• Tidak ada hasil yang ditemukan

Doping, Characterizations, and Aplication Thin Film Ba0,5Sr0,5TiO3 As Sugar Concentration Measurement.

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2017

Membagikan "Doping, Characterizations, and Aplication Thin Film Ba0,5Sr0,5TiO3 As Sugar Concentration Measurement."

Copied!
48
0
0

Teks penuh

(1)

PENDADAHAN, KARAKTERISASI, DAN APLIKASI FILM

TIPIS Ba

0,5

Sr

0,5

TiO

3

SEBAGAI PENGUKUR KONSENTRASI

GULA

M DAHRUL

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

PENDADAHAN, KARAKTERISASI, DAN APLIKASI FILM

TIPIS Ba

0,5

Sr

0,5

TiO

3

SEBAGAI PENGUKUR KONSENTRASI

GULA

M DAHRUL

Skripsi

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains pada

Departemen Fisika

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(3)

M DAHRUL. Doping, Characterizations, and Aplication Thin Film Ba0,5Sr0,5TiO3 As Sugar

Concentration Measurement. Under Direction of IRZAMAN, and ARDIAN ARIF SETIAWAN

Pure Ba0,5Sr0,5TiO3 (BST) thin film, BST doped by niobium (BNST) and BST doped by

iron (BFST) have been synthesized on p-type Si (100) substrates using Chemical Solution Deposition (CSD) methods followed by spin coating and annealing techniques. Current-voltage characterizations on these sample result in agreement that all of the BST, BNST, and BFST thin films have photodiode properties. Electrical conductivity values of BST, BNST, and BFST are in the range of conductivity values of semiconductor materials. Niobium or iron doping on the BST samples increase their conductivity value their dielectric constant. This conductivity values may change when a light is exposed on the film surface. Absorbance and reflectance characterizations show that the BST, BNST, and BFST thin films absorb certain range of visible and infrared light. It is convincing that the BST, BNST, and BFST thin films might be used as photodiode light sensor.

(4)

Judul Skripisi : Pendadahan, Karakterisasi, dan Aplikasi Film Tipis Ba

0,5

Sr

0,5

TiO

3

sebagai Pengukur Konsentrasi Gula

Nama

: M Dahrul

NIM

: G74051187

Menyetujui:

Pembimbing I

Pembimbing II

(Dr. Ir. Irzaman, M.Si)

NIP: 19630708 199512 1001

NIP: 19720311 200604 1011

(Ardian Arif Setiawan, M.Si)

Mengetahui:

Ketua Departemen

(Dr. Ir. Irzaman, M.Si)

NIP: 19630708 199512 1001

(5)

i

karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian ini ialah pengembangan sensor Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3dengan menitikberatkan pada aspek pendadahan

serta karakterisasi sensor. Penelitian ini dilaksanakan sejak bulan September 2009 sampai bulan September 2010 di Laboratorium Fisika Material, Departemen Fisika, Fakultas MIPA, Institut Pertanian Bogor serta Laboratorium MOVCD, Departemen Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Bandung. Penelitian ini didanai oleh Program Penelitian Ilmu Pengetahuan Terapan/Penelitian Strategis Nasional 2010, DIPA IPB, Republik Indonesia dengan nomor kontrak 2/I3.24.4/SPK/PSN/2010.

Penulis ucapkan terima kasih kepada kedua orang tua, saudara-saudara penulis yang selalu memberikan doa dan semangat kepada penulis. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Irzaman, M.Si dan Bapak Ardian Arif Setiawan, M.Si sebagai pembimbing skripsi. Rasa terima kasih juga penulis sampaikan kepada Bapak Heriyanto Syafutra, M.Si serta Saudara Lima Nady, S.Si yang telah membantu teknis penelitian ini. Rasa terima kasih tak lupa kepada teman-teman Chapter

IPB dan rekan-rekan fisika yang telah banyak banyak membantu penulis selama ini.

Semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat untuk umat. Kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk kemajuan penelitian sensor film tipis.

Bogor, September 2010

(6)

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Watampone, Sulawesi Selatan pada tanggal 6 Januari 1987 dari pasangan Abd. Azis Ibrahim dan Ira Saturi. Penulis merupakan anak kedua dari empat bersaudara. Penulis menyelesaikan masa studi di SDN 199 Arasoe selama enam tahun kemudian melanjutkan ke SLTPN 1 Cina selama tiga tahun dan melanjutkan studi selama tiga tahun di SMAN 2 Watampone. Penulis kemudian melanjutkan jenjang pendidikan tinggi di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB.

(7)

DAFTAR TABEL... iv

DAFTAR GAMBAR... v

DAFTAR LAMPIRAN... vi

PENDAHULUAN... 1

Latar Belakang... 1

Tujuan Penelitian ... 1

TINJAUAN PUSTKA... 1

Material Ferroelektrik ... 1

Barium Strontium Titanat... 2

Bahan Pendadah... 3

Niobium Penta Oksida... 3

Besi Oksida ... 3

Fotodioda... 4

Fotokonduktivitas... 5

Kapasitansi dan Dielektrik Bahan... 6

Sifat Optik... 6

Metode Chemical Solution Deposition (CSD)... 7

Microcontroller ATMega8535... 7

Penguat Operasional (Operational Amplifier)... 8

Penguat Pembalik (Inverting Amplifier)... 8

Penguat Tak Membalik (Non-inverting Amplifier)... 9

Penguat Differensial (Differential Amplifier)... 9

Penguat Penjumlahan... 9

Integrator... 9

Diferensiator... 9

Analog to Digital Converter (ADC)... 10

METODOLOGI PENELITIAN... 10

Tempat dan Waktu Penelitian... 10

Bahan dan Alat... 10

Prosedur Penelitian... 10

Pembuatan Film Tipis... 10

Pencucian Substrat Si Tipe-p... 10

Pembuatan Larutan BST, BNST, dan BFST... 10

Proses Penumbuhan Film Tipis... 11

Proses annealing... 11

Pembuatan Kontak Pada Film Tipis... 11

Karakterisasi Film Tipis... 11

(8)

Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis... 12

Karakterisasi Fotokonduktivitas Film Tipis... 12

Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Tipis... 12

Perakitan Pengukur Konsentrasi Gula... 12

Pemilihan Sensor... 13

Karakterisasi Spektrum Serapan Larutan Gula... 13

Pengkondisian Sinyal... 13

Pengujian Rangkaian Pengkondisi Sinyal... 13

Pengintegrasian Sensor BST ke Microcontroller ATMega8535... 13

Pengujian Alat... 13

HASIL DAN PEMBAHASAN... 14

Karakterisasi Film Tipis...

Karakterisasi Arus-Tegangan Film Tipis... 14

Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis... 14

Karakterisasi Fotokonduktivitas Film Tipis... 15

Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Tipis... 16

Perakitan Pengukur Konsentrasi Gula... 17

Pemilihan Sensor... 17

Karakterisasi Spektrum Serapan Larutan Gula... 17

Pengkondisian Sinyal... 17

Pengujian Rangkaian Pengkondisi Sinyal... 18

Pengintegrasian Sensor BST dengan Microcontroller ATMega8535... 18

Pengujian Alat... 19

KESIMPULAN... 20

SARAN... 20

DAFTAR PUSTAKA... 21

(9)

2.1 Jari-jari Ion Pendadah

Soft Dopant

...

3

2.2 Jari-jari Ion Pendadah

Hard Dopant

...

3

4.1 Kapasitansi dan Konstanta Dielektrik Film Tipis... 17

4.2 Nilai Faktor Penguat Pengkondisi Sinyal... 18

(10)

DAFTAR GAMBAR

2.1 Kurva Histeresis...

2

2.2

Struktur Ba

x

Sr

1-x

TiO

3

... 2

2.3

Penampang Melintang Fotodioda... 4

2.4 Fotodioda Persambungan

p-n.

...

4

2.5

Pembagian Material Berdasarkan Konduktivitas Listrik... 5

2.6

Kapasitor Keping Sejajar...

7

2.7

Konfigurasi Pin ATMega8535... 8

2.8

Penguat Pembalik... 9

2.9

Penguat Tak Membalik... 9

2.10 Penguat

Differential Amplifier

... 9

2.11 Rangkaian Penjumlahan... 9

2.12 Rangkaian

Integrator

... 9

2.13 Rangkaian

Diferensiator

... 10

3.1

Proses Penumbuhan Film Tipis... 11

3.2

Proses

Annealing

... 11

3.3

Film Tipis pada Substrat Silikon dengan Tambahan Kontak... 11

3.4

Rangkaian Penentu Konstanta Dielektrik Film Tipis... 12

4.1

Hubungan Arus (I) dan Tegangan (V) Film Tipis BST... 14

4.2

Hubungan Arus (I) dan Tegangan (V) Film Tipis BNST... 14

4.3

Hubungan Arus (I) dan Tegangan (V) Film Tipis BFST... 14

4.4

Hubungan Absorbansi dan Panjang Gelombang Film Tipis... 15

4.5

Hubungan Reflektansi dan Panjang Gelombang Film Tipis... 15

4.6

Hubungan Konduktivitas Listrik dan Intensitas Cahaya BST... 16

4.7

Hubungan Konduktivitas Listrik dan Intensitas Cahaya BNST... 16

4.8

Hubungan Konduktivitas Listrik dan Intensitas Cahaya BFST... 16

4.9

Perbandingan Nilai Konduktivitas... 16

4.10 Sinyal BST Pada Osiloskop ... 17

4.11 Sinyal BNST Pada Osiloskop... 17

(11)

4.13 Hubungan Konsentrasi Gula terhadap Tegangan Keluaran... 18

4.14 Hubungan Perubahan Konsentrasi dengan Persamaan Hasil

Fitting

...

