubah menjadi fase tetragonal [9]. Secara umum sturuktur perovskite dengan bentuk

ABO3 dimana A dapat merupakan logam

monovalen, divalen atau trivalen dan B dapat berupa unsur pentavalen, tetravalen atau trivalen sedangkan O adalah unsur oksigen [7]. Struktur perovskite dari bahan

BaTiO3 dapat dilihat pada gambar 2.2.[10].

Bahan barium titanat memiliki temperatur Curie sekitar 120o_{C, yakni}

temperatur terjadinya perubahan fase dari fase tetragonal menjadi fase kubik atau sebaliknya dari fase kubik menjadi tetragonal [2, 11]. Pergeseran ionik pada BaTiO3 akan meningkatkan hasil

ferroelektrisitas dalam distorsi ke fase tetragonal noncentrosymmetric. Perubahan

dalam konstanta kisi = 1% {c ) 4.036 Å; a )

3.992 Å} [2]. BaTiO3 telah digunakan

sebagai bahan kapasitor permitivitas tinggi karena konstanta dielektriknya yang tinggi. Variasi komposisi kimia atau perlakuan termal akan menyebabkan perubahan drastis pada sifat fisiknya namun sifat piezoelektriknya tidak berubah [12].

Bahan Pendadah

Resistansi elektrik dan temperatur transisi ferroelektrik dapat dikendalikan secara efektif dengan penambahan doping ion donor impuritas yang sesuai. Dengan penambahan kelompok oksida softeners, hardeners, dan stabilizers

dapat memodifikasi bahan ini [12]. Pada suhu transisi material ferroelektrik berubah dari fasa ferroelektrik (polarisasi spontan tidak sama dengan nol) ke fasa paraelektrik (polarisasi spontan sama dengan nol)[7].

Bahan pendadah pada material ferroelektrik dibedakan menjadi dua jenis, yaitu soft doping

(tantalum) dan hard doping (galium). Ion soft doping disebut juga dengan istilah donor

doping karena menyumbang valensi yang

berlebih pada struktur kristal. Sedangkan hard doping disebut juga dengan istilah acceptor doping karena menerima valensi yang berlebih

di dalam struktur kristal [7,12].

Donor doping mereduksi besarnya medan

koersif, modulus elastik, efek aging dan

meningkatkan permitivitas, konstanta dielektrik,

mechanical losses [12], kualitas listrik yang

lebih rendah [7,13]. Acceptor doping

memberikan konduktivitas yang lebih tinggi, mereduksi konstanta dielektrik, meningkatkan faktor kualitas mekanik dan efek aging [11], bulk resistivitas lebih rendah, medan koersif

lebih besar, dan faktor kualitas listrik lebih tinggi [7,13].

Tantalum Oksida (Ta2O5)

Material tantalum oksida (Ta2O5) merupakan

sumber ion donor (donor doping) Ta5+.

Penambahan ion dopan Ta5+_{akan menyebabkan}

pembentukan ruang kosong di posisi ion B pada struktur perovskite ABO3. Karena ion dopan

T a5+ _{memiliki valensi lebih dari 4+, maka}

kelebihan muatan positif (+) akan terjadi pada struktur perovskite dan terjadi kekosongan di

posisi B sebagai konpensasi untuk menjaga kenetralan muatan (electroneutraly balance).

Semakin banyak penambahan ion dopan ini akan menyebabkan semakin banyaknya ion posisi B yang terlepas [7]. Kekosongan ini dapat terlihat pada gambar 2.3.

(16)

Pada gambar 2.3 kekosongan pada posisi B merupakan kekosongan pada posisi Ba2+ karena adanya kelebihan muatan positif akibat penambahan ion dopan Ta5+ menggantikan posisi Ti4+. Posisi prohibited

merupakan posisi O dimana posisi ini tidak terjadi perubahan dengan penambahan ion dopan Ta5+.

Kondisi diatas terlihat jelas pada struktur

perovskite BaTiO₃, dimana ruang kosong

terjadi pada posisi Ba2+, seperti terlihat pada gambar 2.4.

Metode Chemical Solution Deposition

(CSD)

Metode chemical solution deposition

(CSD) merupakan cara pembuatan film tipis dengan pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, kemudian di preparasi dengan

spin coating pada kecepatan putar tertentu.

[14]

Karakterisasi film tipis BTT

Karakterisasi yang dilakukan pada film tipis BTT meliputi struktur kristal dengan menggunakan XRD, morfologi permukaan dan ketebalan film tipis dengan SEM,

element yang terdapat pada film tipis dan

jumlah persen massa tiap unsur dengan karakterisasi EDX, serta sifat ferroelektrik dengan uji ferroelektrik.

