Penentuan Koefisien Difusi Bahan Semikonduktor Lithium Tantalat (LiTaO3) di atas Substrat Silikon (100) Tipe-p pada Variasi Suhu

PENENTUAN KOEFISIEN DIFUSI BAHAN

SEMIKONDUKTOR LITHIUM TANTALAT (LiTaO3) DI ATAS

SUBSTRAT SILIKON (100) TIPE-P PADA VARIASI SUHU

AGUS ISMANGIL

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Penentuan Koefisien

Difusi Bahan Semikonduktor Lithium Tantalat (LiTaO

3

) di atas Substrat Silikon

(100) Tipe-p pada Variasi Suhu adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi

pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi

mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan

maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan

dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut

Pertanian Bogor.

Bogor, Juni 2015

RINGKASAN

AGUS ISMANGIL. Penentuan Koefisien Difusi Bahan Semikonduktor Lithium

Tantalat (LiTaO

3

) di atas Substrat Silikon (100) Tipe-p pada Variasi Suhu.

Dibimbing oleh IRZAMAN dan IRMANSYAH.

Salah satu penelitian yang belakangan ini menarik perhatian para ahli fisika

yaitu penelitian terhadap material ferroelektrik karena material ini sangat

menjanjikan terhadap perkembangan

device

generasi baru sehubungan dengan

sifat-sifat unik yang dimilikinya. Material ferroelektrik, terutama yang didasari oleh

campuran lithium tantalat (LiTaO

3

), diharapkan sifat pyroelektrik dapat diterapkan

pada

infrared sensor

. Litium tantalat (LiTaO

3

) merupakan suatu bahan

ferroelectric

yang memiliki keunikan dari segi sifat

pyroelectric

dan

piezoelectric

yang terpadu

dengan stabilitas mekanik dan kimia yang baik. Oleh karena itu LiTaO

3

sering

digunakan untuk beberapa aplikasi misalnya modulator

electro-optical

dan detektor

pyroelectric.

LiTaO

3

merupakan kristal

non-hygroskopis

, tidak berwarna, larut

dalam air, memiliki tingkat transmisi yang tinggi dan tidak mudah rusak sifat

optiknya. LiTaO

3

merupakan bahan yang memiliki konstanta dielektrik yang tinggi

serta kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi.

Pada penellitian ini telah berhasil menentukan nilai koefisien difusi film

tipis LiTaO

3

menggunakan metode

Chemical Solution Deposition

(CSD) dan

spin

coating

pada suhu

annealing

550

0

C, 600

0

C, 650

o

C, 700

o

C, 750

o

C dan 800

0

C.

Ketebalan lapisan dan kecepatan

spin

coating

sangat mempengaruhi karakteristik

film

tipis. Variasi suhu pada

film

memberikan karakteristik listrik dan optik yang

lebih baik pada

film

tipis tersebut.

Dari hasil karakterisasi yang dilakukan diperoleh puncak absorbansi tertinggi

pada film lithium tantalat pada suhu annealing 800

o

C. Nilai konduktivitas listrik

film tipis meningkat seiring dengan kenaikan intensitas cahaya sebaliknya nilai

resistansinya akan menurun dan dari nilai konduktivitas listrik yang didapatkan

film

LiTaO

3

yang diperoleh berkisar antara 1.90

–

9.95 µS/cm hasil ini menunjukkan

bahwa

film

tipis LiTaO

3

yang dibuat merupakan bahan material semikonduktor.

Pada

film

LiTaO

3

kecepatan pada saat terjadinya difusi semakin tinggi dengan

seiringnya kenaikan suhu yang menghasilkan koefisien difusi dari 57

–

391 nm

2

/s,

film

LiTaO

3

yang didapat merupakan cikal bakal sensor infra merah.

SUMMARY

AGUS ISMANGIL. Determination of Diffusion Coefficient of semiconductor

materials Lithium Tantalate (LiTaO

3

) on p-type Silicon (100) Substrate at Various

Temperatures. Supervised by IRZAMAN and IRMANSYAH.

One study recently attracted the attention of physicists, namely research on

ferroelectric material because this material is very promising for the development

of a new generation device with respect to the unique properties it has.

Ferroelectric materials, especially those based on a mixture of lithium tantalat

(LiTaO

3

), expected pyroelectric properties can be applied to infrared sensors.

Lithium tantalat (LiTaO

3

) is a ferroelectric material that has unique properties in

terms of pyroelectric and piezoelectric integrated with mechanical and chemical

stability are good. Therefore LiTaO

3

is often used for multiple applications eg

electro-optical modulators and pyroelectric detectors. LiTaO

3

is a non-hygroskopis

crystal, colorless, soluble in water, has a high transmission rate and not easily

damaged optical properties. LiTaO

3

is a material that has a high dielectric constant

and high charge storage capacity.

At this penellitian has been able to determine the value of the diffusion

coefficient of LiTaO

3

thin film using Chemical Solution Deposition (CSD) and spin

coating on the annealing temperature 550

0

C, 600

0

C, 650

o

C, 700

o

C, 750

o

C and

800

0

C. The thickness of the layer and the speed of spin coating greatly affect the

characteristics of the thin film. Temperature variations in the film provide electrical

and optical characteristics are better on the thin film.

From the results obtained characterization performed at the highest

absorbance peak tantalat lithium films on the annealing temperature of 800

o

C. The

value of the electrical conductivity of thin films increases with the increase of light

intensity otherwise the resistance value will decrease and the value of the electrical

conductivity of the film obtained LiTaO

3

obtained ranged from 1.9 -

9.95 μS/

cm

These results indicate that the LiTaO

3

thin film made is a semiconductor material.

