PENGUKURAN DENGAN STM P ADA PERMUKAAN LAPISAN TIPIS
POLIMER TOLUEN (CP sCH.J YANG DIDEPOSITKAN
P ADA BAHAN KONDUKTOR SILIKON (SJI
R.H. Arjadi2 dan L.A. Astuti3
.>
.:>
ABSTRAK
PENGUKURAN DENGAN STM PADA PERMUKAAN LAPISAN TIPIS POLIMER TOLUEN (C6HSChl) YANG DIDEPOSITKAN PADA BAHAN KONDUKTOR SILIKON (8;). Scanning tunneling microscope (STM) adalah alat yang cukup potensial untuk mempelajari tentang ilmu permukaan (Surface science). alat ini dapat menghasilkan gambar (topography) dari permukaan dengan kwalitas yang baik. Makalah ini merupakan penjelasan singkat tentang pengukuran permukaan polimer lapisan tipis toluen (C6H5Ch3) yang didepositkan pada bahan konduktor Silicon (S;). Metoda yang digunakan dalam pembuatan topographi permukaan tersebut adalah dengan cara mengukur arus yang timbul antara jarum pengukur (needle probe) dengan permukaan sample pada arus yang konstan.
ABSTRACT
THE STM MEASUREMENT OF POLIMERIZATION TOLUENE (C6HSChj) THIN FILMS SURFACE DEPOSITED ON CONDUCTING SUBSTRATES SILICON (S;). The scanning tunneling microscope (STM) is a powerful tools for surface science study. this instrument can produce an image of a surface at high resolution. This paper is brief discussion of the surface measurement of polymerization toluene (C6HjCh3J thin films surface deposited on conducting substrates Silicon (S;). The metode used is to measured the current tunnel of the needle probe to the sample surface gap at a constant tunnel current.
KEY WORD
Topography, STM; Toluen Surface Science.
PENDAHULUAN
Tidak seperti halnya scanning electrommicroscope (SEM) yang dioperasikan dalam vacuum chamber, STM dapat dioperasikan pad a tekanan atmosfier, ambient temperatur, gas clan dalam tluida.
STM selain digunakan untuk mempelajari tentang surface science juga digunakan untuk mempelajari tentang bidang-bidang lain antara lain: fisika, kimia clan biologi dalam ukuran microscopis, seperti hal nya yang telah dilakukan oleh A.M Baro dkk[2] dalam makalahnya tentang penggunaan STM untuk menentukan topography permukaan daTi sample biologi pada resolusi yang tinggi; R.Sonnerfeld clan P.K.Hansma (1986)[3] dalam makalahnya tentang atomic resolution
microscopy didalam air.
Telah banyak penggunaan STM untuk penelitian ilmu bahan/material khususnya untuk bahan konduktor ataupun semikonduktor pada ukuran atomic, clan juga untuk mengetahui struktur permukaan daTi bahan terukur. Selain dari pada penggunaan seperti tersebut diatas, STM juga
digunakan untuk melakukan penelitian pada material konduktor dengan absorbsi bahan organic pada bahan konduktor seperti yang dilakukan oleh H. Ohtani, et.al. dengan penelitiannya penggunaan STM pada permukaan bahan organic benzene pada bahan Rh(111 )-(3x3)(C6H6+ 2CO).
Scanning tunneling microscope (STM) adalah salah satu alat yang cukup potensial untuk mempelajari tentang permukaan suatu bahan (surface science) pada saat ini. Microscope ini dapat digunakan untuk membuat image permukaan suatu bahan untuk mengetahui topographi dari permukaan tersebut untuk dapat dianalisa lebih lanjut.
Untuk mempelajari tentang permukaan, sering sekali dibutuhkan untuk mengetahui "electrical properties" dari bahan dan strukture density dari "single atomic step" ataupun "multiple atomic step" permukaan dari bahan sehubungan dengan penelitian ilmu dan teknologi lainnya. STM ini dapat mengatasi kesulitan-kesulitan yang timbul dalam mempelajari tentang ilmu permukaan (surface science) khususnya pada orde ukuran atom, disamping dapat menghasilkan gambar topography permukaan suatu sample dalam 3 dimensi.
G.Binnig dan H.Rohrer (1983)[1] dari IBM research divisison, Zurich-switzerland adalah yang pertama kali memperkenalkan sistem scanning tunneling microscope (STM) dalam mempelajari surface science, yang kemudian diikuti oleh beberapa research group diseluruh dunia.