Karakterisasi struktur dengan XRD Tujuan dari karakterisasi ini adalah untuk menentukan sistem kristal dari material (kubus, tetragonal, ortorombik, rombohedral, heksagonal, monoklinik, triklinik), mencari parameter kristal (konstanta kisi).[7,17]

Karena panjang gelombang sinar-X hampir sama dengan jarak antar atom pada kristal, maka sinar-X dapat didifraksikan oleh kristal.[17]

Hubungan antara sudut difraksi dan konstanta kisi bergantung dengan sistem

kristal untuk suatu material. Untuk struktur kristal kubus memenuhi persamaan 2.1 dan 2.2 yaitu:

λ

=

2

d

sin

θ

2.1

₂ 2 2 2 2

1

a

l

k

h

d

+

=

2.2

Metode analitik merupakan salah satu metode untuk menga nalisis sistem kristal, indeks pola difraksi (hkl) dan menentukan

parameter kisi suatu material. Pengindeksian dengan metode analitik meliputi pengerjaan aritmatik nilai

sin

2

θ

yang diujikan dalam beberapa hubungan persamaan. Kunci dari pengindeksian pola difraksi suatu sistem, terutama untuk sistem kubik adalah perbandingan dari

sin

2

θ

dari setiap puncak. Pola difraksi dari sistem kubik memenuhi persamaan 2.3: 2 2 2 2 2 2 2

4

sin

)

(

sin

a

s

l

k

h

λ

θ

=

+

2.3

di mana nilai perbandingan s merujuk pada penjumlahan dari indeks Miller dari bidang

pantulan (h k l), dengan penjumlahan s = (h2+k2+l2) selalu bilangan bulat dan

2 2

4a

A

=

λ

sebuah konstanta untuk setiap pola. Perbandingan dari nilai

sin

2

θ

pad a sistem kristal kubik mengikuti bilangan 1,2,3,4,5,6,…dan seterusnya (tergantung pada tipe kisi Bravaisnya). Prosedur pengindeksian sistem kristal kubik digambarkan dengan tabulasi langsung yang memberikan nilai {

sin

2

θ

}, {

sin

2

θ

/faktor pembaginya} dan {sudut (2? )} dari setiap puncak.

Untuk menganalisis konstanta kisi struktur tetragonal menggunakan metode Cohen

memenuhi persamaan 2.4 dan 2.5 :

2 2 2 2 2 2

1

c

l

a

k

h

d

+

=

2.4

S a sin2 ? = C S a2 + BS a? + AS ad, S ? sin2 ? = C S a? + BS ?2 + AS ?d, 2.5 S d sin2 ? = C S ad + BS ?d + AS d2, Keterangan: d = jarak antar bidang; a,c =

konstanta kisi; h, k ,l = indeks Miller;

? = panjang gelombang (untuk target Cu = 1.54046 ? ); ? = sudut difraksi; a = h2+k2;

? = l2; d = 10 sin22? ; A =D/10; B = ?2/(4c2);

C = ?2_/(4a2_{); A, B, C, persamaan 2.5}

diselesaikan dengan metode Cramer.[7,17]

(17)

Karakterisasi morfologi permukaan dengan Scanning Electron Microscopy

(SEM )

Karakterisasi SEM dilakukan untuk mengetahui ketebalan dan morfologi film tipis BTT. Pada perbesaran 20.000 kali morfologi permukaan dan ketebalan film dapat terlihat dengan jelas. Data atau tampilan yang diperoleh adalah data dari permukaan atau dari lapisan tipis dengan ketebalan yang berbeda untuk masing-masing substrat. Dari karakterisasi SEM diperoleh gambar permukaan yang merupakan gambar topografi dengan segala tonjolan dan lekukan permukaan dan ketebalan lapisan tipis dari penampang melintangnya.

Karakterisasi Ferroelektrik

Uji ferroelektrik dilakukan untuk menentukan sifat ferroelektrik dari suatu film tipis yang dibuat. Dari uji ini akan didapatkan nilai polarisasi saturasi (Ps),

polarisasi remanen (Pr), medan koersif (Ec)

dari film tipis.

BAHAN DAN METODE

Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian dilakukan di Laboratorium Material Departemen Fisika IPB dan Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika FMIPA ITB dari bulan Juli 2005 sampai Februari 2006.

Alat dan Bahan

Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah timbangan Sartonius Model BL

6100, seperangkat alat reaktor spin coating,

gas hidrogen, mortal, pipet, gelas ukur pyrek 10 ml, tabung reaksi, setrika, pinset, gunting, spatula, stop watch, sarung tangan karet,

cawan petri, beker glass, tissue, dan isolasi.

Bahan yang dgunakan dalam penelitian ini adalah bubuk barium asetat Ba(CH3COO)2,99%], titanium isopropoksida

[Ti(C12O4H28), 99,999%], tantalum oksida,

pelarut 2-metoksietanol [H3COCH2CH2OH,

99%], substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan

substrat Si (100) tipe-p. Alat karakterisasi XRD model Philips Analytical PW1710, alat SEM JEOL type JSM -6360, dan alat uji ferroelektrik Radiant RT 66 A.

Metode penelitian

Metode penelitian dilakukan berdasarkan eksperimen murni. Penelitian secara umum

dilakukan dengan mengikuti tahapan penelitian pada lampiran 1.