18

4.15 Hubungan Absorbansi Gula dan Panjang Gelombang... 19

4.16 Rangkaian Pengkondisi Sinyal... 19

4.17 Hubungan Nilai Alat Ukur dan Nilai

Real

Konsentrasi Gula

(12)

DAFTAR LAMPIRAN

1

Blok Diagram ATMega8535... 24

2

Bahan dan Alat Pembuatan Film Tipis... 25

3

Alat Karakterisasi Film Tipis... 25

4

Diagram Alir Penumbuhan Film Tipis... 26

5

Diagram Alir Perakitan Pengukur Konsentrasi Gula...

27

6

Data Pengukuran Arus-Tegangan BST... 28

7

Data Pengukuran Arus-Tegangan BNST... 29

8

Data Pengukuran Arus-Tegangan BFST... 30

9

Data Konduktivitas Listrik BST... 31

10 Data Konduktivitas Listrik BNST... 32

11 Data Konduktivitas Listrik BFST... 32

12 Contoh Perhitungan Konduktivitas Listrik... 32

13 Data Konstanta Dielektrik Film Tipis ... 32

14 Tabel Massa Film Tipis... 33

15 Contoh Perhitungan Konstanta Dielektrik Film Tipis... 33

16 Tabel Perubahan Konsentrasi Gula Terhadap Perubahan Tegangan... 34

17

Source Code Kalibrasi Alat... 34

(13)

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Kajian material ferroelektrik merupakan studi yang banyak dilakukan oleh para ahli material lapisan tipis. Hal ini berkaitan dengan berbagai sifat khas yang dimiliki material ferroelektrik sehingga dapat dikembangkan sebagai alat generasi baru khususnya piranti mikro-elektronik. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori dynamic random access memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melampaui 1 Gbit. Selain itu, sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai microactuator dan sensor, sifat piroelektrik dapat diterapkan pada infrared sensor, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai non volatile ferroelektrik random access memory (NVRAM), serta sifat electro-optic dapat digunakan dalam switch thermal infrared [1].

Salah satu material ferroelektrik yang banyak dikembangkan adalah barium stronsium titanat (BST). BST merupakan material turunan dari barium titanat. BST banyak diteliti untuk kapasitor penyimpan DRAM, microwave and millimeter wave frequency devices, penggeser fasa yang dapat diatur (tunable phase shifters). Pada masalah lingkungan BST juga diteliti untuk digunakan sebagai sensor gas [2].

Dalam penelitian ini film tipis dibuat dengan metode chemical solution deposition (CSD) dan spin coating di permukaan substrat Silikon (Si) tipe-p. Film tipis yang telah dihasilkan kemudian dikarakterisasi sifat listrik (arus tegangan (I-V), konstanta dielektrik, fotokonduktivitas) serta sifat optik (absorbansi dan reflektansi). Selanjutnya dari film tipis yang terbaik (sensitivitasnya tinggi terhadap sumber cahaya) diaplikasikan sebagai alat pengukur konsentrasi gula. Perancangan sistem pengukur konsentrasi gula menggunakan komponen-komponen utama berupa sensor cahaya film tipis, pengkondisi sinyal, dan microcontroller.

Tujuan

Tujuan penelitian ini adalah:

1) Melakukan penumbuhan film tipis BST disertai pendadahan yaitu:

a) BST tanpa pendadah di permukaan substrat Si (100) tipe-p pada suhu annealing 8500C.

b) BST didadah Besi (Fe) 5% di permukaan substrat Si (100) tipe-p

pada suhu annealing 8500C disingkat menjadi BFST.

c) BST didadah niobium (Nb) 5% di permukaan substrat Si (100) tipe-p pada suhu annealing 8500C disingkat menjadi BNST.

2) Melakukan karakterisasi sifat listrik dan optik pada semua sampel yaitu:

a) Karakterisasi arus tegangan (I-V) b) Karakterisasi absorbansi dan

reflektansi

c) Karakterisasi fotokonduktivitas d) Karakterisasi kapasitansi dan

perhitungan konstanta dielektrik 3) Perancangan alat ukur konsentrasi gula

dengan komponen yaitu: a) Sensor Film Tipis

b) Microcontroller ATMega8535 dengan software BASCOM-AVR

c) Rangkaian diferential amplifier dan jembatan wheatstone

TINJAUAN PUSTAKA

Material Ferroelektrik

Ferroelektrik merupakan material elektronik khususnya dielektrik yang terpolarisasi spontan dan memiliki kemampuan untuk mengubah arah listrik di dalamnya. Polarisasi yang terjadi merupakan hasil dari penerapan medan listrik yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu material ferroelektrik [3].

(14)

2

105 bit/cm2, sedangkan memori yang terbuat

dari ferroelektrik mampu menyimpan hingga 108 bit/cm2. Keuntungan lain adalah dapat

digunakan sebagai memori permanen yang mampu menekan kehilangan informasi selama proses berulang [6].

Ferroelektrik menunjukkan bahwa kelompok material dielektrik yang dapat terpolarisasi listrik secara internal pada rentang temperatur tertentu. Polarisasi terjadi di dalam dielektrik sebagai akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri pada struktur kristalografi di dalam sel satuan. Jika pada material ferroelektrik dikenakan medan listrik, maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran dan menimbulkan momen dipole listrik. Momen dipole ini yang mengakibatkan polarisasi. Momen dipole per-satuan volum disebut sebagai polarisasi dielektrik.

Salah satu bentuk kurva histeresis dapat dilihat pada Gambar 2.1. Kurva tersebut menggambarkan hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E). Ketika kuat medan listrik ditingkatkan maka polarisasi meningkat OA sehingga mengalami kondisi saturasi AB. Jika kuat medan diturunkan, polarisasi mengikuti garis BC. Ketika medan listrik tereduksi nol memiliki polarisasi remanan (Pr) OC. Nilai polarisasi dapat dihapus dengan cara menggunakan sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Nilai dari medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan koersif (Ec). Ketika medan listrik

kemudian dinaikkan kembali, maka kembali mengalami saturasi dan bernilai negatif EF [7].

Barium Stronsium Titanat (BST)

BST merupakan semikonduktor film tipis yang memiliki konstanta dielektrik tinggi, kebocoran arus rendah, dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperatur Curie. Temperatur Curie pada barium titanat adalah 130oC di mana dengan

adanya penyulih stronsium, temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar (27°C) dan dapat

digunakan pada alat yang memerlukan temperatur kamar. Film tipis BST telah difabrikasi dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation, metal oxide vapour chemical depodition (MOVCD), chemical solution deposition (CSD), chemial vapour deposition (CVD) [6,7].

Gambar 2.2 menunjukkan struktur kristal ferovskite BST fase kubik. Struktur BST dapat mengalami polarisasi spontan ketika fase BST menjadi fase tetragonal.

Gambar 2.1 Kurva Histeresis

Gambar 2.2 Struktur BaxSr1-xTiO3

BST merupakan material ferroelektrik yang banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik yang jauh lebih

tinggi daripada silikon oksida (SiO2)

r >> ε 2

SiO ) dan kapasitas penyimpanan

muatan yang tinggi (high charge storage capacity) yang dapat diaplikasikan sebagai kapasitor [2]. Beberapa peneliti juga berpendapat kalau BST memiliki potensi untuk mengganti lapisan tipis SiO2 pada sirkuit metal

oxide semiconductor (MOS). Hasil penelitian yang telah dilakukan sampai saat ini, lapisan tipis BST biasanya memiliki konstanta dielektrik yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan bentuk bulk-nya. Struktur mikro butir yang baik, tingkat tekanan yang tinggi, kekosongan oksigen, formasi lapisan interfasial, dan oksidasi pada bottom electrode atau Si dipercaya menjadi faktor yang mengakibatkan penurunan sifat listriknya [8]. Berikut Persamaan reaksi BST :

Ba(CH3COO)2 +Sr(CH3COO)2 + Ti(C12H28O4)

+ 22O2 → BaSrTiO3 + 17H2O + 16CO2

Kenaikan suhu annealing menaikkan ukuran grain dalam kristal film tipis BST. Pada suhu annealing 7000C struktur BST yang teramati adalah struktur kubik dengan konstanta kisi a = 3,97 Å untuk 30% mol stronsium. Konstanta dielektrik diukur melalui kurva C-V kira-kira 120 dengan faktor disipasi 0,0236. Kebocoran rapat arus dari film adalah 4 x 10-8 A/cm dari perhitungan I-V

(15)

Bahan Pendadah

Pendadah adalah bahan yang digunakan untuk menambah jumlah elektron atau hole pada semikonduktor. Penambahan bahan pendadah dapat menjadikan perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektro-optik, dan sifat piroelektrik dari keramik film tipis [2].