-1 Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi -1997
2 P3KIM-LIPI
3 Pusat Produksi Radioisotop -BAT AN
Pada makalah ini dijelaskan tentang pengukuran permukaan bahan lapisan tip is polimer organic compound To/uen (C6H6+ 2CO) yang didepositkan pacta bahan konduktor silicon (8i)[6].
maka awan electron dari kedua metal tersebut akan menjadi satu. Hila kedua metal tersebut diberi hecla tegangan maka akan timbul arus tunnel pada kedua metal tersebut. Toluen adalah merupakan keluarga alkylbenzene yang paling sederhana, clan juga merupakan molekul yang termasuk dalam jenis planar molekul yang mempunyai molekul carbon, hidrogen clan substitusi methyl berada pada lapisan yang sarna.
Dengan
melakukan
pengukuran
pennukaan topographi bahan organic toloune tersebut akan dapat dianalisa clan ditentukan besarnya harga electrical properties dari bahan tersebut, sebagai contoh adalah besarnya harga kondu~tititas elektriknya. Seperti halnya bahan organic compound lainnya, toluen juga mempunyai harga konduktititas elektrik yang
rendah.
Pengukuran yang dilakukan dengan STM ini adalah di udara terbuka (ambient temperature) dengan temperatur lingkunagan adalah temperatur kamar.
DASAR TEORI
Gambar I. Struktur molekul Toluen (C6H5Chj) (a) Strukture Crystal dari Toluen; (b) Awan elektron pada permukaan baban toluen; (c) Simbol kimia dari toluen.
Gambar I menunjukan struktur molekuler dari toluen, terlihat pada gambar 1 b. adanya awan elektron pada permukaan toluen, daD sesuai dengan prinsip kerja sistem STM seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, pengukuran yang dilakukan pada penelitian ini adalah menggunakan awan elektron pada permukaan toluen sebagai media diantara kedua elektroda pada sistem STM.
Seperti halnya benzene, awan elektron pacta toluen merupakan daerah elektron yang terlepas dari permukaannya daD mempunyai polaritas negative. Sehingga dalam pengoperasian sistem STM ini dilakukan dengan tegangan bias positive (Field
stage ).
Prinsip dasar sistem scanning tunneling microscope (STM) adalah pengukuran arus tunnel (tunnel current) yang merupakan data informasi daTi topography permukaan sample yang diukur. Arus tunnel ini merupakan arus yang timbul diantara dua elektroda yang berdekatan satu sama lain. Kedua elektroda tersebut pada sistem scanning tunneling microscope (STM) adalah bahan sample yang diukur daD jarum pengukur (needle tip) yang bergerak diatas permukaan sample selama pengukuran, jarak jarum pengukur ini diset pada jarak -1 nm diatas permukaan sample, untuk mendapatkan arus terukur dengan tegangan yang reasonable.
Arus tunnel terukur merupakan fungsi exponensial daTi jarak antara jarum pengukur dengan permukaan sample, daD ditunjukan dengan persamaan sbb :
C exp.(-2k d)
( 1 .)dengan :
I = Arus tunnel (Tunnel current) d = Jarak jarum pengukurterhadap permukaan
sample.
METODA PENELITIAN
Oari teori "free electron" dapat diketahui bahwa total density arus dari electron tunnel tidak menjadi nol pada permukaan luar dari sample. Total density arus tunnel tersebut akan berkurang menurut fungsi exponensial sampai beberapa Angstrom dari permukaan bagian luar sample, yang juga sering disebut sebagai adanya ,awan electrow51. Sehingga kalau ada dua metal yang didekatkan satu sama lain pada orde Angstrom,
Penelitian ini adalah untuk mengetahui struktur kristal dari permukaan lapisan tipis bahan organic toluen yang didepositkan pada bahan konduktor Silicon (Si). Dengan mengetahui permukaan dari bahan terukur, maka akan dapat dilakukan penghitungan besamya konduktifitas dari bahan tersebut.