Pem buatan larutan

Larutan dalam penelitian ini yaitu 1 M BaTiO3 doping tantalum dibuat dengan

menggunakan 0,32 gram barium asetat [Ba(CH3COO)2, 99 %] + 0,36 gram titanium

isopropoksida [Ti(C12O4H28), 99,999%] + 0,003

gram bahan pendadah tantalum oksida sebagai

precursor dan 2,5 ml 2-metoksietanol

[H3COCH2CH2OH, 99%] digunakan sebagai

pelarut [14,15]. Setelah semua dicampur, larutan dikocok selama 1 jam. Larutan kemudian dipanaskan agar bahan-bahannya lebih banyak tercampur. Setelah itu disaring agar didapatkan larutan yang lebih homogen. Persamaan reaksi pembentukan BaTiO3 dapat

dituliskan sebagai:

Ba(CH3COO)2 + Ti(C12O4H28) + 6O2

BaTiO3 + 8CH3COOH + H2O

Reaksi BT didadah tantalum (BTT) sesuai persamaan reaksi berikut:

BaTiO3 + Ta5+ B a1-y/2(Ti1-yTay)O3

Persiapan substrat

Substrat yang digunakan adalah Si(100) tipe-p dan Pt(200)/SiO2/Si(100).

Substrat-substrat tersebut dipotong membentuk persegi panjang dengan ukuran 0,5 cm x 1 cm.

Langkah-langkah pencucian substrat Pt : 1. substrat dibersihkan dengan metanol

selama 5 menit, proses ini dilakukan sebanyak 3 kali pengulangan,

2. pengeringan substrat di atas setrika selama 30 menit.

Langkah-langkah pencucian substrat Si(100) tipe-p :

1. substrat dibersihkan dengan aseton selama 10 menit,

2. kemudian substrat dibersihkan dengan metanol selama 10 menit, dan dibilas dengan menggunakan aquades, 3. pembuatan larutan H2O : NH4OH :

H2O2 dengan perbandingan 5 : 1 : 1,

larutan didiamkan selama 1-2 menit setelah itu substrat direndam selama 15 menit, kemudian substrat dicuci dengan aquades,

4. pembuatan larutan H2O : HF dengan

perbandingan 50 : 1 untuk membersihkan pengotor logam, 5. pembuatan larutan H2O : H2O2 : HCl

(18)

10 menit, setelah selesai dibilas dengan aquades.

6. substrat dikeringkan dengan menggunakan setrika selama 30 menit.[18]

Proses penumbuhan film tipis

Substrat diletakkan di atas reaktor spin coating yang telah ditempel dengan isolasi

pada bagian sentral, kemudian substrat ditetesi larutan precursor sebanyak 1 tetes.

Setelah itu dilakukan pemutaran oleh reaktor

spin coating yang diset 3000 rpm selama 30

detik. Setelah selesai, dilakukan pembuangan gas dengan blower agar sisa-sisa racun dalam ruang asam dihisap (dibuang). Proses penetes an dilakukan sebanyak 5 kali pengulangan agar didapatkan 5 lapisan pada substrat, kemudian substrat diangkat dengan menggunakan pinset dan diletakkan di atas setrika lalu dipanaskan selama 1 jam, pemanasan ini bertujuan untuk menghilangkan oksida-oksidanya. Peralatan

spin coating terlihat seperti gambar 3.1.

Gambar 3.1. Peralatan spin coating.

Proses Annealing

Proses annealing pada film tipis

dilakukan dengan menggunakan furnace

model Neberthem Type 27. Proses

annealing untuk substrat Si (100) tipe-p dan

substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dilakukan

hingga suhu mencapai 900oC, 950oC, dan 1000oC.

Proses annealing dilakukan secara

bertahap. Pemanasan dimulai dari suhu ruang dimana kenaikan suhu furnace diatur

dengan kenaikan suhu 100oC per jam. Setelah itu furnace diatur untuk menahan

suhu annealing tersebut selama 15 jam.

Selanjutnya dilakukan furnace cooling

sampai didapatkan kembali suhu ruang. Proses annealing dapat ditunjukkan seperti

terlihat pada gambar 3.2

Karakterisasi XRD, SEM, dan Ferroelektrik Analisis struktur film tipis BTT diamati dengan karakterisasi XRD menggunakan alat model Philips Analytical PW1710. Pengamatan dilakukan mulai dari sudut (2?) 5o_sampai

dengan 85o_{dengan kenaikan sudut 0.020 derajat}

setiap 1 detik.

Analisis morfologi permukaan, ketebalan dan penentuan unsur-unsur dalam bahan dilakukan karakterisasi SEM menggunakan alat SEM JEOL type JSM -6360.

Penentukan sifat ferroelektrik dari film tipis BTT ditentukan dengan uji ferroelektrik menggunakan alat Radiant RT 66 A. Dalam uji ini, film tipis dibentuk dengan susunan seperti terlihat pada gambar 3.3a dan gambar 3.3b

Bidang kontak Lapisan alumunium Bidang

kontak

Gambar 3.3a. Substrat Si Substrat Si

Film tipis BTT

Bidang kontak Lapisan alumunium Bidang

kontak

Substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) Film tipis

BTT

Gambar 3.3b. Substrat Pt(200)/SiO2/Si(100)

15 jam Tann

Gambar 3.2 Proses annealing

To

100o_C/jam

(19)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pembuatan sampel

Pada penelitian ini dilakukan pembuatan beberapa sampel dengan masing-masing perlakuan seperti terlihat pada tabel 4.1. Tabel 4.1. Daftar sampel film tipis BTT yang ditumbuhkan dengan masing-masing perlakuan yang diberikan.