Semikonduktor tipe-n dibuat dengan cara mendadahi material semikonduktor dengan atom-atom golongan V. Atom-atom pendadah tersebut menyumbangkan (mendonorkan) elektron-elektron valensi kepada material semikonduktor. Elektron donor ini kemudian menempati tingkat energi donor yang berada dalam pita terlarang sedikit di bawah pita konduksi [5].

Semikonduktor tipe-p dibuat dengan cara mendadahi material semikonduktor dengan atom-atom golongan III. Atom-atom pendadah tersebut menerima elektron valensi dari material semikonduktor untuk melengkapi ikatan kovalennya. Penarikan elektron dari atom semikonduktor untuk melengkapi ikatan kovalen atom pendadah memerlukan sedikit energi (0,05 eV) karena tingkat energi berada sedikit di atas pita valensi [5].

Bahan pendadah material ferroelektrik dibedakan menjadi dua jenis, yaitu soft dopant dan hard dopant. Ion soft dopant dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi soften, seperti koefisien elastis menjadi lebih tinggi, sifat medan koersif yang lebih rendah, faktor kualitas mekanik yang lebih rendah, dan kualitas listrik yang lebih rendah. Soft dopant disebut juga dengan istilah donor dopankarena penyumbang valensi yang berlebih pada struktur kristal [2,5].

Ion hard dopant dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi lebih hardness, loss dielectric yang rendah, bulk resistance yang rendah, sifat medan koersif yang lebih tinggi, faktor kualitas mekanik lebih tinggi, dan faktor kualitas listrik lebih tinggi. Hard dopant sering juga disebut dengan istilah acceptor dopant karena menerima valensi yang berlebih di dalam struktur kristal BST [4]. Jenis-jenis dari soft dopant dan hard dopant dapat dilihat pada Tabel 2.1 dan Tabel 2.2 [2].

Niobium Penta Oksida (Nb2O5)

Niobium penta oksida banyak diproduksi untuk keperluan kapasitor, lithium niobate, dan gelas optik. Niobium penta oksida mempunyai berbagai bentuk polymorphic berdasarkan koordinat octahedral atom niobium.

Tabel 2.1 Jari-Jari Ion Pendadah Soft Dopant

Soft Dopant

Ion kecil r (Å) Ion besar r (Å) Ti4+ 0,68 Ba2+ 1,35

Zr4+ 0,79 Sr2+ 1,02

Nb5+ 0,69 Nd3+ 1,15 Ta5+ 0,68 Sb3+ 0,90

Sb5+ 0,63 Bi3+ 1,14

W6+ 0,65 Th4+ 1,10

Tabel 2.2 Jari-Jari Ion Pendadah Hard Dopant

Hard Dopant

Ion kecil r (Å) Ion besar r (Å) Ti4+ 0,68 Ba2+ 1,35

Zr4+ 0,79 Sr2+ 1,02

Fe3+ 0,67 Na+ 0,94

Al3+ 0,57 K+ 1,33

Ga3+ 0,62

In3+ 0,85

Cr3+ 0,64 O2- 1,39

Berbagai bentuk tersebut diidentifikasi dengan melakukan variasi ikatan. Paling banyak dijumpai dalam bentuk monoklinik H-Nb2O5

dengan struktur kompleks yang terdiri atas sebuah unit sel terdiri dari 28 atom niobium (27 atomnya berbentuk octahedral dan satu atom berbentuk tetrahedral) dan 70 atom oksigen. Niobium penta oksida dapat dihasilkan dari hidrat padat (Nb2O5.nH2O) atau

disebut juga asam niobik dengan menggunakan hidrolisis berdasarkan pengenceran niobium penta klorida. Pada kapasitor elektrolit padat film tipis Nb2O5 berbentuk lapisan dielektrik

dan lapisan ini dapat ditumbuhkan melalui electrolytically di permukaan lelehan niobium monoksida [6].

Penambahan ion dopant Nb5+ membentuk ruang kosong di posisi ion Ba2+. Ion dopant Nb5+ memiliki valensi lebih besar dari 4+ sehingga terdapat kelebihan muatan positif pada struktur perovskite dan terbentuk ruang kosong di posisi ion Ba2+ sebagai

kompensasi untuk menjaga kenetralan muatan (electroneutraly balance). Semakin banyak penambahan ion Nb5+, maka mengakibatkan

semakin banyak ion barium yang terlepas [7].

Besi Oksida (Fe2O3)

Material besi oksida merupakan material pendadah ion akseptor (acceptor dopant) Fe3+. Fe2O3 memiliki struktur kristal rombohedral

(16)

b = 13,7492 ± 0,001 Å adalah 5,24 g/ml dan t 1,565 ºC. Fe2O3 tidak d

namun dapat larut di dalam Penambahan ion dop ruang kosong di posisi io memiliki valensi lebih kekurangan muatan po perovskite dan terbentuk r ion oksigen sebagai komp kenetralan muatan (elec Semakin banyak pena mengakibatkan semakin yang terlepas [7].

Fotodioda

Dioda adalah sam berfungsi terutama sebag tipe-p menjadi sisi anod tipe-n menjadi katoda. polaritas tegangan yang dioda bisa berlaku seb tertutup (apabila bagian tegangan positif, se mendapatkan tegangan n sebagai saklar terbuka (a mendapatkan tegangan katoda mendapatkan tegan tersebut terjadi hanya pa dioda faktual (riil), perlu dari 0,7 V (untuk dioda ya silikon). Tegangan sebes sebagai tegangan halan Dioda yang terbuat dar memiliki tegangan halang Fotodioda adalah s cahaya yang menghasi sambungan semikondukto Fotodioda dapat dianggap cell, tetapi biasanya m untuk mendeteksi intens yang dapat dideteksi oleh dari cahaya infra merah, ungu sampai dengan sinar Pada Gambar 2 penampang bagian dari memiliki daerah perm ditumbuhkan di atas perm pada akhirnya menghasilk n. Ketebalan lapisan biasanya memiliki keteba

Å. Massa jenis Fe2O3

titik lelehnya adalah dapat larut dalam air,

lam asam.

dopant Fe3+ membentuk ion O2-. Ion dopan Fe3+

h kecil dari 4+, maka positif pada struktur k ruang kosong di posisi mpensasi untuk menjaga lectroneutraly balance). enambahan ion Fe3+

in banyak ion oksigen

sambungan p-n yang agai penyearah. Bahan noda sedangkan bahan da. Bergantung pada g diberikan kepadanya, sebagai sebuah saklar an anoda mendapatkan sedangkan katodanya negatif) dan berlaku (apabila bagian anoda n negatif sedangkan gangan positif). Kondisi pada dioda ideal. Pada rlu tegangan lebih besar yang terbuat dari bahan esar 0,7 V ini disebut ang (barrier voltage). ari bahan Germanium ng kira-kira 0,3 V [5]. semikonduktor sensor asilkan arus ketika ktor p-n dikenai cahaya. ap sebagai baterai solar mengacu pada sensor nsitas cahaya. Cahaya leh fotodioda ini mulai , cahaya tampak, ultra ar-X.

2.3 memperlihatkan ri fotodioda. Fotodioda mukaan aktif yang ermukaan substrat, yang silkan persambungan p-n yap-ng ditumbuhkap-n

balan 1 µm atau lebih

kecil lagi dan pada daer lapisan-p dan lapisan-n terd Daerah spectral dan fre fotodioda bergantung pada atau bahan pendadah [8].

Jika cahaya mengenai dalam struktur kristal tersti cahaya lebih besar dari pad Eg, elektron akan pindah ke meninggalkan hole pada pita Pada Gambar 2.4 elektron-hole terjadi pad lapisan-n. Pada lapisan dep mempercepat elektron-e lapisan-n dan hole menuju l elektron-hole dihasilkan di bersamaan dengan elektron lapisan-p sama-sama menuj sebelah kiri (pita konduksi). hole didifusikan melewati l dipercepat, kemudian hole pada pita valensi lapisan-p. hole yang dihasilkan seband yang diterima oleh lapisan Muatan positif dihasilkan p muatan negatip pada lapisan

Gambar 2.3 Penampang Me

Gambar 2.4 Fotodioda P

4

aerah persambungan rdapat daerah deplesi. frekuensi aktif dari da ketebalan lapisan

ai fotodioda, elektron stimulus. Jika energi ada energi band gap ke pita konduksi, dan ita valensi.

terlihat pasangan ada lapisan-p dan eplesi medan listrik elektron menuju u lapisan-p. Pasangan di dalam lapisan-n, on yang datang dari nuju pita konduksi di si). Pada saat itu juga ti lapisan deplesi dan ole ini dikumpulkan

. Pasangan elektron-nding dengan cahaya san-p dan lapisan-n. n pada lapisan-p dan

an-n [9].

