SKRIPSI. KAJIAN STRUKTUR MIKRO, SIFAT OPTIK, DAN SIFAT LISTRIK PADA BaTiO3 TERMODIFIKASI DENGAN PENAMBAHAN LANTHANUM

(1)

SKRIPSI

KAJIAN STRUKTUR MIKRO, SIFAT OPTIK, DAN SIFAT LISTRIK PADA BaTiO

3

TERMODIFIKASI DENGAN

PENAMBAHAN LANTHANUM

Disusun Oleh :

YULIANA NUR AZIZAH M0215065

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA Agustus, 2019

(2)

i

SKRIPSI

KAJIAN STRUKTUR MIKRO, SIFAT OPTIK, DAN SIFAT LISTRIK PADA BaTiO

3

TERMODIFIKASI DENGAN

PENAMBAHAN LANTHANUM

Disusun Oleh :

YULIANA NUR AZIZAH M0215065

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA Agustus, 2019

(3)

ii

(4)

iii

(5)

iv

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul

“KAJIAN STRUKTUR MIKRO, SIFAT OPTIK, DAN SIFAT LISTRIK PADA BaTiO3 TERMODIFIKASI DENGAN PENAMBAHAN LANTHANUM” adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini. Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih.

Surakarta, Agustus 2019

Yuliana Nur Azizah

(6)

v MOTTO

“Bersabarlah kamu dan kuatkanlah kesabaranmu dan tetaplah bersiap siaga dan bertaqwalah kepada Allah supaya kamu beruntung”

(Q.S Al Imran :200)

“Boleh jadi kamu membenci sesuatu padahal ia amat baik bagimu, dan boleh jadi (pula) kamu menyukai sesuatu, padahal ia amat buruk bagimu. Allah mengetahui,

sedang kamu tidak mengetahui”

(Q.S Al Baqarah : 216)

“Set goals, challenge yourself, and achieve them. Live a healthy life and make every moment count. Rise above the obstacle and focus on the positive”

(Robbert H. Goddard)

“Setiap orang punya jatah gagal. Habiskan jatah gagalmu ketika kamu masih muda”

(Dahlan Iskan)

“Usia terlalu ringkas untuk dilewatkan tanpa melakukan perubahan”

(Najwa Shihab)

(7)

vi

PERSEMBAHAN

Alhamdulillahirobbil’alamin

Dengan rasa penuh syukur kepada Allah, skripsi ini saya persembahkan untuk :

1. Allah SWT atas rahmat dan pertolongan-Nya.

2. Kedua orang tua saya yang senantiasa selalu memberikan dukungan luar biasa dalam segala kondisi dan keadaan.

3. Seluruh keluarga besar yang selalu memberikan dukungan, semangat, dan doa.

4. Bapak/Ibu dosen yang saya hormati.

5. Para sahabat tercinta yang selalu ada disaat senang maupun susah.

(8)

vii

Kajian Struktur Mikro, Sifat Optik, dan Sifat Listrik BaTiO3 Termodifikasi Dengan Penambahan Lanthanum

YULIANA NUR AZIZAH

Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Efek penambahan jumlah mol Lanthanum (La³⁺) pada struktur mikro, sifat optik, dan sifat listrik Barium Titanat (BaTiO3) disiapkan dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD). Jumlah mol Lanthanum yang diberikan yaitu 10% dan 15% pada kelarutan 0,5M. Spin coater digunakan pada proses deposisi lapisan tipis dengan kecepatan 4000 rpm selama 30 detik. Struktur berlapis pada lapisan tipis ditumbuhkan di atas substrat quartz. Lapisan tipis di annealing pada 850^oC dengan waktu tahan 1,5 jam. Analisis X-Ray Diffraction (XRD) menunjukkan kristal perovskite. Penambahan jumlah mol La³⁺ menyebabkan ukuran kristal meningkat.

Ukuran kristal dari lapisan BaTiO3, Ba0,9La0,1TiO3 dan Ba0,85La0,15TiO3 masing masing yaitu 24 nm; 25 nm; 29 nm. Hal ini sebanding dengan nilai intensitas difraksi. Morfologi lapisan Ba1-xLaxTiO3 diperoleh dari karakterisasi SEM.