Sampel Substrat Suhu

annealing

(o_C)

1 Pt(100)/SiO2/Si(100) 900

2 Pt(100)/SiO2/Si(100) 950

3 Pt(100)/SiO2/Si(100) 1000

4 Si(100) 900 5 Si(100) 950 6 Si(100) 1000

Karakterisasi XRD

Karakterisasi XRD bertujuan untuk mendapatkan hubungan antara sudut difraksi dengan intensitas. Data dari hasil XRD ters ebut digunakan untuk mencari nilai parameter kisi a dan c dari film tipis BTT. Perhitungan yang dilakukan yaitu dengan menggunakan metode Cohen.

Pola XRD dari film tipis BTT yang ditumbuhkan diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan substrat Si(100)

tipe-p untuk suhu annealing 900oC, 950 oC,

dan 1000 o_{C masing-masing diperlihatkan}

pada gambar 4.1 dan gambar 4.2.

Gambar 4.1. Pola XRD film tipis BTT yang ditumbuhkan diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100).

(a) suhu annealing 900oC

(b) suhu annealing 950oC

(c) suhu annealing 1000oC

Gambar 4.2. Pola XRD film tipis BTT yang ditumbuhkan diatas substrat Si(100) tipe-p

(a) suhu annealing 900oC

(b) suhu annealing 950oC

(c) suhu annealing 1000oC.

Dari hasil karakterisasi XRD dapat diketahui bahwa penumbuhan film tipis BTT di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan substrat

Si(100) tipe-p telah berhasil dilakukan. Hal ini terlihat dengan munculnya peak BTT

untuk penumbuhan di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dengan orientasi bidang

(117), (321), dan (0 0 16). Peak BTT juga

terlihat untuk penumbuhan film tipis di atas substrat Si(100) tipe-p dengan orientasi bidang yang sama dengan penumbuhan di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) yaitu orientasi bidang

(117), (321), dan (0 0 16).

Karakterisasi XRD menunjukkan bahwa substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan substrat

Si(100) tipe-p yang digunakan merupakan

single crystal. Hal ini dicirikan dengan adanya peak tunggal dari substrat dengan intensitas

difraksi yang paling menonjol bila dibandingkan dengan peak yang lainnya.

Perbedaan perlakuan variasi suhu annealing

memperlihatkan terjadinya perbedaan intensitas difraksi, namun masih memiliki nilai h k l dan 2θ yang sama. Untuk masing-masing substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan substrat Si(100) tipe-p

seiring dengan kenaikan suhu annealing maka

terjadi kenaikan intensitas difraksi, namun nilai intensitas lebih besar ditunjukkan oleh film tipis BTT yang ditumbuhkan diatas substrat Si(100) tipe-p.

(20)

Dengan kenaikan suhu annealing

terlihat bahwa konsentrasi bahan BTT akan semakin besar untuk substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan substrat

Si(100) tipe-p. Hal ini dapat dimungkinkan karena kuantitas bahan BTT yang terbentuk relatif sama, namun seiring dengan kenaikan suhu annealing

ketebalan film menjadi berkurang (terlihat dari hasil SEM), hal ini dapat disebabkan karena film tipis BTT yang terbentuk lebih terdeposisi ke dalam substrat, selain itu bahan sisa reaksi pembuatan BTT dalam bentuk cairan maupun oksida-oksida menjadi semakin berkurang, sehingga mengakibatkan konsentrasi bahan semakin meningkat.

Konsentrasi yang lebih besar diperlihatkan oleh penumbuhan di atas substrat Si(100) tipe-p. Hal ini dimungkinkan karena film yang ditumbuhkan di atas substrat Si(100) tipe-p lebih tebal.

Untuk penumbuhan film tipis BTT yang dilakukan diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dengan suhu annealing

1000oC terlihat muncul peak yang

lebih tinggi untuk BTT dengan orientasi bidang (321). Hal ini dapat dimungkinkan dengan terbentuknya kristal-kristal baru. Kristal yang terbentuk memiliki struktur dan komposisi yang sama seperti grain (butir) asli yang

tidak terdeformasi, tetapi memiliki dimensi yang lebih seragam[19].

Selama proses tersebut terjadi, butir-butir baru terbentuk, dimana selama pertumbuhan butir beberapa butir tumbuh lebih luas bila dibandingkan dengan butir disekitarnya.[17] Kenaikan suhu annealing memberikan

kecendrungan semakin meningkatnya

grain size[20, 21, 22, 23].

Karakterisasi ketebalan lapisan dan morfologi permukaan (SEM)

Hasil dari karakterisasi ketebalan lapisan dan morfologi permuka an dengan SEM untuk film tipis BTT yang ditumbuhkan di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan substrat

Si(100) tipe-p, diperlihatkan pada gambar 4.3 sampai gambar 4.14.

Gambar 4.3. Morfologi permukaan BTT di atas substrat

Pt(200)/SiO2/Si(100) dan

annealing pada suhu 900oC

dengan perbesaran 2.000x

dengan perbesaran 2.000x.

Gam bar 4.5. Morfologi permukaan BTT di atas substrat

(21)

Gambar 4.6 . Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

900o_{C dengan perbesaran}

20.000x.

Si(100) tipe-p dan

Gambar 4.8. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

1.000oC dengan perbesaran 20.000x.