Melintang Fotodioda

(17)

Gambar 2.5

Fotokonduktivitas

Material berdasarka listrik dapat diklasifisika konduktor, isolator d Perbedaan nilai dari kondu material tersebut seperti p menunjukkan spektrum dan resistivitas listrik. Ma mempunyai nilai kondu antara (10-8 – 103) S/cm [1

Nilai konduktivita bergantung dari sifat Konduktivitas listrik adal bahan untuk menghan Persamaan (2.1) berikut m konduktivitas listrik dan re

R L

=

σ

Fotokonduktivitas a listrik yang dihasilkan da dari pita valensi menuju menyerap energi foton y energi pita terlarang. Elek ke pita konduksi ini me muatan yang pada akh konduktivitas listrik [11].

Perangkat fotokondu menghasilkan perubaha tegangan ketika disina demikian perangkat banya ON-OFF devices (saklar) atau limited power fotokonduktivitas terjadi jatuh pada sebuah mengakibatkan meningk listrik.

Fenomena fotokon dengan eksitasi elektr bandgap, yang mengak pasangan elektron-hole konduktivitas listrik. Ek

2.5 Pembagian Material Berdasarkan Konduktivitas Li

kan nilai konduktivitas kan menjadi tiga yaitu dan semikonduktor. nduktivitas listrik ketiga i pada Gambar 2.5 yang konduktivitas listrik Material semikonduktor duktivitas pada selang

[10].

vitas suatu material at material tersebut. dalah kemampuan suatu antarkan arus listrik. t merupakan hubungan n resistansi :

A R

L

adalah konduktivitas dari eksitasi elektron ju pita konduksi ketika yang lebih besar dari lektron yang tereksitasi eningkatkan pembawa akhirnya meningkatkan

].

duktivitas dibuat untuk han resistansi atau inari cahaya. Dengan nyak digunakan sebagai ar), measuring devices, sources. Fenomena di ketika sinar cahaya semikonduktor dan gkatnya konduktivitas

konduktivitas dimulai ktron melalui energi akibatkan peningkatan dan meningkatkan Eksitasi hanya dapat

terjadi jika foton lebih bandgap. Fenomena fotok dijelaskan seperti pada persa

(

o e o en

µ

p

σ

= +

di mana no dan po adalah

kesetimbangan, dan σo adal ruang gelap. Ketika cahay tipis semikondutor konsentrasi pembawa bebas dan arus meningkat deng elektron dan hole selalu berpasangan maka didapa Konduktivitas sekarang men

(

n e n e o t o t ∆ + = ∆ + =

µ

σ

σ

µ

σ

σ

di mana bo µh, ada

mobilitas. Peningkatan rel adalah: o h o n e σ µ σ σ = ∆ ∆

Faktor yang mempengaruhi waktu yaitu; carrier (pemb terus tercipta secara kon cahaya dan hilangnya carr juga akibat rekomendasi. Ad mengakibatkan terjadinya seimbang. Variasi konsentra diberikan oleh persamaan di

n g dt dn − = di mana g adalah laju gen satuan volum terhadap pen disebut waktu rekomendasi steady state dn/dt = konsentrasi muatan pemba dengan laju generasi elektro terhadap penyerapan cahaya waktu rekomendasi elektron persamaan (2.7). ) 1 . 2 ( Listrik

besar dari energi okonduktivitas dapat rsamaan (2.2):

)

h o p

µ

lah konsentrasi pada dalah konduktivitas di aya jatuh pada film ada peningkatan as sebesar ∆n dan ∆p

ngan tiba-tiba. Jika lalu tercipta secara apatkan ∆n = ∆p.

enjadi

)

(

b

)

h h e + + 1

µ

µ

µ

adalah perbandingan relatif konduktivitas

(

)

o

b

+ 1

hi variasi n terhadap mbawa) bebas yang ontinu saat disinari arrier secara kontinu Adanya rekomendasi ya kondisi tidak ntrasi terhadap waktu

di bawah ini:

' τ o

n

enerasi elektron per-enyerapan cahaya. τ [2,4]. Pada keadaan = 0, pertambahan bawa adalah sama tron per-satuan volum aya dikalikan dengan ron hole, seperti pada

(18)

6

τ

g

n

=

Jika laju generasi ini dihubungkan dengan koefisien serapan dan intensitas cahaya yang menyinari, maka didapatkan persamaan laju generasi persatuan volum sesuai persamaan (2.8):

( )

V dN g = α υ

di mana d, α, N(v), dan V adalah berturut-turut ketebalan lapisan semikonduktor, koefisien absorbansi, jumlah foton yang jatuh pada medium per-satuan waktu dan volum semikonduktor. Jumlah foton yang datang N(v) pada permukaan semikonduktor merupakan fungsi dari intensitas I (v) sesuai dengan persamaan (2.9);

( )

υ I

( )

υυA

N =

di mana A adalah luas lapisan semikonduktor. I(v)A adalah daya penyinaran dan hv adalah energi foton. Dengan demikian didapatkan hubungan antara besarnya pertambahan konsentrasi muatan pembawa yang merupakan fungsi dari koefisien absorbansi, besarnya intensitas penyinaran, luas penampang semikonduktor, waktu rekomendasi dan besarnya frekuensi foton yang datang, seperti pada persamaan (2.10):

( )

τ

υ

υ

α

I A

n = ∆

Jika persamaan (2.10) disubstitusikan ke persamaan (2.5) didapatkan persamaan peningkatan relatif konduktivitas listrik akibat penyinaran sesuai dengan persamaan (2.11) [12].

( )

A e

(

b

)

I

h +

+

0 α υυ τ µ 1

σ

Kapasitansi dan Dielektrik Bahan

Kapasitansi adalah kemampuan penyimpanan muatan pada beda potensial tertentu. Satuan dari kapasitansi adalah farad (F) [12]. Besarnya kapasitansi dari suatu kapasitor tidak tergantung pada beda potensial (V) dan muatannya (Q). Kapasitansi kapasitor bergantung pada bentuk geometri dan dielektrik bahan kapasitor. Bentuk sederhana kapasitor keping sejajar dapat dilihat pada gambar 2.6. Rumusan nilai kapasitansi kapasitor adalah dinyatakan pada persamaan 2.12 [13]:

d

A

C

=

ε

r

ε

0

Dimana C adalah kapasitansi kapasitor,

r

ε

konstanta bahan dielektrik,

ε

0 adalah

konstanta permitivitas ruang hampa udara, (8,85 x 10-12 C2m-2N-1), d adalah jarak antar

keping (m), A adalah luas penampang plat (m2). Nilai konstanta dielektrik merupakan

gambaran material dapat menyimpan muatan listrik [14].

Material yang bersifat sebagai isolator, seperti kaca, kertas, atau kayu, dapat disebut dielektrik. Ketika suatu dielektrik disisipkan diantara keping kapasitor, medan listrik kapasitor mempolarisasikan molekul-molekul dari bahan dielektrik. Pada bahan dielektrik tersebut, muncul muatan terikat yang menghasilkan medan listrik serta berlawanan arah dengan medan listrik kapasitor. Oleh karena itu, medan listrik antar keping kapasitor melemah.

Pelemahan medan listrik membuat beda potensial antar keping semakin kecil pula sehingga nisbah muatan per beda potensial (Q/V) atau kapasitansi semakin besar [14].

Time constant atau konstanta waktu merupakan waktu yang dibutuhkan muatan untuk berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya dan disimbolkan dengan τ serta

dirumuskan sebagai τ = RC [13]. Muatan pada

kapasitor disimpan dalam material dielektrik yang mudah terpolarisasi dan mempunyai hambatan listrik yang tinggi sekitar 1011 ohm

untuk mencegah aliran muatan di antara pelat kapasitor [15]. Rangkaian RC pada pengisian muatan dimana tegangan pada kapasitor didapatkan:

( )

( )

     =

=V t etRC

C t Q 1 ε Sifat Optik

Pengukuran sifat optik bertujuan untuk menentukan energi bandgap suatu material semikonduktor. Transisi elektronik yang terjadi akibat foton bergantung pada energi bandgap [15]. Besarnya energi bandgap ini berpengaruh pada proses absorbsi dan transmisi foton.

Absorbansi merupakan kebalikan dari transmitansi, yaitu fraksi radiasi datang yang diserap oleh medium, dinyatakan pada persamaan (2.14):

T I

I T

A log 1 log ln

0

− = =

=

Koefisien absorbsi α adalah fraksi radiasi

yang diserap dalam satuan jarak yang dilalui dan merupakan karakteristik medium tertentu dan panjang gelombang tertentu.

(19)

Gambar 2.6 Kapasitor Keping Sejajar Absorbsi foton bergantung pada sifat bahan semikonduktor dan panjang gelombang cahaya yang datang. Arus dihasilkan oleh sebuah sel surya bergantung pada panjang gelombang cahaya datang dan merupakan karakteristik dari bahan semikonduktor [16]. Absorbsi dinyatakan pada persamaan (2.15):

t

A

λ

=

α

λ

Absorbansi A merupakan karakteristik bahan. Berdasarkan persamaan (2.14) dan persamaan (2.15), hubungan transmitansi dan koefisien absorpsi sebagai panjang gelombang dapat dinyatakan pada persamaan (2.16): Absorpsi mateial semikonduktor mengakibatkan terjadinya eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi [17].