At the film LiTaO

3

speed at the time of the higher diffusion with seiringnya

temperature rise which results in diffusion coefficient of 57-391 nm

2

/s, the film

LiTaO

3

is obtained is the forerunner of infrared sensors.

Keywords

:

absorbance, diffusion coefficient

,

electrical conductivity, Lithium

© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015

Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang

Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau

menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,

penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau

tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB

Tesis

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Magister Sains

pada

Program Studi Biofisika

PENENTUAN KOEFISIEN DIFUSI BAHAN

SEMIKONDUKTOR LITHIUM TANTALAT (LiTaO3) DI ATAS

SUBSTRAT SILIKON (100) TIPE-P PADA VARIASI SUHU

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2015

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah

subhanahu wa t

a’ala

atas

segala karunia-Nya sehingga penelitian ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih

dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Agustus 2014 ini ialah difusi,

dengan judul Penentuan Koefisien Difusi Bahan Semikonduktor Lithium Tantalat

(LiTaO

3

) di atas Substrat Silikon (100) Tipe-p pada Variasi Suhu.

Penelitian ini

sebagai salah satu syarat kelulusan program pascasarjana di Departemen Fisika Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Ir Irzaman

sebagai ketua komisi pembimbing yang selalu memberikan motivasi untuk segera menyelesaikan penelitian ini dan Bapak Dr Ir Irmansyah selaku anggota komisi pembimbing yang

telah banyak memberi saran. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada

ayah, ibu, dan istri tercinta, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih

sayangnya.

Semoga

tulisan ini dapat memberikan manfaat untuk kita semua. Kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan untuk kemajuan dari penelitian yang dikembangkan ini. Semoga Allah SWT senantiasa melimpahkan rahmat dan karunianya untuk kita semua. Amin…

Bogor, Juni 2015

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL

vi

DAFTAR GAMBAR

vi

DAFTAR LAMPIRAN

vi

1

PENDAHULUAN

1

1.1 Latar Belakang

1

1.2 Perumusan Masalah

2

1.3 Tujuan Penelitian

2

1.4 Manfaat Penelitian

3

1.5 Ruang Lingkup Penelitian

3

2

TINJAUAN PUSTAKA

4

2.1 Bahan Ferroelektrik

4

2.2 Substrat Silikon (100)

4

2.3 Lithium Tantalate (LiTaO

3

)

5

2.4 P-N Junction

5

2.5 Teknik

Chemical Solution Deposition

(CSD)

6

2.5.1 Proses Kimia

6

2.5.2

Spin Coating

6

2.6 Difusi

7

2.6.1 Difusi Volume

7

2.6.2 Difusi Bidang Batas

8

2.6.3 Difusi Permukaan

8

2.7 Ketidak Sempurnaan Kristal

8

3

METODE

9

3.1 Karakterisasi Optik

10

3.2 Karakterisasi Konduktivitas Listrik

11

4

HASIL DAN PEMBAHASAN

13

4.1 Sifat Optik

13

4.2 Sifat Konduktivitas Listrik

16

4.3 Koefisien Difusi

18

5

SIMPULAN DAN SARAN

21

5.1 Simpulan

21

5.2 Saran

21

DAFTAR PUSTAKA

22

LAMPIRAN

24

DAFTAR TABEL

4.1

Koefisien difusi terhadap variasi suhu dan intensitas

19

DAFTAR GAMBAR

3.1

Proses

annealing

9

3.2 Desain

film

LiTaO

3

Ferroelektrik

10

3.3 Alat

oceanoptic

10

3.4 Spektrum konduktivitas listrik

12

4.1 Absorbansi terhadap panjang gelombang

13

4.2 Reflektansi terhadap panjang gelombang

14

4.3 Energi band gap

film

LiTaO

3

pada suhu

annealing

15

4.4 Hubungan konduktivitas listrik terhadap Intensitas cahaya

17

DAFTAR LAMPIRAN

1 Tahapan penelitian secara lengkap

24

2 Tabel nilai absorbansi

film

LiTaO3

25

3 Perhitungan konduktivitas listrik

film

LiTaO

3

62

1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di

antara isolator dan konduktor. Bahan ini sangat berguna dalam bidang elektronik

karena konduktivitas listriknya dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi

lain (biasa disebut pendadah). Semikonduktor merupakan elemen dasar dari

komponen elektronika seperti dioda, transistor, dan

integrated circuit

(IC).

Semikonduktor sangat luas pemakaiannya, terutama sejak ditemukannya transistor

pada akhir tahun 1940-an. Bahan semikonduktor yang banyak dikenal adalah

silikon (Si), germanium (Ge), dan Galium Arsenida (GaAs). Belakangan ini, silikon

menjadi terkenal setelah ditemukan cara mengekstrak bahan silikon dari alam.

Silikon merupakan bahan terbanyak kedua yang ada di bumi setelah oksigen. Pasir,

kaca, dan batu-batuan lain adalah bahan alam yang banyak mengandung unsur

silikon (Irzaman

et al

2001).

Semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya struktur pita dan resistivitas listriknya akan berubah. Ketidakmurnian dalam semikonduktor dapat menyumbangkan elektron maupun hole dalam pita energi. Dengan demikian, konsentrasi elektron dapat menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole, namun masing-masing bergantung pada konsentrasi dan jenis bahan ketidakmurnian. Dalam aplikasinya terkadang hanya diperlukan bahan dengan pembawa muatan elektron saja, atau hole saja. Hal ini dilakukan dengan pendadah ketidakmurnian ke dalam semikonduktor

Untuk mendapatkan

device

semikonduktor yang bermutu tinggi, yang harus

diperhatikan adalah “kemurnian” dan “kesempurnaan kristal tunggal” dari

semikonduktor yang dipergunakan sebagai bahan untuk pembuatan alat-alat

tersebut. Hal ini disebabkan karena secara umum penambahan sedikit

ketidakmurnian mempengaruhi pembawa muatan, sehingga mempengaruhi

komponen yang akan dibuatnya. Sebaliknya, semakin sempurna kristalnya yang

berarti mempunyai kerusakan lapisan kristal yang sangat sedikit, kesempurnaan

kristal ini sangat menentukkan karakteristik dari komponen yang dibuatnya.

Semikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor yang terdiri atas satu unsur saja, misalnya Si saja atau Ge saja. Pada Kristal semikonduktor Si, 1 atom Si yang memiliki 4 elektron valensi berikatan dengan 4 atom Si lainnya. Pada Kristal semikonduktor instrinsik Si, sel primitifnya berbentuk kubus. Ikatan yang terjadi antar atom Si yang berdekatan adalah ikatan kovalen. Hal ini disebabkan karena adanya pemakaian 1 buah elektron bersama oleh dua atom Si yang berdekatan. Menurut teori pita energi, pada T = 0 K pita valensi semikonduktor terisi penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 - 3,7 eV. Pada suhu kamar Si dan Ge masing-masing memiliki celah energi 1,11 eV dan 0,66 eV (Sutrisno, 1986).

2

kekosongan elektron disebut hole. Dengan demikian dasar pita konduksi dihuni oleh elektron, dan puncak pita valensi dihuni hole. Ketika kedua pita terisi sebagian, maka akan menimbulkan arus netto bila dikenakan medan listrik. Jika pada sebuah material

dielektrik dikenakan medan listrik, maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran

dan menimbulkan momen dipol listrik. Momen dipol ini yang menyebabkan polarisasi. Momen dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisasi dielektrik.

Polarisasi

terjadi di dalam dielektrik sebagai akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri

pada struktur kristalografi di dalam sel satuan. Ferroelektrik menunjukkan bahwa

kelompok material dielektrik yang dapat terpolarisasi listrik secara internal pada

rentang temperatur tertentu (Seo, 2004).

Salah satu penelitian yang belakangan ini menarik perhatian para ahli fisika

yaitu penelitian terhadap material ferroelektrik karena material ini sangat

menjanjikan terhadap perkembangan

device

generasi baru sehubungan dengan

sifat-sifat unik yang dimilikinya. Material ferroelektrik, terutama yang didasari oleh

campuran lithium tantalat (LiTaO

3

), diharapkan sifat pyroelektrik dapat diterapkan

pada

infrared sensor

, sifat

polaryzability

dapat diterapkan sebagai

Non Volatile

Ferroelektrik Random Acsess Memory

(NVRAM), serta sifat

electro-optic

dapat

digunakan dalam

switch termal infrared

(Irzaman

et al

2010).

Sifat suatu material

ferroelectric

dimanfaatkan untuk kebutuhan perangkat

elektronika. Peranan bahan

ferroelectric

LiTaO

3

sangat menarik untuk diteliti

karena dalam penerapannya dapat digunakan sebagai sensor infra merah. LiTaO

3

merupakan objek yang diteliti secara intensif selama beberapa tahun terakhir karena

memiliki sifat yang unik. LiTaO

3

bersifat

ferroelectric

pada suhu kamar. Dari

beberapa hasil kajian, LiTaO

3

merupakan material optik,

pyroelectric

serta

piezoelectric

. LiTaO

3

memiliki konstanta dielektrik yang tinggi serta kapasitas

penyimpan muatan yang tinggi juga (Uchino, 2000). Selain itu LiTaO

3

merupakan

kristal

non-hygroskopis

yang tidak mudah rusak sifat optiknya, sifat ini yang

menjadikan bahan LiTaO

3

unggul dari bahan lainnya (Seo

et al

2004).

1.2 Perumusan Masalah

Dalam penelitian ini lithium tantalat (LiTaO

3

) dibuat dengan metode

chemical solution deposition

(CSD) yang mengoptimasi parameter penumbuhan

lapisan tipis mencakup: kelarutan, kecepatan putar, suhu

annealing

, dan lama

annealing

pada lapisan tipis lithium tantalat (LiTaO

3

). Masalah penelitian ini

difokuskan pada kajian teoritis dan eksperimen dari

film

(LiTaO

3

) seberapa besar

laju difusi lithium tantalat (LiTaO

3

) pada variasi suhu dengan metode CSD dan

spin

coating.

Dari

film

lithium tantalat (LiTaO

3

) yang dihasilkan dikarakterisasi sifat

optik dan konduktivitas listriknya.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan umum penelitian ini adalah menumbuhkan

film

lithium tantalat

(LiTaO

3

) pada substrat Si (100) tipe-

p

dengan variasi suhu, kemudian diuji sifat

optik dan konduktivitas listrik dari setiap

film

yang telah dibuat. Tujuan khusus

penelitian ini adalah menentukan koefisien difusi lithium tantalat (LiTaO

3

) diatas

substrat silikon (100) tipe-p pada suhu

annealing

550

o

C, 600

o

C, 650

o

C, 700

o

C,

3

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini dapat memberikan informasi tentang laju difusi

film

tipis lithium tantalat (LiTaO

3

) pada variasi suhu, dan dapat mengetahui

karakteristik sifat optik dari

film

tipis lithium tantalat (LiTaO

3

) pada variasi suhu

yang ditumbuhkan dengan metode

chemical solution deposition

(CSD) yang dalam

penerapannya dapat digunakan sebagai sensor infra merah.