Gambar 4.9. Penampang melintang BTT di atas substrat

annealing pada suhu 1.000oC

(22)

Gambar 4.1 2. Penampang melintang BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

10.000x.

1.000oC dengan perbes aran 10.000x.

Karakterisasi SEM untuk morfologi permukaan untuk untuk film tipis yang ditumbuhkan di atas substrat

Pt(200)/SiO2/Si(100) memperlihatkan keadaan

yang seragam, namun dengan kenaikan suhu

annealing dapat dilihat tonjolan yang terbentuk

memiliki ukuran yang lebih kecil. Tonjolan ini sebenarnya tidak diinginkan dalam penumbuhan film tipis, karena untuk penentuan ketebalan lebih mudah dilakukan untuk film tipis dengan permukaan yang rata.

Penumbuhan film tipis BTT di atas substrat Si(100) tipe-p memiliki morfologi permukaan yang tidak teratur. Hal ini terlihat nyata untuk suhu annealing 900oC. Bentuk morfologi

semakin teratur untuk perlakuan suhu annealing

950o_{C, dan keteraturan semakin bertambah}

untuk perlakuan suhu annealing 1000oC.

Sehingga bila dibandingkan maka penumbuhan film tipis di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100)

memperlihatkan morfologi yang lebih baik. Penumbuhan film tipis yang kurang baik dapat diakibatkan pada saat pendeposisian precursor

di atas substrat.

Dari hasil karakterisasi SEM untuk penampang melintang didapatkan ketebalan film tipis BTT untuk substrat Pt dan Si seperti terlihat pada tabel 4.

Tabel 4.2. Ketebalan untuk substrat Pt dan substrat Si pada beberapa variasi suhu.

Substrat Suhu

annealing

(oC)

Ketebalan (µm)

Pt

900 0.578

950 0.490

1000 0.466

Si 900 950 3.499 0.846

1000 0.434

Hasil pengukuran ketebalan menunjukkan bahwa kenaikan suhu annealing mempengaruhi

ketebalan dari film tipis BTT. Hal ini terlihat pada substrat Pt dan Si, dimana dengan perlakuan kenaikan suhu annealing akan

menyebabkan terjadinya penurunan pada ketebalan film tipis BTT.

Film tipis yang ditumbuhkan di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) meskipun mengalami

penurunan ketebalan, akan tetapi nilai penurunannya kecil. Hal sebaliknya ditunjukkan oleh film tipis BTT yang ditumbuhkan di atas substrat Si(100) tipe-p yang mengalami penurunan dengan nilai yang cukup besar. Karakterisasi Ferroelektrik

(23)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (Volt)

Polarisasi Remanen P(

µ C/cm 2) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (volt)

µ C/cm²) 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65

7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tegangan (volt)

µ C/cm²) 0 1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (volt)

Polarisasi Saturasi P(

µ C/cm 2) 0 1 2 3 4 5 6

9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (volt)

µ C/cm2) 0 1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (volt)

µ C/cm²) 0 0.5 1 1.5 2 2.5

9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (volt)

Kuat medan Koersif (kV/cm)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (volt)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (volt)

Hasil dari karakterisasi ferroelektrik diperlihat kan pada gambar 4.15 sampai dengan gambar 4. 20.

a)

b)

c)

Gambar 4.15. Grafik hubungan polarisasi remanan vs tegangan film tipis BTT pada substrat Pt a) suhu annealing 900oC b) suhu annealing

950o_{C c) suhu}_annealing₁₀₀₀o_C

a)

b)

c)

Gambar 4.16. Grafik hubungan polarisasi saturasi vs tegangan film tipis BTT pada substrat Pt a) suhu annealing 900oC b) suhu annealing

950o_{C c) suhu}_annealing₁₀₀₀o_C.

a)

b)

c)

Gambar 4.17. Grafik hubungan medan koersif vs tegangan film tipis BTT pada substrat Pt a) suhu annealing 900oC b) suhu

annealing 950oC c) suhu

(24)

0.13 0.135 0.14 0.145 0.15

5 6 7 8 9 10 11 12

Tegangan (volt)

µ

C/cm²)

0.13 0.135 0.14 0.145 0.15

5 6 7 8 9 10 11 12

Tegangan (volt)

µ

C/cm²)

1.4 1.41 1.42 1.43 1.44 1.45 1.46 1.47 1.48 1.49 1.5

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tegangan (volt)

µ

C/cm²)

0 1 2 3 4 5 6

5 6 7 8 9 10 11 12

Tegangan (volt)

µ

C/cm²)

0 1 2 3 4 5 6

5 6 7 8 9 10 11 12

Tegangan (volt)

µ

C/cm²)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tegangan (volt)

µ

C/cm2)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

5 6 7 8 9 10 11 12

Tegangan (volt)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

5 6 7 8 9 10 11 12

Tegangan (volt)

0.85 0.9 0.95 1 1.05

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tegangan (volt)

a)

b)

c)

Gambar 4.18. Grafik hubungan polarisasi remanan vs t egangan film tipis BTT pada substrat Si a) suhu annealing 900oC

b) suhu annealing 950oC

c) suhu annealing 1000oC

a)

b)

c)

Gambar 4.19. Grafik hubungan polarisasi saturasi vs tegangan film tipis BTT pada substrat Si a) suhu annealing 900oC b) suhu

annealing 1000oC

a)

b)

c)

Gambar 4.20. Grafik hubungan medan koersif vs tegangan film tipis BTT pada substrat Si a) suhu annealing 900oC b) suhu

annealing 1000oC

(25)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

900 950 1000

Suhu Annealing (o

C)

Gradien Kenaikan Medan

Koersif

Pt

Si

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

900 950 1000

Suhu annealing(o

C)

Gradien Kenaikan Polarisasi

Saturasi

Pt Si Film tipis yang baik untuk aplikasi

devais penyimpan memiliki nilai polarisasi remanan, polarisasi saturasi dan nilai medan koersif yang besar.