( )

     = 100 % ln 1 λ λ

α

T d

Proses transisi elektron dapat melalui transisi langsung (direct transition) maupun transisi tidak langsung (indirect transition) [18]. Transisi pada material semikonduktor dapat dituliskan dengan persamaan (2.17) [25]:

( )

(

)

n

g

E h C hυ = υ −

α

dimana α adalah koefisien absorbsi, hυ adalah energi foton, C adalah konstanta, Eg adalah

energi gap, dan n adalah nilai transisi.

Metode Chemical Solution Deposition (CSD)

Metode CSD merupakan cara pembuatan film dengan pendeposisian larutan bahan kimia di permukaan substrat dan dipreparasi dengan spin coater pada kecepatan 3000 rpm. Metode CSD memiliki kontrol stokiometri yang baik, mudah dalam pembuatan serta sintesisnya terjadi pada suhu ruangan (27°C) [15].

Spin coating adalah suatu pelapisan film tipis di permukaan substrat datar. Spin coating merupakan teknik pelapisan bahan dengan cara menyebarkan larutan ke permukaan substrat kemudian diputar pada kecepatan konstan untuk memperoleh lapisan baru yang homogen. Spin Coating melibatkan akselerasi dari

genangan cairan diatas substrat yang berputar. Konsep spin coating dapat dijelaskan dengan sebagai perilaku aliran larutan pada piringan substrat yang berputar. Aliran volumetrik cairan dengan arah radial pada substrat yang diasumsikan bervariasi terhadap waktu.

Beberapa parameter dalam spin coating adalah: viskositas larutan, kandungan padatan, kecepatan angular, dan waktu putar.

Proses pembentukan film yang dihasilkan dipengaruhi oleh dua parameter bebas yaitu, kecepatan putar dan viskositas. Rentang ketebalan yang dihasilkan alat spin coating adalah berkisar 1 µm - 200 µm. Pada film yang lebih tebal dibutuhkan material berviskositas tinggi, kecepatan putar rendah, dan waktu putar yang lebih cepat. Pada prakteknya, alat spin coating memiliki beberapa kelebihan yaitu: tebal lapisan dapat diatur, biaya relatif murah, mudah dalam pembuatan, menggunakan material dan peralatan yang sederhana. Ketebalan film tipis dapat dihitung melalui persamaan (2.18): A m m d F ρ2 1

− =

Keterangan :

d = tebal film tipis (cm)

m1 = massa substrat sebelum ditumbuhkan

film tipis (g)

m2 = massa substrat setelah annealing dan

terdapat film tipis diatasnya (g) A = luas permukaan film tipis yang

terdeposisi pada permukaan substrat (cm2)

F

ρ = massa jenis film tipis (g/cm3)

Microcontroller ATMega8535

Microcontroller adalah sebuah sistem komputer fungsional pada sebuah chip. Microcontroller terdiri dari sebuah inti processor, memori (sejumlah kecil RAM, memori program, atau keduanya), dan perlengkapan masukan-keluaran. Oleh karena itu, microcontroller adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus atau cara kerja microcontroller sebenarnya membaca dan menulis data [19].

Microcontroller ATMega8535 merupakan salah satu microcontroller 8 bit buatan Atmel untuk keluarga AVR yang diproduksi secara masal pada tahun 2006. Microcontroller ATMega8535 menggunakan arsitektur reduced instruction set computing (RISC) 8 bit. Berbeda dengan microcontroller keluarga 8051 yang mempunyai arsitektur

(20)

8

complex instruction set computing (CISC), AVR menjalankan sebuah instruksi tunggal dalam satu siklus dan memiliki struktur I/O cukup lengkap sehingga penggunaan komponen eksternal dapat dikurangi [20]. Microcontroller AVR menggunakan arsitektur Harvard, di mana ruang dan jalur bus bagi memori program dipisahkan dengan memori data. Memori program diakses dengan single-level pipelining sehingga ketika sebuah instruksi dijalankan, instruksi lain berikutnya prefetch dari memori program. Blok diagram Microcontroller ATMega8535 dapat dilihat pada lampiran 1. Secara singkat, ATMega8535 memiliki beberapa kelebihan kemampuan dari microcontroller AVR buatan Atmel lainnya [21]:

a) sistem microcontroller 8 bit berbasis sistem RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz.

b) memiliki memori flash 8 KB, SRAM sebesar 512 byte dan electrically erasable programmable read only memory (EEPROM) sebesar 512 byte.

c) memiliki ADC (Analog to Digital Converter) internal dengan ketelitian mencapai 10 bit sebanyak 8 saluran. d) memiliki PWM (Pulse Wide Modulation)

internal sebanyak 4 saluran.

e) portal komunikasi serial (USART) dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps.

f) enam pilihan mode sleep, untuk menghemat penggunaan daya listrik. Microcontroller ATMega8535 juga memiliki 40 pin untuk model PDIP. Nama-nama pin pada microcontroller dapat dilihat pada Gambar 2.7 [21].

Gambar 2.7 Konfigurasi Pin ATMega 8535

Setiap pin model PDIP pada microcontroller memiliki fungsi masing-masing yaitu:

a) VCC untuk tegangan pencatu daya positif. b) GND untuk tegangan pencatu daya negatif. c) Port A (PA0 - PA7) sebagai port

masukan/keluaran dan memiliki kemampuan lain yaitu sebagai masukan untuk ADC

d) Port B (PB0 – PB7) sebagai port masukan/keluaran dan juga memiliki kemampuan yang lain.

e) Port C (PC0 – PC7) sebagai port masukan/keluaran untuk ATMega8535. f) Port D (PD0 – PD7) sebagai port

masukan/keluaran dan juga memiliki kemampuan yang lain.

g) RESET untuk melakukan reset program dalam microcontroller.

h) XTAL1 dan XTAL2 untuk masukan pembangkit sinyal clock.

i) AVCC untuk pin masukan tegangan pencatu daya untuk ADC.

j) AREF untuk pin tegangan referensi ADC.

Penguat Operasional (Operational Amplifier)

Penguat operasional adalah rangkaian terpadu (IC) yang mempunyai 5 buah terminal dasar. Dua terminal untuk catu daya, dua yang lain digunakan untuk isyarat masukan yang berupa masukan membalik (-) dan masukan tak membalik (+) serta satu terminal untuk keluaran [22]. Penguat operasional ideal memiliki karakteristik faktor penguatan tegangan tidak terbatas, impedansi masukan tidak terbatas, impedansi keluaran nol, lebar pita tidak terbatas, tegangan offset nol (keluaran nol jika masukan nol). Penguat operasional dalam bentuk rangkaian terpadu memiliki karakteristik yang mendekati karakteristik penguat operasional ideal[23].

Penguat Pembalik (Inverting Amplifier) Penguat pembalik merupakan suatu penguat yang tegangan keluaran (Vout)

mempunyai polaritas yang tidak sama dengan tegangan masukan (Vin). Rangkaian penguat

pembalik dapat ditunjukkan pada Gambar 2.8 [22]. Persamaan umum untuk penguat pembalik adalah:

in in

f

out V

R R

(21)

Penguat Tak Memba Amplifier)

Penguat tak memba penguat yang teganga mempunyai polaritas y tegangan masukan (Vin).

tak membalik ditunjukka [22]. Persamaan umum membalik adalah:

  

= V 1

Vout in

Penguat Diferensial (Diff Differential Amplifi penguat dimana tegang merupakan hasil selisih tegangan masukan pada te non-inverting [24]. Ra amplifier ditunjukkan p Rumus umum yang ber differensial adalah sebaga

(

)

(

2

)

1 R R R R R R V g f out + + =

Jika R1 = R2 dan Rf =

keluaran differential ampl

(

1 V R R Vout = f

Penguat Penjumlahan Rangkaian penguat dengan menghubungkan masukan ke Op-Amp p gambar 2.11. Persamaa penguat penjumlahan adal

   + + − = f out R V R V R V 2 2 1 1 Integrator

Penguat integrator tegangan masukan terha integrator dapat juga dip pelewat-tinggi dan dapa rangkaian filter aktif [24] integrator dapat dilihat Persamaan umum untuk in

0

1

RC V

t

out=−

di mana t adalah waktu da keluaran pada t = 0.

Diferensiator

Pada dasarnya dife dibentuk dari integrator d

balik (Non-inverting

balik merupakan suatu gan keluaran (Vout)

yang sama dengan ). Rangkaian penguat kkan pada gambar 2.9 m untuk penguat tak

   + 1 2 1 R R ifferential Amplifier) lifier merupakan suatu angan keluaran (Vo) ih antara kedua buah a terminal inverting dan Rangkaian differential pada Gambar 2.10. berlaku untuk penguat

gai berikut [2,14].