Ketebalan rata-rata lapisan sebesar 404 nm. Hasil dari karakterisasi UV-Vis menunjukkan nilai transmitansi pada penambahan jumlah mol La³⁺meningkat pada daerah tepi penyerapan dibanding BaTiO3. Nilai bandgap diperoleh masing-masing untuk BaTiO3, Ba0,9La0,1TiO3 dan Ba0,85La0,15TiO3 sekitar 3,3 eV; 3,125 eV; dan 3,125 eV. Dapat disimpulkan bahwa penambahan jumlah mol La³⁺ pada BaTiO3

dapat menurunkan energi bandgap. Hasil karakterisasi I-V menunjukkan lapisan Ba1-xLaxTiO3 memiliki respon terhadap cahaya dan efek fotovoltaik dibawah penyinaran 1000 W/m².

Kata kunci : CSD, lanthanum, BaTiO3, energi bandgap

Study of Microstructure, Optical and Electrical Properties on BaTiO3 Modified by The Addition of Lanthanum

(9)

viii

YULIANA NUR AZIZAH

Department of Physics, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University

ABSTRACT

The addition effect of Lanthanum (La³⁺) in microstructure, optical and electrical properties of Barium Titanate (BaTiO3) were prepared by Chemical Solution Deposition (CSD) method. The addition of mole were 10% and 15% on 0,5 M solubility. Spin coater was used in deposition process of thin films with turning speed 4000 rpm for 30 seconds. The sandwich-structured thin films were grown on a quartz substrate. Thin films were annealed at 850^oC with holding time of 1,5 hour.

X-Ray Diffraction (XRD) analysis shows the formation of perovskite crystal. The presence of La³⁺ caused crystallite size increased. The crystallite size of BaTiO3, Ba0,9La0,1TiO3 and Ba0,85La0,15TiO3 were 24 nm; 25 nm; 29 nm respectively. It’s proportional with diffraction intensity values. The morphology of thin film was obtained from Scanning Electron Microscopy (SEM) characterization. The average of film thickness is 404 nm. The result of UV-Vis characterization shows that the presence of La³⁺ increase the transmitance values at absoption edge area. The optical bandgap were found remain for BaTiO3, Ba0,9La0,1TiO3 and Ba0,85La0,15TiO3

about 3,3 eV; 3,125 eV; and 3,125 eV respectively. Therefore, it could be concluded that the presence of La³⁺ on BaTiO3 can decreased bandgap energy. The result of I- V characterization shows that Ba1-xLaxTiO3 thin films has a respons to light and photovoltaic effect under illumination 1000 W/m².

Keywords : CSD, lanthanum, BaTiO3, bandgap energy

(10)

ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Allah SWT atas segala limpahan nikmat dan karuniaNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Skripsi. Sholawat dan salam senantiasa penulis haturkan kepada Rasulullah SAW sebagai pembimbing seluruh umat manusia.

Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains ini penulis beri judul “Modifikasi jumlah mol lanthanum (x) pada BaTiO3 Terhadap Struktur Mikro, Struktur Makro, Sifat Optik, dan Sifat Listrik”.

Terselesaikannya Skripsi ini adalah suatu kebahagiaan bagi saya. Setelah sekian satu semester penulis harus berjuang untuk bisa menyelesaikan Skripsi ini tepat waktu. Dengan segala suka dan dukanya, pada akhirnya Skripsi ini terselesaikan juga. Kepada berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Skripsi ini penulis ucapkan terima kasih. Atas bantuannya yang sangat besar selama proses pengerjaan Skripsi ini, ucapan terima kasih secara khusu penulis sampaikan kepada:

1. Kedua orang tua tersayang Bapak Suratman dan Ibu Sumini, serta kakak saya dan adik saya tercinta Ika Oktiana dan Rifael Fadhilatur, atas segala doa, motivasi, dan dukungan sehingga penulis dapat menyelesaikan segala urusan dengan baik. Serta kepada keluarga besar tersayang, terima kasih telah menjadi penyemangat terbaik dan selalu mengajarkan kepada penulis untuk menjadi pribadi yang kuat.

2. Dr. Agus Supriyanto S.Si., M.Si. selaku Kepala Program Studi Fisika Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan arahan serta motivasi kepada penulis.

3. Dr. Yofentina Iriani S.Si., M.Si. selaku pembimbing I sekaligus pembimbing akademik yang senantiasa dengan sabar dan baik hati membimbing dan memotivasi penulis dari awal hingga akhir selama masa perkuliahan.

4. Dr. Fahru Nurosyid S.Si., M.Si. selaku pembimbing II yang senantiasa membimbing, serta memberikan motivasi kepada penulis.

5. Dr. Eng. Risa Suryana S.Si., M.Si yang memberikan motivasi hingga penulis mendapatkan pengalaman yang luar biasa selama masa perkuliahan.