Pengukuran yang dilakukan adalah merupakan pengukuran dengan teknik garis per garis (Single line measurement) dengan sistem STM. Frekuensi scanning yang digunakan adalah
sebesar 0.5 Hz. dengan range tegangan bias sebesar +2 volt sampai dengan +5 volt, metoda yang digunakan adalah arus konstan (Constant Current Mode) dengan demikian arus tunnel terukur akan dijaga tetap konstan, clan perubahan posisi jarum ukur yang akan digunakan sebagai perubahan permukaan dari sample terukur. Semakin rendah konduktititas dari material, maka akan semakin kecil arus tunnel yang akan melewati daerah antara kedua elektroda, yaitu ujung jarum ukur clan permukaan sample terukur. Dengan demikan akan terdapat kesulitan dalam melakukan analisa dari gambar permukaan yang didapat. Dengan mengatur besamya tegangan bias maka akan didapat hasil pengukuran yang lebih optimum untuk dapat dilakukan analisa daTi hasil pengukuran pada permukaan tersebut. Gambar 2. menunjukan gratik antara arus tunnel dengan posisi ujung jarum pada beberapa tegangan bias yang digunakan. Pada kondisi tertentu hasil pengukuran dapat dihasilkan lebih optimum dengan memberikan tegangan bias yang lebih besar, hal ini akan menimbulkan medan listrik yang lebih besar diantara kedua elektroda yaitu ujung jarum clan permukaan sample. Sehingga arus tune I yang dihasilkan akan lebih besar yang akan diinjeksikan kedalam permukaan sample terukur. Cara lain untuk dapat memberikan hasil pengukuran yang lebih baik adalah dengan menggunakan jarum ukur yang mempunyai ketajaman yang lebih tajam. Dengan lebih tajamnya ujung jarum maka permukaan kedua elektroda yang saling berhadapan akan lebih kecil, dengan demikian maka medan listrik yang timbul juga akan lebih besar clan hal ini akan
menimbulkan arus tunnel yang lebih besar dengan tegangan bias yang konstan. Kedua cara tersebut dapat digabungkan menjadi satu clan hal ini akan memberikan efek pada hasil pengukuran yang lebih bagus clan lebih akurat sesuai dengan ukurannya.
Gambar 3 menunjukan scanning berulang dari sistem STM diatas permukaan sample terukur, yaitu permuklaan lapisan tip is bahan organic toluen yang didepositkan pada bahan silicon. Pada pengukuran tersebut digunakan tegangan bias sebesar +4 volt. dari percobaan tersebut ditunjukan pengulangan scanning pada garis yang sama untuk mendapatkan basil yang optimum dengan menggunakan tegangan bias yang konstan. Terlihat dari basil percobaan bahwa terjadi distorsi yang diakibatkan oleh adanya histerisis dari piezoelektrik yang digunakan untuk mengatur posisi dari ujung jarum diatas permukaan sample terukur.
Gambar 3. Grafik arus dan posisi jarum diatas permukaan sample dengan beberapa kali penyapuan
Untuk mengetahui arus tunnel pacta beberapa titik ukur sepanjang garis pengukuran maka dilakukan pengukuran arus tunnel dengan variasi tegangan bias yang berbeda -beda untuk beberapat titik ukur. Hasil pengukuran tersebut terlihat pacta gambar 4.
0
/-"\IJ\I"\./\"~,/~"
\ l
Arus tunnel dengan posisi ujung jarum dengan teganan bias yangberbeda
Gambar 4. ,\../'/"" J'"-~'\.j\-"",,~ 0 I t
~Volt
-y-;
Gambar 2 Grafik antara arus tunel dan pem1ukaan
sample pada beberapa tegangan bias.
Gambar 5 menunjukan garis tunggal penyapuan
dari ujung jarum ukur diatas sample organic toluen
224diatas bahan silicon. Frekuensi scanning yang digunakan adalah sebesar 05 Hz. dengan tegangan bias sebesar +2 volt. Terlihat adanya perbedaan arus tunnel; yang dihasilkan pada daerah diantara ujung jarum ukur clan permukaan lapisan tipis
bahan organic toluen. Hal tersebut juga dapat
ditunjukan adanya perbedaan arus yang terlihatlebih besar yang menunjukan bahwa besamya
konduktifitas pada titik terse but lebih besar dibandingkan pada titik yang lainnya.konduktifitas yang sangat rendah seperti halnya lapisan tipis bahan organic Toluen yang didepositkan pada bahan konduktor silicon seperti yang dilakukan pada percobaan ini.
Dari percobaan -percobaan yang dilakukan dapat dilakukan pengukuran arus tunnel terhadap perubahan teganan bias pada beberapa titik diatas permukaan sample terukur. Dari pemgukuran tersebut dapat dihasilkan tiga kondisi yaitu :
.Pengukuran arus tunnel pada tegangan bias
'00'
Hz Sconn,nQ ".quoncy ,. uo.': In t""
v,t" 0 po.itiv. 2 volt. b,o. input ~ppli.cI.
~"Ar
L
-:121 ~..