1 1 2 1 V R R V R

Rg f

= Rg maka tegangan

plifier adalah:

(

V2−V1

)

at penjumlahan dibuat kan lebih dari satu pembalik seperti pada aan umum rangkaian dalah :    + ⋅⋅ ⋅⋅ + n n R V

tor mengintegrasikan rhadap waktu. Sebuah ipandang sebagai filter apat digunakan untuk

4]. Rangkaian penguat at pada Gambar 2.12.

integrator adalah:

0 0

V dt Vin +

dan V0 adalah tegangan

diferensiator dapat juga dengan cara mengganti

kapasitor dengan indukto dilakukan karena harga ind dan bentuknya yang besar dapat juga dilihat sebagai fil dan dapat digunakan sebag Rangkaian penguat diferens pada Gambar 2.13 Fungsi d mendiferensiasikan sinyal terhadap waktu dengan persa

d RC Vout=−

Gambar 2.8 Pengua

Gambar 2.9 Penguat T

Gambar 2.10 Penguat Differ

Gambar 2.11 Rangkaian

Gambar 2.12 Rangkaia

) 20 . 2 ( ) 21 . 2 ( ) 22 . 2 ( ) 23 . 2 ( ) 24 . 2 (

ktor, namun tidak induktor yang mahal [23]. Diferensiator filter pelewat-rendah agai filter aktif [22]. ensiator dapat dilihat diferensiator adalah al hasil pembalikan

rsamaan:

dt dVin

uat Pembalik

t Tak Membalik

fferential Amplifier

ian Penjumlahan

(22)

Gambar 2.13 Rangka

Analog to Digital Conver

ADC adalah seb dirancang untuk mengu analog menjadi bentuk sin perlu diperhatikan dalam adalah tegangan maks dikonversikan oleh AD pengkondisi sinyal, resolu ADC, tipe keluaran, ke konversinya.

ATMega8535 merup telah dilengkapi dengan 8 dengan fidelity 10 bit. Dal ADC ATMega8535 dapa sebagai single ended inpu input. Selain itu, ADC AT konfigurasi pewaktuan, mode operasi, dan kem yang fleksibel sehingga disesuaikan dengan kebut [20].

METODOLOGI P

Tempat dan Waktu Pene

Penelitian ini dilak Material, Laboratorium Laboratorium Karakterisa Fakultas Matematika da Alam, Institut Pertanian B dilaksanakan dari bula sampai dengan bulan Sept

Bahan dan Alat

Bahan yang diguna ini adalah bubuk barium a 99%], bubuk stronsium a 99%], titanium isopropo 99.999%] dalam bentuk [(Fe2O3)], niobium pent

pelarut 2-metoksietanol 99%], substrat Si (100) aseton PA [CH3COCH3, 5

PA [CH3OH, 32,04 g/mol

HF (asam florida), k alumunium foil [2,4].

Alat yang digunaka adalah neraca analitik, r

kaian Diferensiator

verter (ADC)

sebuah piranti yang ngubah bentuk sinyal sinyal digital. Hal yang lam penggunaan ADC ksimum yang dapat ADC dari rangkaian olusi, pewaktu eksternal ketepatan, dan waktu

rupakan tipe AVR yang 8 saluran ADC internal alam mode operasinya, apat dikonfigurasi baik put maupun differential ATMega8535 memiliki n, tegangan referensi, emampuan filter derau a dapat dengan mudah utuhan ADC itu sendiri

I PENELITIAN

enelitian

akukan di Laboratorium um Biofisika, dan isasi Departemen Fisika, dan Ilmu Pengetahuan n Bogor. Penelitian ini ulan September 2009 eptember 2010.

nakan dalam penelitian asetat [Ba(CH3COO)2,

asetat [Sr(CH3COO)2,

poksida [Ti(C12O4H28),

uk cairan, besi oksida enta oksida [(Nb2O5)],

ol [H3COCH2CH2OH,

00) tipe-p, dye water, , 58,06 g/mol], metanol ol], gula pasir, aquades, kaca preparat dan

kan pada penelitian ini , reaktor spin coating,

mortal, pipet, gelas ukur Iwa pinset, gunting, spatula, st reaksi, sarung tangan kar tissue, isolasi, doubletip dan Bransonic 2510, Light Mete Lampu bohlam 60 Watt. Ko yang digunakan dalam ran sensor cahaya (Microcontrol IC Op Amp, Resistor 220 1 M , Tungsten Halogen La LM324, PCB IC, Pin Head Neon, kawat atau kabel). Ala ditunjukkan pada lampiran 2

Prosedur Penelitian

Pembuatan Film Tipis Pembuatan film tipis pencucian substrat silikon larutan serta penumbuhan pa annealing, metalisasi film tip kontak film tipis. Alat ya karakterisasi film tipis d lampiran 3. Diagram alir pe dapat dtunjukkan pada lampi

.

1) Pencucian Substrat Si T Substrat yang digunak Si (100) tipe-p. Substrat dip persegi (0,5 x 0,5) cm2 dan

menggunakan pisau mata in telah dipotong kemudian aseton pro analysis (PA) se kemudian diangkat dan d ultrasonik selama 10 menit. ditampung dan direndam d Substrat selanjutnya dima larutan Metanol pro analysi kemudian diangkat dan d ultrasonik selama 10 menit. susbtrat direndam lagi d kemudian diangkat dan campuran HF dan dye wa 1:5) sambil digetarkan selam kemudian diangkat dan d dengan dye water selama digetarkan.

2) Pembuatan Larutan B BFST

Pembuatan film tipis BFST memakai metode deposition (CSD) dengan c stronsium asetat, titanium bahan pendadah seb dicampurkan dengan meto

10

waki 10 ml, hot plate, stop watch, tabung karet, cawan petris, an blower PT310AC, eter Lutron LX-100,

omponen-komponen angkaian elektronika troller ATMega 8535, , 10 K , 100 K , Lamp LS-1, IC VReg ader, Buzzer, Lampu Alat dan bahan dapat n 2.

is dimulai dari tahap on (Si), pembuatan pada substrat, proses tipis, dan pembuatan yang dipakai untuk dapat dilihat pada pembuatan film tipis

piran 4.

i Tipe-p

akan adalah substrat dipotong membentuk n (1 x 1) cm2 dengan

ntan. Substrat yang n direndam dengan selama 10 menit dan digetarkan dengan it. Substrat kemudian dengan dye water. asukkan ke dalam lysis selama 10 menit digetarkan dengan it. Proses selanjutnya, dengan dye water n dicelupkan pada

water (perbandingan ama 1 menit. Substrat direndam kembali a 10 menit sambil

BST, BNST, dan

(23)

bahan pelarut. Pada pene fraksi molar untuk Ba sedangkan fraksi molar 0,5 mol/l dengan volum p 1,5 ml. Komposisi massa ditimbang dengan ne diperhalus dengan spatula stronsium asetat lalu dic tabung reaksi denga metoksietanol dan digetar dengan menggunakan 2510. Larutan kemudian titanium isopropoksida d sebanyak 5% dari massa kembali selama 30 men pencampuran adalah la larutan BST didadah niob didadah besi.

3) Proses Penumbuhan Proses penumbu menggunakan alat spin co diletakkan dipermukaan dengan 1/3 permukaa direkatkan dengan solati untuk menghindari semu terlapisi larutan BST sert terlepas dari alat saat p diputar. Substrat kemudian lalu diputar selama 30 sek 3000 rpm. Substrat kemu menggunakan pinset dan permukaan hot plate sel menguapkan sisa pelarut Proses penumbuhan film Gambar 3.1.

4) Proses annealing Proses selanjutnya a bertujuan mendifusikan atau BFST dengan substr tipe-p yang telah ditumbu BNST, dan BFST, kemud annealing pada suhu 850 meliputi tiga fase. F peningkatan suhu 1,67 0C/

sehingga mendapatkan suh adalah mempertahankan Fase ketiga adalah penu cooling) hingga kembali k 12 jam. Proses anne furnace model Vulcan 3-3 dapat ditunjukkan pada Ga

5) Pembuatan Kontak P Proses selanjutnya kontak yang meliputi pros

enelitian ini, digunakan Ba sebesar 0,5 mol/l

lar untuk Sr sebesar m pelarut metoksietanol sa masing-masing bahan neraca analitik dan tula. Barium asetat dan dicampurkan ke dalam gan bahan pelarut tarkan selama satu jam penggetar Bransonic an ditambahkan dengan dan bahan pendadah sa BST serta digetarkan enit. Hasil dari proses larutan murni BST, obium, dan larutan BST

an Film Tipis

buhan film tipis coater. Substrat silikon n piringan spin coater

aan substrat silikon latif. Hal ini dilakukan mua permukaan silikon erta agar substrat tidak piringan spin coating

ian ditetesi larutan BST sekon dengan kecepatan udian diangkat dengan an segera dipanaskan di selama 20 menit untuk rut yang masih tersisa. tipis dapat diihat pada

a adalah annealing yang n larutan BST, BNST strat. Substrat Si (100) buhi lapisan tipis BST, udian dilakukan proses 500C. Proses

annealing Fase pertama yaitu C/menit selama 8,2 jam suhu 8500C. Fase kedua

n suhu selama 15 jam. nurunan suhu (furnace li ke suhu kamar selama nealing menggunakan 310. Proses annealing Gambar 3.2.

k Pada Film Tipis ya adalah pembuatan roses pembuatan lubang

kontak film tipis dengan menggunakan aluminium foi aluminum (Al) sebagai m dilakukan di Fisika Material Bandung (ITB). Setelah kon proses selanjutnya adalah p dan penyolderan kawat memakai bahan pasta pe Gambar film tipis yang telah hidder ditunjukkan oleh Gam

Karakterisasi Film Tipis Film tipis BST, BNST karakteristik sifat listrik d Karakterisasi sifat listrik me fotokonduktivitas, konstant karakterisasi arus-tegangan ( sifat optik berupa absorban Pengujian tersebut memper yang dipakai menjadi sensor

Gambar 3.1 Proses Penum

Gambar 3.2 Proses

Gambar 3.3 Film Tipis pad dengan Tamba

an ukuran 1 mm2

foil. Proses metalisasi media kontak film rial Institut Teknologi ontak terbentuk maka pemasangan hidder t tembaga dengan perak pada kontak. lah diberi kontak dan ambar 3.3.