Hasil karakterisasi ferroelektrik menunjukkan bahwa nilai dari polarisasi remanan relatif sama untuk suhu annealing

900oC dan suhu 950 oC untuk penumbuhan film tipis BTT diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) maupun penumbuhan

diatas substrat Si(100) tipe-p. Nilai polarisasi remanan yang terbesar diperoleh untuk film tipis BTT yang diannealing

hingga suhu 1000o_C.

Perlakuan annealing hingga suhu 1000oC

akan membentuk grainsize yang lebih lebar.

Hal ini disebabkan suhu yang makin tinggi akan memperbesar grainsiz e.[20,21,22 ,23].

Bahan ferroelektrik memiliki daerah dengan polarisasi yang seragam yang dinamakan domain. Domain-domain dalam kristal dibatasi oleh dinding domain. Domain tidak dapat sejajar dengan sempurna terhadap medan, kecuali grain memiliki

orientasi yang sama dengan medan. Dengan

grain size yang lebih besar maka domain

yang sejajar dengan orientasi medan akan lebih besar dibandingkan dengan grain size

yang lebih kecil.[23]

Dari grafik hubungan antara polarisasi remanan dengan tegangan juga terlihat bahwa kenaikan tegangan yang diberikan tidak mempengaruhi nilai polarisasi remanan film tipis BTT.

Nilai polarisasi saturasi lebih besar didominasi oleh film tipis BTT yang ditumbuhkan diatas substrat Si(100) tipe-p bila dibandingkan dengan penumbuhan diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100).

Sebaliknya nilai medan koersif yang lebih besar didominasi oleh film tipis BTT yang ditumbuhkan diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100). Keadaan ini dapat

dilihat pada gambar 4. 21 dan gambar 4. 22 yang memperlihatkan gradien kenaikan polarisasi saturasi dan besar medan koersif terhadap suhu.

Dari grafik hubungan antara gradien kenaikan medan koersif terhadap suhu dapat dilihat bahwa penumbuhan film tipis di atas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) memiliki nilai

gradien yang lebih besar bila dibandingkan dengan penumbuhan di atas substrat Si(100) tipe-p.

Gambar 4.21. Grafik hubungan gradien polarisasi saturasi vs suhu untuk beberapa suhu annealing.

Gambar 4.22. Grafik hubungan gradien medan koersif vs suhu untuk beberapa suhu annealing.

Film tipis BTT yang sifat ferroelektriknya paling baik untuk aplikasi devais memori penyimpan adalah film tipis BTT yang ditumbuhkan diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dengan suhu annealing

1000oC, meskipun nilai polarisasi saturasi film tipis BTT penumbuhan diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) lebih kecil dibandingkan

BTT yang ditumbuhkan diatas substrat Si(100) tipe-p, akan tetapi polarisasi remanen dan medan koersifnya lebih besar.

KESIMPULAN

Hasil karakterisasi XRD menunjukkan bahwa film tipis BTT berhasil ditumbuhkan diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) dan

substrat Si(100) tipe-p.

Kenaikan suhu annealing mempengaruhi

ketebalan film tipis BTT yang dihasilkan. Dimana makin tinggi suhu annealing maka

ketebalan film akan semakin berkurang. Film tipis dengan sifat ferroelektrik yang terbaik adalah untuk penumbuhan film tipis BTT diatas substrat Pt(200)/SiO2/Si(100) untuk

suhu annealing 1000oC dengan nilai polarisasi

(26)

DAFTAR PUSTAKA

[1]. P. Victor, R. Ranjith, S. B. Krupanidhi.

Normal Ferroelectric to Relaxor Behavior in Laser Ablated Ca-Doped Barium Titanate Thin Films.

[2]. S. O’Brien, L. Brus, C.B. Murray. 2001.

Synthesisof Monodisperse Nanoparticles of Barium Titanate: Toward a Generalized Strategy of Oxide Nanoparticles Synthesis. J.

Am. Chem. Soc. 2001, 123, 12085-12086.

[3]. Y. Luo, I. Szafraniak, N.D. Zakharov, V. Nagarajan, M. Steinhart,

R.B.Wehrspohna, J.H. Wendorff, R. Ramesh, M. Alexeb. 2003. Nanoshell

Tubes of Ferroelectric Lead Zirconate Titanate and Barium Titanate. Appl.Physc. Lett. Vol. 83,

No.3

[4]. M. Bettinelli, A. Speghini, S. I. Seliman, I. K. Battisha.2004. Structural and

Dielectrical Properties of Nano -structure BaTiO₃ Powders Doped with Eu3+ Ions Prepared by Sol-Gel

Process.CODENFIZAE4

ISSN1330–0008.