6. Segenap dosen dan karyawan FMIPA UNS untuk motivasi, bantuan, dan ilmu yang sangat bermanfaat selama perkuliahan.

7. Sahabat berbagi suka dan duka yang selalu ada dalam segala kondisi penulis, yang selalu mengoreksi dan memberi semangat kepada penulis serta menjadi keluarga terhangat diperantauan, Yan Yuriko Ramasyah, Mela Budiani Septianingsih, Al Mughnii Anjasmara Kurniawan, Firdauzi Azzahra, dan Risky Sukoco.

(11)

x

8. Sahabat yang selalu mendukung penulis, Alda, Yuniar, Dian, Farida, Uli, dan Wisnu

9. Ferroelektric Team, Nila Sarifah, Rainisa Nurmawanti, Mbak Uli, Mbak Bendra, Mbak Rikha, dan Mbak Ayu yang selalu membantu dan mendukung dalam penyelesaian Skripsi ini dari awal penelitian hingga akhir.

10. Keluarga Fisika UNS 2015 yang tercinta atas kenangan, semangat dan bantuan sehingga penulis dapat berjuang sampai akhir perkuliahan dengan baik.

11. Tim Riset Fisika Material yang selalu mendukung dan membantu dalam penyelesaian Skripsi.

12. Teman-teman KKN SUMBAWA JULI 2018 atas doa dan dukungannya untuk penulis segera menyelesaikan Skripsi.

13. Seluruh pihak yang membantu penulis dalam menyelesaikan Skripsi yang tidak dapat disebutkan namanya satu persatu.

Semoga Allah SWT membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan dengan balasan yang lebih baik. Penulis menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan dalam penulisan Skripsi ini. Namun, penulis harap Skripsi ini dapat memberikan manfaat untuk pembaca.

Surakarta, Juli 2019 Penulis

(12)

xi PUBLIKASI

Sebagian skripsi saya yang berjudul “Modifikasi Ba1-xLaxTiO3 Dengan Penambahan Jumlah mol Lanthanum (x) Terhadap Struktur Mikro, Sifat Optik, dan Sifat Listrik” akan dipublikasikan di The International Conference on Advanced Materials Science (ICAMST) pada tanggal 25-26 September 2019 di Institut Teknologi Bandung.

(13)

xii DAFTAR ISI

HALAMAN SAMPUL ... i

HALAMAN PERSETUJUAN ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

PERNYATAAN ... iv

MOTTO ... v

PERSEMBAHAN ... vi

ABSTRAK ... vii

ABSTRACT ... viii

KATA PENGANTAR ... ix

PUBLIKASI ... xi

DAFTAR ISI ... xii

DAFTAR TABEL ... xv

DAFTAR GAMBAR ... xvi

DAFTAR SIMBOL ... xvii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Batasan Masalah... 3

1.3 Perumusan Masalah ... 3

1.4 Tujuan Penelitian ... 3

1.5 Manfaat Penelitian ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Fotovoltaik ... 5

2.2 Material Ferroelektrik ... 6

2.3 Struktur Kristal Perovskite ... 8

2.4 Barium Titanat (BaTiO3)... 9

2.4.1 Struktur Mikro Lapisan BaTiO3 doping La³⁺ ... 11

2.4.2 Morfologi Lapisan BaTiO3 doping La³⁺ ... 13

(14)

xiii

2.4.3 Sifat Optik Lapisan BaTiO3 doping La³⁺ ... 14

2.5 Doping Ion Lanthanum (La³⁺) ... 16

2.6 Chemical Solution Deposition ... 16

2.6.1 Proses Kimia ... 17

2.6.2 Proses Deposisi ... 17

2.6.3 Proses Thermal ... 18

BAB III METODE PENELITIAN ... 19

3.1 Tempat dan Waktu Penelittian ... 19

3.2 Alat dan Bahan ... 19

3.2.1 Alat ... 19

3.2.2 Bahan ... 20

3.3 Prosedur Penelitian... 20

3.3.1 Persiapan Alat dan Bahan ... 20

3.3.2 Persiapan substrat quartz ... 22

3.3.3 Penimbangan... 22

3.3.4 Pembuatan Larutan ... 22

3.3.4.1 Larutan Barium Titanate (BaTiO3, BTO) ... 22

3.3.4.2 Larutan Ba0,9La0,1TiO3 dan Ba0,85La0,15TiO3 ... 22

3.3.5 Deposisi Lapisan Tipis ... 23

3.3.6 Annealing ... 23

3.4 Teknik Analisis Data ... 23

3.4.1 X-Ray Diffraction (XRD) ... 24

3.4.2 Scanning Electron Microscopy (SEM) ... 24

3.4.3 Ultraviolet-Visible Spectroscopy (UV-Vis) ... 25

3.4.4 Uji UV-Vis (Arus-Tegangan) ... 25

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 26

4.1 Struktur Mikro Lapisan Ba1-xLaxTiO3 ... 27

4.2 Morfologi Lapisan Ba1-xLaxTiO3 ... 31

4.3 Sifat Optik Lapisan Ba1-xLaxTiO3 ... 32

(15)