1.5 Ruang Lingkup Penelitian

Penelitian ini dilakukan pembatasan ruang lingkup untuk penumbuhan

lapisan tipis lithium tantalat (LiTaO

3

) diatas substrat silikon (100) tipe-p yang

4

2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Bahan Ferroelektrik

Film

tipis ferroelektrik banyak digunakan dalam aplikasi untuk piranti

elektrooptik dan elektronik. Bahan pyroelektrik dan piezoelektrik merupakan sub

kelompok dari bahan ferroelektrik. Bahan ferroelektrik (tercangkup didalamnya

pyroelektrik) seperti LiTaO

3.

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 dipol listrik. Momen dipol ini yang menyebabkan polarisasi. Momen dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisai dielektrik (Seo, 2004).

Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara

spontan pada material tanpa gangguan medan listrik dari luar. Ferroelektrivitas

merupakan fenomena yang ditunjukkan oleh kristal dengan suatu polarisasi spontan

dan efek histerisis yang berkaitan dengan perubahan dielektrik dalam menanggapi

penerapan medan listrik. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat

diterapkan pada sel memori

Dynamic Random Acsess Memory

(DRAM) dengan

kapasitas penyimpanan melampaui 1 Gbit, pada lapisan dielektrik semikonduktor

diharuskan ukuran sel direduksi besar-besaran, sehingga dianggap tidak praktis lagi,

sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai

mikroaktuator

dan sensor, sifat

pyroelektrik dapat diterapkan pada

switch

termal infra merah, sifat

polaryzability

dapat diterapkan sebagai

Non Volatile Ferroelektrik Random Acsess Memory

(NVFRAM) (Irzaman

et al

2010).

2.2 Substrat Silikon (Si)

Silikon adalah suatu unsur kimia yang memiliki lambang Si dan nomor atom

14. Si merupakan unsur terbanyak kedua di bumi dan unsur dari golongan IV A

dalam sistem periodik unsur-unsur. Sebagian besar unsur bebas Si tidak ditemukan

di alam. Oleh karena itu Si dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan pasir dengan

karbon yang berkualitas tinggi. Silikon untuk penggunaan semikonduktor

dimurnikan lebih lanjut dengan metode pelelehan berzona kristal

czochralski

.

Kristal Si ini memiliki kilap logam dan mengkristal dengan struktur intan (Saito

et

al

1996).

5

2.3 Lithium Tantalat (LiTaO

3

)

Lithium tantalat (LiTaO

3

) merupakan suatu bahan

ferroelectric

yang

memiliki keunikan dari segi sifat

pyroelectric

dan

piezoelectric

yang terpadu

dengan stabilitas mekanik dan kimia yang baik. Oleh karena itu LiTaO

3

sering

digunakan untuk beberapa aplikasi misalnya modulator

electro-optical

dan detektor

pyroelectric.

LiTaO

3

merupakan kristal

non-hygroskopis

, tidak berwarna, larut

dalam air, memiliki tingkat transmisi yang tinggi dan tidak mudah rusak sifat

optiknya. LiTaO

3

merupakan bahan yang memiliki konstanta dielektrik yang tinggi

serta kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (Seo

et al

2004).

Pembuatan LiTaO

3

menggunakan peralatan yang cukup sederhana, biaya

murah dan dilakukan dalam waktu relatif singkat. LiTaO

3

merupakan campuran

hasil reaksi antara lithium asetat [(LiO

2

C

2

H

3

), 99,9%] dan tantalum oksida [(Ta

2

O

5

),

99,9%]. Berikut ini persamaan reaksi menghasilkan LiTaO

3

:

2 LiO

2

C

2

H

3

+ Ta

2

O

5

+ 4O

2



2 LiTaO

3

+ 3 H

2

O + 4 CO

2

LiTaO

3

merupakan kristal

ferroelectric

yang mengalami proses suhu currie tinggi

sebesar (601

±

5,5)

o

C (Paula

et al

2014). Massa jenis LiTaO

3

sebesar 7,45 g/cm

3

yang digunakan untuk menghitung ketebalan film (Irzaman

et al

2003).

LiTaO

3

merupakan objek yang diteliti secara intensif selama beberapa tahun

terakhir karena memiliki sifat yang unik. Berdasarkan penelitian, bahan LiTaO

3

merupakan semikonduktor tipe-n karena konsentrasi elektron yang dimiliki oleh

material LiTaO

3

tersebut lebih banyak dibandingkan dengan konsentrasi

hole

-nya.