Garnbar 5. Garis penyapuan (Scanned line) pada permukaan lapisan tipis toluen pada bahan konduktor silikon. [6]
DISKUSI
Besamya arus tunnel yang timbul sangat tergantung pacta resistansi yang acta pacta daerah antara ujung jarum pengukur dan permukaan sample terukur sebagai elektroda pacta sistem STM. Hal ini akan sangat tergantung pacta jenis dari bahan yang akan diukur. Toluen adalah bahan organic seperti halnya benzene, dimana harga konduktititas elektrik dari organic compound adalah sangat kecil sekali yaitu pacta orde 10-17 (S/m) sampai 10-3 (S/m). Sedangkan harga conduktititas elektrik dari metal adalah dalam orde 10+7(S/m). Untuk menghitung harga konduktivitas elektrik dari lapisan tipis dengan sistem STM, perlu untuk melakukan pengukuran arus tunnel antara ujung jarum ukur dan permukaan sample terukur yang merupakan fungsi dari tegangan bias dari sistem STM. Harga resistansi dan konduktititas dari gap antara ujung jarum clan permukaan sample dapat dihitung dari hasil pengukurang sepeti terlihat pacta gambar 4. gartik arus tunnel dengan posisi ujung jarum ukur dengan tegangan bias yang berbeda. Dari gambar ini akan didapat kemungkinan untuk menetukan besamya konduktititas dari lapisan tip is, khususnya untuk lapisan tipis yang mempunyai
sarna dengan Dol, hal ini akan rnenunjukan perrnukaan pada kondisi titik awal dari
pengukuran.
.Pengukuran tegangan pada arus tunel sama dengan Dol, hal ini akan rnenunjukan tegangan antara ujung jarurn daD perrnukaan sample lapisan tipis.
.Slope pada grafik antara tegangan daD arus yang terukur akan rnenunjukan resistansi dari lapisan tip is.
Garnbar 6 rnenunjukan grafik antara arus tune I terukur dengan tegangan bias yang berbeda pada beberapa titik pengukuran. Data-data yang digunakan adalah dari basil pengukuran seperti terlihat pada garnbar 4 sebanyak 20 titik pengukuran sepanjang garis pengukuran.
Tabel I daD tabel 2 menunjukan 20 titik pengukuran basil perhitungan resistansi daD konduktansi dari lapisan tipis bahan organic toluen pada bahan konduktor silicon. Dari basil perhitung terilhat adanyan perbedaan resistansi ataupun konduktasi dari titik -titik pengukuran sepanjang garis pengukuran. Dari tabel tersebut dapat dilihat bahwa conductansi dari sample terukur mernpunyai harga berkisar 3.191 (nS) sampai 6.435 (nS), dengan rnengasumsikan bahwa ketebalan lapisan tipis tersebut sarna, rnaka dapat dihitung bahwa harga konduktansi rata -ratanya
adalah sebesar 7.655 (nS). Dengan demikian maka sistem STM dapat digunakan untuk menghitung besarnya konduktititas elektrik dari bahan terukur, walaupun harga konduktititas tersebut relatif kecil
sekali.
harga konduktifitas elektri yang kecil perlu diperhatikan beberapa point renting antara lain:
Tegangan bias yang digunakan pada
pengukuran.
Ujung
jarum
ukur
yang
digunakan
mempunyai ketajaman yang sangat tajam, sebaiknya hanya terdapat satu buah atom diujungnya untuk mendapatkan arus yang cukup dengan daerah pengukuran yang kecil.
KESIMPULAN
Dari pengukuran yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa sistem scanning tunneling microscope ini, merupakan peralatan yang potensial pada saat ini untuk mempelajari
ilmu permukaan (surface science) serta ilmu lain yang bekerja pada orde ukuran atom.
Pengukuran dengan STM dapat digunakan untuk mendapatkan topographi dari permukaan sample, yang kemudian dapat digunakan dan dianalisa untuk menghitung properties elektrik dari bahan terukur. Pengukuran permukaan sample lapisan tipis bahan organic tolouene menunjuikan bahwa ada harga -harga arus tunnel yang relatif besar dari yang lainnya. Hal tersebut menunjukan adanya konduktifitas yang besar daD hal ini terlihat bahwa permukaan silico menembus dari lapisan tipis bahan organic tersebut.
I ,..,
Tabel I. Resistansi lapisan tipis bahan organic Toluen pada bahan silikon pacta beberapa titik
pengukuran
Titik Ukur
Resistansi
(011)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
~
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
0.157
0.141
0.126
0.071
0.145
0.169
0.184
0.082
0.141
0.094
0.224
0.165
0.212
0.110
0.153
0.157
0.110
0.196
0.102
0.122
t,.,
-..,
..,"'"...".-" r..,"'"...".-"., ... ..0'4' , t,,' ,.,,
"."..,
Gambar 6. Grafik antara arus tunnel dan tegangan bias pacta beberapa titik ukur sepanjang garis
pengukuran.
Untuk mendapatkan basil pengukuran yang cukup akurat khususnya untuk sample yang mempunyai
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN/4/0-2897
Tabel 2. Konduktansi lapisan tipis bahan organic Toluen pada bahan silikon pada beberapa
titik pengukuran