ST, dan BFST diuji dan sifat optiknya. meliputi karakterisasi anta dielektrik, dan n (I-V). Karakterisasi ansi dan reflektansi. perlihatkan film tipis sor cahaya.

umbuhan Film Tipis

ses Annealing

(24)

12

1) Karakterisasi Kurva Arus-Tegangan (I-V) Karakterisasi arus-tegangan dilakukan untuk melihat sifat dominan dari film tipis BST, apakah bersifat dioda, fotodioda, resistor atau fotoresistor. Pengukuran arus-tegangan film tipis menggunakan Keithley's SourceMeter Family Model 2400. Pengukuran arus-tegangan dilakukan pada kondisi pada dua kondisi yaitu pada kondisi gelap dan kondisi terang yang disinari lampu intensitas cahaya 11.210 Lux pada semua kombinasi kontak pada film yang sama. Tegangan pencatu yang diberikan film tipis adalah dari -10 V sampai 10 V dengan kenaikan 0,2 V.

Hasil pengukuran berupa kurva hubungan antara arus dan tegangan. Arus berada pada sumbu vertikal dan tegangan yang pada sumbu horizontal merupakan variabel bebas [15]. Pada data tersebut dibuat hubungan antara tegangan dan arus menggunakan microsoft excel. Pada kurva yang diperoleh dapat dilihat adanya pergeseran antara kurva yang diperoleh pada kondisi disinari dan pada kondisi gelap. Hal ini menunjukkan seberapa besar sensivitas film tipis.

2) Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis Karakterisasi ini dilakukan untuk melihat spektrum absorbansi dan reflektansi film tipis sehingga dapat ditentukan daerah serapan panjang gelombang paling besar dari film tipis. Karakterisasi sifat optik dari film tipis menggunakan kabel fiber optic sebagai media transmisi gelombang. Tungsten Halogen Lamp sebagai sumber gelombang. Perangkat alat kemudian dihubungkan dengan Spectrophotometer Vis-NIR Ocean Optics USB 1000 Oceanoptic sebagai detektor. Spectrophotometer Vis-NIR Ocean Optics USB 1000 Oceanoptic mendeteksi panjang gelombang dari 339 nm sampai 1022 nm dengan menggunakan metode refleksi. Spectrophotometer kemudian dihubungkan dengan komputer. Hubungan absorbansi dan reflektansi terhadap panjang gelombang ditampilkan melalui software Spectra-Suite sehingga diperoleh kurva absorbansi terhadap panjang gelombang dan reflektansi terhadap panjang gelombang pada komputer.

3) Karakterisasi Fotokonduktivitas Film Tipis

Konduktansi film tipis diukur dengan menggunakan LCR meter. Dari alat tersebut didapatkan nilai konduktansi (G). Nilai resistansi didapatkan dari persamaan R=1/G

sedangkan nilai konduktivitas dicari dari persamaan (2.1).

Konduktivitas film tipis diukur dengan berbagai variasi yaitu pada kondisi gelap (0 lux), kondisi terang dengan variasi intensitas cahaya 1000 lux, 2000 lux, 3000 lux, dan 4000 lux. Data konduktansi ini digunakan untuk menghitung nilai konduktivitas listrik film tipis dengan menggunakan persamaan (2.1). Data konduktivitas listrik film tipis yang didapat dibandingkan dengan data literatur apakah film tipis yang terbentuk termasuk bahan konduktor, semikonduktor atau bahan isolator.

4) Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Tipis

Karakterisasi konstanta dielektrik dilakukan untuk mengetahui nilai konstanta dielektrik film tipis sehingga dapat diketahui apakah dapat dipakai kapasitor atau tidak. Pada karakterisasi ini, rangkaian yang digunakan adalah rangkaian RC pada Gambar 3.4. Hasil dari rangkaian pengukuran ini didapatkan waktu pengosongan dan waktu pengisian pada oscillocope Tetronix TDS 1002. Waktu pengisian terjadi ketika t = RC sehingga didapatkan nilai kapasitansi film tipis. Nilai kapasitansi film tipis tersebut kemudian dihubungkan dengan persamaan (2.12) untuk menentukan nilai konstanta dielektrik.

Perakitan Pengukur Konsentrasi Gula

Pengukuran konsentrasi gula dilakukan dengan memanfaatkan fenomena opto-electric dari material BST sebagai sensor cahaya. Semakin bertambahnya konsentrasi gula mengakibatkan nilai intensitas cahaya yang ditransmisikan oleh larutan gula semakin kecil. Pengurangan tersebut akibat adanya daerah spektrum gelombang yang diserap. Pada material BST, perubahan intensitas cahaya mengakibatkan perubahan nilai tegangan keluaran pada sensor. Oleh karena itu, dengan adanya perubahan konsentrasi gula mengakibatkan perubahan nilai tegangan keluaran sensor.

(25)

Gambar 3.4 Rangkaian Dielektrik F 1) Pemilihan Sensor

Material sensor B mengubah besaran fisis y cahaya menjadi besaran Hasil karakterisasi sifat o film tipis digunakan untu yang paling baik seba Tegangan keluaran dar dengan menggunakan ra sinyal agar sesuai denga ADC.

2) Karakterisasi Spektr Gula

Karakterisasi spektru larutan gula bertujuan untu serapan paling baik laru yang dipakai memiliki d sama dengan larutan gula. dipakai adalah tungsten h bantuan kabel fiber op menuju Spectrophotome Optics USB 1000 o konsentrasi gula dimasukk cuvet kemudian didudukk telah disiapkan. Cahaya diteruskan oleh kabel fibe Cahaya yang melewati cuvet kemudian ditrans fiber-optic menuju Visualisasi hubungan k panjang gelombang me Spectra-Suite.

3) Pengkondisian Sinya Pengkondisian siny menguatkan tegangan k agar mampu dipros ATMega8535. Sebelum penguat diferensial dipe tegangan awal sehingga awal sensor pada laruta Untuk itu diperlukan wheatstone. Tegangan ke

an Penentu Konstanta Film Tipis

BST berfungsi untuk s yang berupa intensitas an tegangan keluaran. t optik dan listrik pada ntuk memilih film tipis bagai sensor cahaya. ari film tipis diolah rangkaian pengkondisi ngan tahapan masukan

ktrum Serapan Larutan

trum serapan (absorbsi) ntuk mengetahui daerah rutan gula agar sensor i daerah serapan yang la. Sumber cahaya yang n halogen lamp dengan optic sebagai terminal meter Vis-NIR Ocean oceanoptic. Larutan ukkan ke dalam preparat kkan pada media yang ya dari lampu halogen iber optic menuju cuvet. ti larutan gula dalam nsmisikan oleh kabel spectrophotometer. konsentrasi gula dan menggunakan software

yal

inyal berfungsi untuk keluaran sensor BST oses microcontroller

memasuki rangkaian iperlukan pengaturan

ga tegangan keluaran utan gula adalah 0 V. n rangkaian jembatan keluaran dari rangkaian

jembatan wheatstone kem dengan penguat diferen amplifier). Tegangan kelua diferensial kemudian masuk untuk diolah lebih lanjut. 4) Pengujian Rangkaian P

Pengujian rangkaian p dilakukan dengan cara mem berubah-ubah pada bagian akhir ( penguat non invertin kemudian diukur keluarann tingkat penguatan tegangan. dikatakan baik jika masuk nilai keluaran (Vout) denga

yang sama pada setiap nil penelitian ini diharapakan dihasilkan sebesar 100 kali. 5) Pengintegrasian Sens Microcontroller ATMe Sinyal tegangan kel sinyal analog sedangkan siny ATMega8535 merupakan s karena itu, sinyal analog har digital.

Agar keluaran dari ATMega8535 sesuai denga maka diperlukan pe Pemrograman microcontro menggunakan Bascom AV basic. Data tegangan keluara sinyal kemudian dibuat persamaannya menggunaka Excel 2007. Persamaan t dipakai oleh microcontrol sebagai kalibrasi tegangan nilai konsentrasi.