2.4 P-N

Junction

Cara kerja sebagian besar piranti semikonduktor berlandaskan pada sifat

sambungan antara bahan tipe-n dan tipe-p. Sambungan seperti itu dapat dibuat

dengan beberapa cara misalnya pendifusian ketidakmurnian dalam bentuk uap ke

dalam

wafer

semikonduktor. Sifat penting sambungan semikonduktor p-n adalah

arus listrik dapat melewatinya lebih mudah pada suatu arah tertentu dari pada arah

yang berlawanan dengan arah itu. Bahan semikonduktor tipe-p terdiri atas

unsur-unsur dalam golongan IVA pada sistem periodik seperti Si. Bahan semikonduktor

tipe-n terdiri atas unsur-unsur dalam golongan V dan golongan III pada sistem

periodik

6

2.5 Teknik

chemical solution deposition

(CSD)

2.5.1 Proses Kimia

Teknik

Chemical Solution Deposition

(CSD) terdiri dari proses

sol gel

dan

Metalorganic Deposition

yang dipergunakan untuk memproduksi lapisan tipis

keramik

perovskite,

khususnya untuk lapisan tipis lithium tantalat (LiTaO

3

).

Metode ini lebih ekonomis tidak hanya untuk penelitian ilmiah, namun juga

dipergunakan pada pembuatan keramik modern dan teknologi yang

mempersyaratkan kemurnian yang tinggi dan control terhadap mikrostruktur dan

komposisi. Semenjak reaktan kimia untuk CSD dapat dimurnikan dengan metode

destilasi dan kristalisasi,

film

dengan kemurnian tinggi dapat difabrikasi.

Keuntungan CSD yang sangat penting adalah elemen yang dapat dibuat, dihasilkan

komposisi campuran akhir pada tingkat molekul, yang berarti waktu difusi pada

film

inorganic

setelah

pyrolysis

untuk mencapai kondisi termodinamika, fase stabil

cukup singkat, yang pada akhirnya dapat menghasilkan campuran yang homogen

(Irzaman

et al

2001).

Pada prinsipnya CSD untuk mempersiapkan larutan yang terdiri campuran

pelarut di

spin coating

pada permukaan substrat dan larutan di polimerisasi menjadi

berbentuk gel dan di panaskan untuk menghilangkan oksidasi

inorganic.

2.5.2

Spin Coating

7

2.6 Difusi

Difusi adalah peristiwa di mana terjadi tranfer materi melalui materi lain.

Transfer materi ini berlangsung karena atom atau partikel selalu bergerak oleh

agitasi thermal. Walaupun sesungguhnya gerak tersebut merupakan gerak acak

tanpa arah tertentu, namun secara keseluruhan ada arah neto dimana entropi akan

meningkat. Difusi merupakan proses

irreversible

. Pada fasa gas dan cair, peristiwa

difusi mudah terjadi; pada fasa padat difusi juga terjadi walaupun memerlukan

waktu lebih lama.

Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata

atau mencapai keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi

walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi. Contoh yang sederhana adalah

pemberian gula pada cairan teh tawar. Lambat laun cairan menjadi manis. Contoh

lain adalah uap air dari cerek yang berdifusi dalam udara. Difusi yang paling sering

terjadi adalah difusi molekuler. Difusi ini terjadi jika terbentuk perpindahan dari

sebuah lapisan (layer) molekul yang diam dari solid atau fluida (Omar, 2007).

Cacat kristal yang berupa kekosongan posisi atom, memberikan peluang

untuk menyusupnya atom asing. Atom asing juga berpeluang menempati posisi

interstisial, terutama jika ukuran atom asing tersebut lebih kecil dari ukuran atom

material induk. Posisi interstisial ini lebih memberikan kemudahan bergerak bagi

atom asing maupun atom sendiri.

Ada beberapa faktor yang memengaruhi kecepatan difusi, yang pertama

adalah ukuran partikel, semakin kecil ukuran partikel, semakin cepat partikel itu

akan bergerak, sehingga kecepatan difusi semakin tinggi. Kedua ketebalan

membran, semakin tebal membran, semakin lambat kecepatan difusi. Ketiga luas

suatu area, Semakin besar luas area, semakin cepat terjadi difusinya. Keempat jarak,

semakin besar jarak antara dua konsentrasi, semakin lambat kecepatan difusinya.

Kelima suhu, semakin tinggi suhu, partikel mendapatkan energi untuk bergerak

dengan lebih cepat. Maka, semakin cepat pula kecepatan difusinya (Milton, 1991).

2.6.1 Difusi Volume

8

2.6.2 Difusi Bidang Batas

Apabila di dalam padatan hadir butiran-butiran yang berlainan fasa dengan

material induk, terbentuklah bidang batas antara butiran dengan material induk dan

terjadilah gejala permukaan. Di bidang batas ini terdapat energi ekstra yang akan

menyebabkan materi yang berdifusi cenderung menyusur permukaan. Peristiwa ini

dikenal dengan

difusi bidang batas

(

grain boundary diffusion

). Inilah macam difusi

yang ke-dua. Energi aktivasi yang diperlukan pada difusi bidang batas ini lebih

rendah dari energi aktivasi pada difusi volume (Milton, 1991).

2.6.3 Difusi Permukaan

Macam difusi yang ke-tiga terjadi manakala ada retakan, materi yang

berdifusi cenderung menyusur permukaan retakan. Difusi macam ini dikenal

dengan

difusi permukaan

(

surface

diffusion

). Konsentrasi di permukaan retakan

lebih tinggi dari konsentrasi di volume. Energi aktivasi yang diperlukan untuk

terjadinya difusi permukaan lebih rendah dibanding dengan energi aktivasi yang

diperlukan untuk terjadinya difusi bidang batas (Milton, 1991).