[5]. K. Gomi, K. Tanaka, H. Kamiya. 2003.

Effect of Mixing Condition on Sol- Gel Synthesis of Barium Titanate Ultrafine Particles. J. Ceramic

Society of Japan, 111(1),67-72. [6]. W. Maisona, S. Anantab, T. Tunkasirib, P. Thavornyutikarna, S. Phanichphanta.

2001. Effect of Calcination Temperature on Phase

Transformation and Particle size of Barium Titanate Fine Powders Synthesized by the Catecholate Process. ScienceAsia27 (2001) :

239-243.

[7]. Irzaman. 2005. Studi Lapisan Tipis Pyroelektrik PbZr0,52T i0,48O3 (PZT)

Yang Didadah Tantalum dan Penerapannya Sebagai Infra Merah [Disertasi].

[8]. http://www.npl.co.uk. 15 Mei 2006

[9]. E. Burcsu, G. Ravichandran, K. Bhattacharya. 2001. Electro-

mechanical Behavior of 90-degree Domain Motion in Barium Titanate Single Crystals. Active Materials:

Behavior and Mechanics, C.S. Lynch, Ed. (Mar. 4-8, 2001).

[10]. W.D. Callister. 2001. Fundamentals of Materials Science and Engineering.

New york : John Wiley & Sons, Inc.

[11]. T. Izuhara, I. -L. Gheorma, R. M. Osgood, A.N. Roy, H. Bakhru, Y.M. Tesfu, M. E. Reeves. 2003. Single-

Crystal Barium Titanate Thin Films by Ion Slicing. Appl. Physc. Lett.

Vol.82,No.4.

[12]. M. Aparna, T. Bhimasankaram, S.V. Suryanarayana, G. Prasad, G.S. Kumar.

2001. Effect of Lanthanum Doping on Electrical and Electromechanical Properties of Ba1–xLaxTiO3. Bull.

Mater. Sci., Vol. 24, No. 5, pp. 497– 504.

[13]. K.Uchino. 2000. Ferroelectric Devices.

New york : Marcel Dekker.

[14]. H. Darmasetiawan, Irzaman, M. Hikam, T. Yogaraksa. 2002. Growth of Lead

Zirconium Titanate (PbZr0.525Ti0.475O3)

Thin Films Using Chemical Solution Deposition (CSD) Methode.

[15]. Irzaman, H. Darmasetiawan, M. N. Indro, S.G. Sukaryo, M. Hikam, Napeng Bo, M. Barmawi. 2001.

Electrical Properties of Crystalline Ba0,5Sr0,5TiO3 Thin

Film.

[16]. Irzaman, Cari, A. Supriyanto, Suparmi, J. D. Malago, T. Sumardi, M. Hikam, I. Usman, A. Supu. 2004. Optical

Properties of Gallium Oxide and Tantalum Oxide Doped BaTiO₃ Thin Film. Prosiding Pert emuan

Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2004 Serpong. [17]. B.D. Cullity, S.R. Stock. 2001.

Element of X-Ray Diffraction Third Edition. New Jersey: Prentice

Hall,inc.

[18]. T. Sumardi. 2004. Penumbuhan Film Tipis Bahan PbZrxTi1- xO3Doping

In2O3 (PIZT) dengan Metode

Chemical Solution Deposition

(CSD).

[19]. http://info.lu.farmingdale.edu.16 Mei 2006.

(27)

[21]. B.G. Y u, W.J. Lee, C.R. Cho, C.H. Shin, B. W. Kim.1999. Electronics

and Telecommunications Research Institute, (ETRI), Taejon, Korea The Effect of Annealing Temperature on Electrical Properties of

SrBi2Ta2O9/Insulators/Si(MFIS)

Structure for NDRO-type FRAM Devices. Cryst. Res. Technol. 34 1999 9 1197–1204.

[22]. G. Carneiro da Costa, A.Z. Simões, G. Gasparotto, M.A. Zaghette, B. Stojanovic, M. Cilense, J.A. Varela.

2003. Effect of Viscosity and Temperature on The

Microstructure of BBT Thin Films.

Mat. Res. vol.6 no.3 São Carlos Apr.

[23]. X. Zheng, Y. Zhou; Z. Yan. 2003.

Dependence of Crystalline, Ferroelectric and Fracture Toughness on Annealing In Pb(Zr0.52T i0.48)O3 Thin Films

Deposited by Metal Organic Decomposition.

Mat. Res. vol.6 no.4 São Carlos Oct.

(28)

(29)

Lampiran 1. Diagram alir penelitian.