Pengujian Alat

Pengujian alat dilakuk nilai jangkauan alat ( (accuracy), liniearitas (linie (sensitivity), resolusi ( Ketepatan nilai dari alat dengan persamaan:

1





=

µ

µ

φ

x

Keterangan : φ = ketep µ = harg x = harga Selain itu, pengujian dengan membandingkan nil sebenarnya dengan dengan alat. Jika nilai konsentrasi g nilai konsentrasi gula yang diplotkan dalam satu graf

kemudian dikuatkan rensial (diferential luaran dari penguat uk ke microcontroller

Pengkondisi Sinyal n pengkondisi sinyal

emberikan tegangan an masukan penguat ting ). Hasil keluaran nnya untuk dihitung n. Pengkondisi sinyal ukan (Vin) memiliki

gan faktor penguatan nilai masukan. Pada an penguatan yang

nsor BST dengan Mega8535

keluaran merupakan inyal microcontroller sinyal digital. Oleh arus diubah ke sinyal

ari microcontroller gan yang dinginkan pengolahan data. troller ATMega8535 AVR dengan bahasa aran dari pengkondisi t grafik dan dicari kan microsoft office tersebut kemudian troller ATMega8535 an keluaran menjadi

ukan dengan mencari (range), ketepatan iniearity), sensitivitas (resolution) [25]. t ukur dapat dicari

%

100

×

tepatan nilai rga seharusnya rga hasil pengukuran jian juga dilakukan nilai konsentrasi gula an yang terukur pada i gula sebenarnya dan ng terukur pada alat rafik, dan kemudian
(26)

14

grafik yang terbentuk adalah garis lurus dengan sudut kemiringan mendekati 45° maka dapat dikatakan alat uji telah terkalibrasi dengan benar, karena hasil nilai konsentrasi yang didapatkan hampir sama dengan alat pengukur konsentrasi gula.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Karakterisasi Film Tipis

Karakterisasi Arus-Tegangan Film Tipis Karakterisasi arus-tegangan dilakukan untuk menganalisis sifat dominan dari film tipis BST yang dapat bersifat dioda, fotodioda, resistor, atau fotoresistor.

Gambar 4.1, 4.2, dan 4.3 menunjukkan hubungan arus-tegangan pada film tipis BST, BNST, dan BFST. Dari gambar 4.1, 4.2, dan 4.3 dapat dilihat bahwa film tipis BST murni maupun yang didadah niobium dan besi memiliki sifat dioda. Film tipis yang telah dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p sedangkan film tipis BST merupakan semikonduktor tipe-n [25]. Persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n dikenal dengan nama p-n junction [24]. Dengan adanya p-n junction, maka karakteristik dari film tipis yang dibuat sama dengan karakteristik dari dioda yang merupakan gabungan antara dua elektroda yaitu anoda dan katoda [13].

Gambar 4.1, 4.2, dan 4.3 juga menunjukkan adanya pergeseran nilai hubungan arus-tegangan pada saat kondisi gelap dan terang. Pada kondisi terang diperoleh gambar yang lebih cepat mencapai tegangan knee (nilai tegangan yang mengakibatkan arusnya naik) dan memiliki nilai arus yang lebih besar. Pemberian cahaya pada film tipis mengakibatkan film tersebut menjadi lebih konduktif. Fenomena bergesernya gambar dioda saat kondisi terang disebabkan oleh adanya penambahan arus elektron pada pita konduksi. Penambahan arus elektron pada pita konduksi disebabkan eksitasi elektron pada pita valensi ke pita konduksi dimana energi foton yang datang harus lebih besar dari energi bandgap. Pada pita valensi sebagian elektron yang tidak berekombinasi dapat berpindah (eksitasi) menuju pita konduksi dan kemudian menghasilkan arus listrik. Hal tersebut juga mengakibatkan penyempitan celah antara pita valensi dan pita konduksi akibat difusi elektron tersebut sehingga pada saat disinari cahaya memiliki nilai arus yang lebih besar.

Selain itu, penambahan pendadah niobium dan besi menambah konsentrasi pembawa muatan mayoritas (elektron dan hole) sehingga meningkatkan arus elektron pada pita konduksi dan arus hole pada pita valensi. Penambahan arus elektron dan hole mengakibatkan peningkatan nilai konduktivitas listrik.

Adanya pergeseran gambar arus-tegangan film tipis BST, BNST, dan BFST saat diberi cahaya maka film tipis memiliki respon terhadap cahaya dan bisa disebut sebagai device fotodioda. Pada gambar 4.2 dan 4.3 dapat dilihat bahwa film tipis BNST dengan pendadah 5% dan suhu annealing 8500C memiliki nilai arus paling besar dan film tipis BFST dengan pendadah 5% memiliki sensitivitas serta linieritas paling baik. Data lengkap hubungan arus tegangan pada film tipis BST, BNST, dan BFST dapat dilihat pada lampiran 6, 7, dan 8.

Gambar 4.1 Hubungan Arus (I) dan Tegangan (V) Film TipisBST

Gambar 4.2 Hubungan Arus (I) dan Tegangan (V) Film Tipis BNST

(27)

Karakterisasi Sifat Optik Film Tipis

Gambar hubungan absorbansi film tipis BST, BNST, dan BFST ditunjukkan pada Gambar 4.4. Gambar 4.4 memperlihatkan daerah serapan film tipis pada daerah 400 nm (cahaya tampak) sampai 1000 nm (inframerah). Hal ini berarti film tipis memiliki potensi sebagai sensor cahaya dan suhu. Absorbsi foton tergantung pada sifat bahan semikonduktor dan panjang gelombang cahaya yang datang. Absorbsi suatu bahan semikonduktor mengakibatkan terjadinya eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Pada wilayah panjang gelombang 500 nm sampai 600 nm BNST memiliki nilai absorbansi paling besar diikuti oleh BST dan BFST.

Data sifat optik reflektansi film tipis ditunjukkan pada Gambar 4.5. Pada daerah panjang gelombang 400 nm sampai 600 nm nilai reflektansi BNST paling kecil di antara tiga sampel. Oleh karena itu, data reflektansi mendukung data absorbansi. Nilai absorbansi merupakan kebalikan dari reflektansi ketika metode yang digunakan adalah metode reflektansi.

Pada Gambar 4.4 dan 4.5 terlihat adanya perubahan nilai absorbansi dan reflektansi ketika didadah niobium dan besi. Hal tersebut terjadi karena penambahan pendadah merubah nilai bandgap pada film tipis semikonduktor. Bandgap adalah suatu celah energi minimal yang harus dimiliki oleh elektron agar dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi.

Pada BNST (BST didadah niobium), film tipis menerima tambahan atom donor bervalensi sehingga tingkat energi yang diperkenankan berada sedikit di bawah pita konduksi. Keberadaan pita baru ini mengakibatkan energi bandgap film tipis turun.

Gambar 4.4 Hubungan Absorbansi dan Panjang Gelombang Film Tipis

Gambar 4.5 Hubungan Reflektansi dan Panjang Gelombang Film Tipis

Pada BFST (BST didadah besi), film tipis menerima penambahan atom akseptor bervalensi tiga sehingga tingkat energi yang diperkenankan berada sedikit di atas pita valensi. Kehadiran pita baru ini mengakibatkan energi bandgap film tipis turun [26]. Penurunan energi bandgap menurunkan koefisien absorpsi yang selanjutnya menaikkan nilai absorbansi [26].

Ka

Gambar

Tabel Massa Film Tipis...............................................................................
Gambar 2.1  Kurva Histeresis
Tabel 2.1 Jari-Jari Ion Pendadah Soft Dopant
Gambar 2.5 2.5   Pembagian Material Berdasarkan Konduktivitas Li Listrik
+7

Referensi

Dokumen terkait

Dapat dilihat kemudian bahwa ajaran ini bisa menawarkan sebuah konsep model kehidupan spiritual sosial yang kompatibel untuk diterapkan oleh manusia di zaman modern ini untuk meraih

Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa praktik jual beli database pin konveksi telah terjadi ketidakjelasan pada objek yang diperjual belikan karena tidak semua

pola asuh yang merupakan pola interaksi antara anak dengan orang... tua meliputi tidak hanya pemenuhan kebutuhan fisik (makan, minum,

The L60 also provides additional voltage functions including neutral overvoltage, negative sequence overvoltage and phase undervoltage.

pengetahuan untuk melaksanakan modul tersebut... Dari segi masalah-masalah yang dihadapi dalam pelaksanaan Modul Bersepadu MBKPPI, dapatan kajian menunjukkan masih

Dalam rangka meminimalisir banyaknya putusan hakim yang menyatakan gugatan tidak dapat diterima akibat kesalahan dari segi formalitas gugatan, maka hendaknya

Jika alif Layyinah adalah Alif yang tidak menerima harokat, sedangkan Hamzah atau Alif Yabisah adalah salah satu huruf arab yang melambangkan vokal A , I , U.. hanya

Penerima biaya yang mengikuti pengajian secara kursus berkembar iaitu kursus yang diikuti secara 2+1 atau 2+2 atau seumpamanya yang memerlukan penerima biaya