2.7 Ketidak Sempurnaan Kristal

Kekosongan

posisi

atom

dalam

kristal

merupakan

salah

satu

ketidaksempurnaan kristal yang agak istimewa. Tidak seperti yang lain,

kekosongan posisi ini hadir dalam keseimbangan di semua kristal. Dalam kenyataan

suatu padatan mengandung pengotoran yang dapat melipatgandakan jumlah

kekosongan, suatu hal yang akan mempermudah terjadinya difusi. Selain migrasi

kekosongan, migrasi interstisial dapat pula terjadi apabila atom materi yang

berdifusi berukuran cukup kecil dibandingkan dengan ukuran atom material yang

ditembusnya.

9

3

METODE

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Fisika Material dan Spektroskopi

Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut

Pertanian Bogor dan di Laboratorium Fisika Material Departemen Fisika, Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung. Penelitian

ini dilaksanakan dari Agustus 2014 sampai dengan Maret 2015. Bahan yang

digunakan pada penelitian ini adalah bubuk Lithium Asetat [LiO

2

C

2

H

3

], bubuk

Tantalum Oksida [Ta

2

O

5

], pelarut 2-metoksietanol [C

3

H

8

O

2

], substrat Si (100)

tipe-p,

deionized water

, aseton PA [CH

3

COCH

3

, 58.06 g/mol], metanol PA [CH

3

OH,

32.04 g/mol], asam florida (HF), kaca preparat, pasta perak, kawat tembaga halus,

dan alumunium foil.

Dalam penelitian ini

film

tipis LiTaO

3

dibuat dengan metode

chemical

solution deposition

(CSD) yang telah lama dikembangkan untuk penumbuhan

perovskite thin film.

Metode ini memiliki keunggulan yaitu prosedurnya mudah,

biayanya relatif ekonomis, dan mendapatkan hasil yang bagus. Metode

chemical

solution deposition

(CSD) merupakan metode pembuatan

film

dengan cara

pendeposisian larutan bahan kimia di permukaan substrat, kemudian dipreparasi

dengan

spin coating

pada kecepatan 3000 rpm selama 30 detik setiap penetesan

larutan LiTaO

3

.

Gambar 3.1 Proses

annealing

Proses

annealing

dilakukan secara bertahap menggunakan

furnace

Vulcan

TM

3-130.

Annealing

berfungsi untuk mendifusikan larutan LiTaO

3

dengan substrat

silikon yang dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu

annealing

yaitu 550

o

C, 600

o

C, 650

o

C, 700

o

C, 750

o

C dan 800

o

C dengan kenaikan suhu

1,7

o

C/menit dan ditahan konstan selama 8 jam pada suhu

annealing

tersebut.

Selanjutnya dilakukan proses pendinginan sampai kembali pada suhu ruang.

Perubahan Suhu

Pendinginan

Kenaikan Suhu 1.7

o

C/menit

T (

o

C)

T

1

T

0

t

1

t

2

Pendinginan

10

Gambar 3.2 Desain

film

LiTaO

3

Ferroelektrik

3.1 Karakterisasi Sifat Optik

Karakterisasi sifat optik dari

film

tipis dilakukan di Laboratorium Fisika IPB

menggunakan

oceanoptic

dari suatu program

oceanoptic

yang memiliki panjang

gelombang dari 339 nm sampai 1022 nm. Spektroskopi absorbsi memiliki lima

komponen utama yaitu sumber radiasi, monokhromator, sampel,

detector

, dan

recorder

. Sumber radiasi yang digunakan yaitu lampu xenon yang umum

digunakan pada spektroskopi, sedangkan monokhromator berfungsi untuk

menghasilkan berkas radiasi dengan satu panjang gelombang. Apabila radiasi atau

cahaya putih dilewatkan melalui larutan maka radiasi dengan panjang gelombang

tertentu akan diserap secara selektif dan radiasi lain akan diteruskan atau

dipantulkan. Kemudian perangkat alat ini dihubungkan dengan suatu

software

dengan program

oceanoptic

, sehingga diperoleh kurva absobsi terhadap panjang

gelombang dan refleksi terhadap panjang gelombang. Dari kurva yang diperoleh

dapat dianalisis sifat optik dari

film

tipis.

Gambar 3.3 Alat

oceanoptic

Kawat

Film LiTaO

3

Kontak Aluminium

Substrat silikon

11

Spektrofotometer merupakan metode analisis yang didasarkan pada absorbsi

radiasi elektromagnetik. Cahaya terdiri dari radiasi terhadap kepekaan mata

manusia, panajang gelombang yang berlainan akan menimbulkan cahaya yang

berlainan sedangkan campuran cahaya dengan panjang gelombang akan menyusun

cahaya putih. Cahaya putih meliputi seluruh spektrum nampak 400-780 nm

sedangkan cahaya infra merah pada spektrum di atas panjang gelombang 780 nm.

Spektrofotometri adalah suatu metode analisis yang berdasarkan pada

pengukuran serapan sinar monokromatis oleh suatu lajur larutan berwarna pada

panjang gelombang yang spesifik dengan menggunakan monokromator prisma atau

kisi difraksi dan

detector vakum phototube

atau tabung foton hampa. Alat yang

digunakan adalah spektrofotometer, yaitu suatu alat yang digunakan untuk

menentukan suatu senyawa baik secara kuantitatif maupun kualitatif dengan

mengukur absorbsi atau refleksi.

Spektrofotometer menghasilkan sinar dari spektrum dengan panjang

gelombang tertentu. Pada spektrofotometer panjang gelombang dari sinar putih

dapat lebih terseleksi dan ini diperoleh dengan alat pengurai seperti prisma, grating

atau celah optis. Suatu spektrofotometer tersusun dari sumber spectrum tampak

yang kontinyu, monokromator, sel pengabsorbsi untuk larutan sampel.