Dikocok selama 1 jam Barium asetat

[Ba(CH3COO)2,99%]

2-metoksietanol [H3COOCH2 CH2OH,99.9%]

Bahan pendadah tantalum Titanium isopropoksida

[Ti(C12O4H28),99.999%]

Analisis dan karakterisasi : struktur dan kristanilitas film ( XRD Philips Analytical PW1710), morfologi permukaan dan ketebalan ( SEM JEOL type JSM -6360), uji

ferroelektrik dengan RADIANT RT 66 A

berhenti

Annealing pada suhu 900 oC, 950 oC, dan 1000 oC selama 15 jam pada suasana oksigen

di Furnace Model Neberthem Type 27 untuk mendapatkan film tipis

Spin coating pada 3000 rpm selama 30 detik

di atas substrat Si dan Pt(200)/SiO2/Si(100) sebanyak 5 kali pengulangan

Precursor BTT

(30)

Lampiran 2. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 900oC

Lampiran 3. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 950oC

Lampiran 4. Morfologi permukaan BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 1.000oC

Lampiran 5. Morfologi permukaan BTT di atas substrat

Lampiran 6. Morfologi permukaan BTT di atas substrat

Lampiran 7. Penampang melintang BTT di atas substrat

(31)

Lampiran 8. Penampang melintang BTT di atas substrat

Lampiran 9. Penampang melintang BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu 900oC

Lampiran 10. Penampang melintang BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

950oC dengan perbesaran 20.000x.

Lampiran 11. Penampang melintang BTT di atas substrat Si(100) tipe-p dan annealing pada suhu

1.000o_{C dengan perbesaran}

(32)

-2.00E-01 -1.50E-01 -1.00E-01 -5.00E-02 0.00E+00 5.00E-02 1.00E-01 1.50E-01 2.00E-01

-6.00E+ 00

-4.00E+ 00

-2.00E+ 0 0

0.00E+0 0

2.00E+0 0

4.00E+0 0

6.00E+0 0

E Lampiran 12. Data polarisasi-medan film tipis BTT penumbuhan diatas substrat

Pt(200)/SiO2/Si(100) dan annealing pada suhu 90 0oC dengan pemberian tegangan

9 volt.

Lanjutan Medan

(kV/cm) Polarisasi (µC/cm2₎

-3.770616319 0.090075684 -3.793161651 0.079820251 -3.796130522 0.069851685 -3.828426408 0.060169983 -3.853398076 0.050273132 -3.873486931 0.040232849 -3.898458599 0.030335999 -3.901427469 0.020367432 -3.933738426 0.010398865 -3.944061656 7.17163E-05 -3.937264902 -0.010183716 -3.954927421 -0.020582581 -3.967692057 -0.030838013 -3.963351780 -0.041308594 -3.963894314 -0.051635742 -3.971791209 -0.062321472 -3.972348814 -0.072935486 -3.975347825 -0.083477783 -3.975890360 -0.093804932 -3.981330777 -0.104275513 -3.981873312 -0.114602661 -3.997094425 -0.125073242 -3.992769218 -0.135830688 -3.973765432 -0.146444702 -3.653443890 -0.146372986 -3.289116754 -0.146444702 -2.939453125 -0.146372986 -2.587348090 -0.146372986 -2.223020954 -0.146444702 -1.870915919 -0.146444702 -1.518810885 -0.146444702 -1.156925154 -0.146444702 -0.795039424 -0.146444702 -0.433153694 -0.146444702 -0.081048659 -0.146444702 0.258834274 -0.146372986 0.620720004 -0.146372986 0.975266445 -0.146444702 1.310296706 -0.145655823 1.379183546 -0.137623596 1.452983338 -0.129161072 1.502353998 -0.120268250 1.541974103 -0.110801697 1.581594208 -0.101335144 1.599241657 -0.091223145 1.609549817 -0.081182861 1.627197266 -0.071070862 1.637520496 -0.060743713 Medan

(33)

-2.00E-01 -1.50E-01 -1.00E-01 -5.00E-02 0.00E+00 5.00E-02 1.00E-01 1.50E-01 2.00E-01

-6.00E+0 0

-4.00E+0 0

-2.00E+0 0

0.00E+00 2.00E+00 4.00E+00 6.00E+00

E

P

10 volt.

Lanjutan Medan

-3.851318359 0.089860535 -3.851921176 0.078385925 -3.847641180 0.066767883 -3.848259066 0.055006409 -3.836654852 0.043173218 -3.849494840 0.031483459 -3.847656250 0.019937134 -3.850715543 0.008247375 -3.846450617 -0.003657532 -3.842170621 -0.015275574 -3.855010610 -0.026965332 -3.858069903 -0.038655090 -3.861129196 -0.050344849 -3.859305676 -0.062178040 -3.862364969 -0.073867798 -3.831199363 -0.085700989 -3.844039352 -0.097390747 -3.844657239 -0.109152222 -3.837935836 -0.120841980 -3.870337216 -0.132531738 -3.863615813 -0.144221497 -4.188940731 -0.146444702 -4.582609954 -0.146372986 -4.983618466 -0.146372986 -4.602171345 -0.146372986 -4.208502122 -0.146444702 -3.797712915 -0.146444702 -3.426046489 -0.146444702 -3.029920790 -0.146301270 -2.633810161 -0.146444702 -2.223020954 -0.146444702 -1.834234544 -0.146372986 -1.440565321 -0.146444702 -1.059118200 -0.146444702 -0.660551095 -0.146372986 -0.266881872 -0.146444702 0.124345944 -0.146444702 0.522913050 -0.146372986 0.933702257 -0.146372986 1.315149378 -0.146372986 1.491548515 -0.139775085 1.514139058 -0.128659058 1.522066093 -0.117399597 1.552010995 -0.105924988 1.552613812 -0.094450378 1.538553120 -0.082832336 1.548936632 -0.071357727 1.578896605 -0.059596252 Medan

(34)