xiv

4.4 Sifat Listrik Lapisan Ba1-xLaxTiO3... 34

BAB V PENUTUP ... 37

5.1 Kesimpulan ... 37

5.2 Saran ... 37

DAFTAR PUSTAKA ... 38

LAMPIRAN ... 41

(16)

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Tingkat Kekristalan lapisan Ba1-xLaxTiO3 ... 28

Tabel 4.2 Parameter kisi lapisan Ba1-xLaxTiO3 hasil refienement ... 30

Tabel 4.3 Parameter kisi lapisan Ba1-xLaxTiO3 hasil perhitungan ... 30

Tabel 4.4 Ukuran kristal lapisan Ba1-xLaxTiO3 pada orientasi (110) ... 31

Tabel 4.5 Ukuran butir dan ketebalan lapisan Ba1-xLaxTiO3 ... 31

Tabel 4.6 Nilai energi bandgap lapisan Ba1-xLaxTiO3 ... 33

Tabel 4.7 Nilai 𝐼_𝑠𝑐 dan 𝑉_𝑜𝑐 lapisan Ba1-xLaxTiO3 ... 36

(17)

xvi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Mekanisme PV semikonduktor ... 5

Gambar 2.2 Skema mekanisme PV ferroelektrik ... 6

Gambar 2.3 Ilustrasi skematik kurva P-E ... 7

Gambar 2.4 Struktur kristal perovskite ABO3 ... 9

Gambar 2.5 Struktur kristal BT (a) di atas (b) dibawah temperatur curie ... 10

Gambar 2.6 Transmitansi multilayer BFO/BT/BFO/BT di atas quartz ... 11

Gambar 2.7 Difraksi sinar-x pada kristal ... 12

Gambar 2.8 Pola XRD Bulk Ba1-xLaxTiO3 variasi konsentrasi mol dopan ... 12

Gambar 2.9 Pola XRD lapisan Ba1-xLaxTiO3 variasi konsentrasi mol dopan .. 13

Gambar 2.10 Morfologi lapisan Ba1-xLaxTiO3 ... 14

Gambar 2.11 Transmitansi lapisan tipis BT pada variasi ketebalan lapisan .... 15

Gambar 3.1 Diagram alir pembuatan lapisan Ba1-xLaxTiO3 ... 21

Gambar 4.1 Permukaan (a) Substrat quartz, (b) BaTiO3 (c) Ba0,9La0,1TiO3, (d) Ba0,85La0,15TiO3 ... 26

Gambar 4.2 Pola difraksi lapisan Ba1-xLaxTiO3 variasi jumlah mol La³⁺ ... 27

Gambar 4.3 Hasil refinement lapisan (a) BaTiO3 (b) Ba0,9La0,1TiO3 (c) Ba0,85La0,15TiO3 ... 29

Gambar 4.4 Foto SEM lapisan (a) BaTiO3 (b) Ba0,9La0,1TiO3 (c) Ba0,85La0,15 TiO3 ... 32

Gambar 4.5 Transmitansi lapisan Ba1-xLaxTiO3 variasi jumlah mol La³⁺ ... 33

Gambar 4.6 Energi bandgap lapisan (a) BaTiO3 (b) Ba0,9La0,1TiO3 (c) Ba0,85La0,15TiO3 ... 34

Gambar 4.7 Kurva karakterisasi IV pada lapisan (a) BaTiO3 (b) Ba0,9La0,1TiO3 (c) Ba0,85La0,15TiO3 ... 35

(18)

xvii

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

𝜆 Panjang gelombang Nanometer (nm)

𝑑 Jarak antar bidang Angstrom (Å)

𝜃 Sudut difraksi bragg Derajat (^o)

𝐸𝑔 Energi bandgap Ev

𝛼 Absorbansi -

ℎ Konstanta planck Js

𝑣 Frekuensi gelombang Hertz (Hz)

𝐷 Ukuran kristal Nanometer (nm)

𝛽 FWHM -

𝑎, 𝑏, 𝑐 Parameter kisi Angstrom (Å)

A Arus Ampere (A)

V Tegangan Volt (V)

T Transmitansi -