Spektrofotometer ini hanya terjadi bila elektron berpindah dari tingkat energi yang

rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Perpindahan elektron tidak diikuti oleh

perubahan arah spin, hal ini dikenal dengan sebutan tereksitasi siglet (Paula

et al

2014).

Energi

bandgap

film LiTaO

3

dapat diperoleh dengan menggunakan metode

Tauc plot

dan dari perhitungan reflektansi. Metode

Tauc plot

menggunakan

hubungan antara koefisien absorbansi dan energi foton yang datang pada film.

Energi

bandgap

dari perhitungan reflektansi menggunakan hubungan

[ln(R

max

-R

min

)/(R-R

min

)]

2

dan energi foton yang datang pada film, ditunjukkan pada

persamaan:

�ℎ� = �(ℎ� − �

_�

)

(3.1)

��

=

[ln (R

max

-R

min

)/(R-R

min

)]

2

(3.2)

Keterangan:

�

adalah koefisien absorbansi (cm

-1

),

h

adalah konstanta Planck

(4,135669 x 10

-15

eV

∙

s),

v

adalah frekuensi cahaya (Hz),

E

g

adalah energi

bandgap

(eV),

R

adalah nilai reflektansi (%), dan

d

adalah ketebalan film (cm).

3.2 Karakterisasi Konduktivitas Listrik

12

Salah satu karakteristik terbentuk sambungan

p-n

adalah uji sifat

konduktivitas listrik

film

tipis. Berdasarkan nilai konduktivitas listrik suatu material

dapat dibedakan menjadi tiga bagian yaitu konduktor, semikonduktor dan isolator.

Gambar 3.4 memperlihatkan untuk material isolator berada dalam selang nilai

10

-18

S/m -10

-8

S/m, semikonduktor berada dalam selang nilai 10

-8

S/m - 10

3

S/m

dan konduktor berada dalam selang nilai 10

3

S/m - 10

8

S/m (Kwok, 1995).

Gambar 3.4 Spektrum konduktivitas listrik (Kwok, 1995)

Nilai konduktivitas listrik dapat dicari dari persamaan (3.1):

� =

�

�

(3.3)

di mana

σ, l, G

,

dan

A

berturut-turut adalah konduktivitas listrik bahan, jarak antar

kontak, konduktansi, dan luas penampang (Tipler, 1991).

Nilai konduktivitas listrik pada temperatur tinggi terjadi karena difusi ion

dan hampir tidak ada kontribusi elektron. Oleh karena itu konduktivitas listrik

sebanding dengan koefisien difusi sesuai dengan persamaan (3.2):

σ

= k

d

[

Cq2

kT

] D

(3.4)

σ

adalah konduktivitas listrik oleh konduksi ion, C dan q adalah konsentrasi dan

muatan dari ketidaksempurnaan yang berperan, k tergantung dari macam

ketidaksempurnaan; k

d

= 1 untuk ion interstisial, k dan T adalah konstanta

13

4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Sifat Optik

Spektroskopi absorbsi memiliki lima komponen utama yaitu sumber radiasi,

monokhromator, sampel,

detector

, dan

recorder

. Sumber radiasi yang digunakan

yaitu lampu xenon yang umum digunakan pada spektroskopi, sedangkan

monokhromator berfungsi untuk menghasilkan berkas radiasi dengan satu panjang

gelombang. Apabila radiasi atau cahaya putih dilewatkan melalui larutan maka

radiasi dengan panjang gelombang tertentu akan diserap secara selektif dan radiasi

lain akan diteruskan atau dipantulkan.

Spektrofotometer merupakan metode analisis yang didasarkan pada absorbsi

radiasi elektromagnetik. Cahaya terdiri dari radiasi terhadap kepekaan mata

manusia, panajang gelombang yang berlainan akan menimbulkan cahaya yang

berlainan sedangkan campuran cahaya dengan panjang gelombang akan menyusun

cahaya putih. Cahaya putih meliputi seluruh spektrum nampak 400-780 nm

sedangkan cahaya infra merah pada spektrum di atas panjang gelombang 780 nm.

Energi gap adalah suatu celah energi minimal yang harus dimiliki oleh

elektron agar dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron pada pita

valensi ini dapat berpindah ke pita konduksi dengan penambahan energi eksternal

yang dapat berasal dari medan listrik eksternal, energi termal, dan energi foton.

Pengukuran sifat optik

film

tipis ini menggunakan panjang gelombang pada rentang

339 nm sampai 1022 nm. Rentang panjang gelombang tersebut mencakup cahaya

ultraviolet, visible, dan infrared.

Gambar 4.1 Absorbansi terhadap panjang gelombang

Panjang Gelombang (nm)

400 500 600 700 800 900 1000

A

bs

or

ba

ns

i (

a.

u)

0 1 2 3 4 5

550 o_C

600 o_C

650 oC 700 o_C

750 o_C

14

Dari kurva yang dihasilkan menunjukan bahwa daerah serapan dari

film

tipis

mulai dari panjang gelombang 400 nm sampai 1000 nm atau pada rentang cahaya

visible dan infrared. Dan terlihat puncaknya pada panjang gelombang 680 nm yang

merupakan cahaya merah untuk suhu

annealing

550

o

C namun secara garis besar

puncak yang dominan pada cahaya infra merah yaitu pada suhu

annealing

800

o

C.

Hal tersebut menjelaskan bahwa

film

tipis dapat diaplikasikan sebagai sensor infra

merah.

Absorbansi maksimum film LiTaO

3

terjadi pada daerah infra merah yaitu

pada panjang gelombang 950 nm, terlihat pada Gambar 4.1 puncak absorbansi

tertinggi

film

LiTaO

3

pada suhu annealing 800

o

C dan 750

o

C, dengan kata lain

film

LiTaO

3

banyak menyerap energi foton dari cahaya yang mengenainya. Absorbansi

film

LiTaO

3

setelah proses

annealing

selama 8 jam juga lebih tinggi. Selain itu,

grafik absorbansi pada rentang panjang gelombang 450-950 nm cenderung

horizontal, hal ini menunjukkan bahwa

film

LiTaO

3

dapat menyerap seluruh cahaya

pada rentang panjang gelombang tersebut. Pada

film

LiTaO

3

setelah proses

annealing

550

o

C absorbansi terjadi pada panjang gelombang 650 nm, hal ini terjadi

pada daerah panjang gelombang merah. Namun nilai puncak absorbansi pada

film

LiTaO

3

setelah proses

annealing

850

o

C merupakan yang paling tinggi.

Gambar 4.2 Reflektansi terhadap panjang gelombang

Reflektansi yang diperlihatkan dalam Gambar 4.2 Hubungan antara

reflektansi dengan panjang gelombang terlihat pada rentang 400-1000 nm. Pada

film

lithium tantalat yang telah diannealing pada suhu 800

o

C pemantulannya terjadi

pada panjang gelombang 910 nm sedangkan pada suhu annealing 550

o

C,600

o

C,

650

o

C, 700

o

C, dan 750

o

C terjadi pada panjang gelombang 400-1000 nm.

Panjang Gelombang (nm)

400 500 600 700 800 900 1000

R

ef

le

kt

an

si

(%

)

0 20 40 60 80 100

550 oC

600 oC

650 oC

700 oC

750 oC

15

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Gambar 4.3 Energi band gap film LiTaO

3

pada suhu

annealing

(a) 550

o

C, (b)

600

o

C, (c) 650

o

C, (d) 700

o

C, (e) 750

o

C, dan (f) 800

o

C

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 1 2 3 4 5 6 7

[l n {Rmax -Rm in /R -Rm in }] 2 Energi (eV) 0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 1 2 3 4 5 6 7

[l n {R m ax -R m in/R -R m in} ] 2 Energi (eV) 0 10 20 30 40 50 60

0 1 2 3 4 5 6 7 8

[l n {R m ax -R m in/R -R m in} ] 2 Energi (eV) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 1 2 3 4 5

ln { Rm ax -R m in/R -R m in} ] 2 Energi (eV) 0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

[l n {R m ax -R m in/R -R m in} ] 2 Energi (eV) 0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 1 2 3 4 5 6 7

16

Energi gap adalah energi yang diperlukan oleh elektron untuk memecahkan

ikatan kovalen sehingga dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Pada

material semikonduktor, karena celah energinya sempit maka jika suhu naik,

sebagian elektron di pita valensi naik ke pita konduksi dengan meninggalkan tempat

kosong

(hole)

di pita valensi. Elektron yang telah berada di pita konduksi maupun

hole

di pita valensi akan bertindak sebagai pembawa muatan untuk terjadinya arus

listrik. Konduktivitas listrik akan naik jika suhu dinaikkan.

Perhitungan nilai energi

bandgap

dilakukan dengan metode reflektansi yang

menggunakan persamaan (3.2).

Energi

bandgap

yang diperoleh dari perhitungan

reflektansi menggunakan ekstrapolasi [ln ((R

max

-R

min

)/(R-R

min

))]

2

. Ketebalan

film

LiTaO

3

akan bervariasi. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor. Pertama faktor

suhu substrat. Proses terjadinya

film

disebabkan atom berdifusi di sekitar substrat

yang dipengaruhi suhu substrat. Ketika suhu substrat mencapai suhu optimum,

atom yang terbentuk menyebar secara merata di permukaan substrat sehingga

meningkatkan laju penumbuhan

film

. Sedangkan ketika suhu substrat melewati

suhu optimum, atom yang terbentuk dapat terlepas dari permukaan substrat

(evaporasi) yang mengakibatkan laju penumbuhan

film

menurun. Kedua, metode

CSD bergantung pada keterampilan penetesan larutan di permukaan

spin coating

.

Ketiga, dari hasil penelitian yang dilakukan, ada beberapa bagian

film

yang menjadi

kering dan lepas dari substrat sehingga mengurangi ketebalan

film

.

Ketebalan film sangat berpengaruh terhadap besar energi

bandgap

. Variasi

suhu

annealing

juga mempengaruhi besarnya energi

bandgap

dari

film

LiTaO

3

.

Energi

bandgap

film

LiTaO

3

pada penelitian ini diperoleh pada rentang nilai

2,02-2,98 eV seperti ditunjukkan pada gambar 4.3.

Film

LiTaO

3

setelah proses

annealing

pada suhu 550

o

C, memiliki energi

bandgap

paling tinggi sebesar

2,98 eV. Diperlukan energi yang besar pada elektron untuk tereksitasi dari pita

valensi ke pita konduksi. Sedangkan pada film LiTaO

3

setelah proses

annealing

800

o

C, energi

bandgap

yang diperoleh sebesar 2,02 eV. Hal ini memudahkan

elektron untuk tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi karena energi yang

dibutuhkan tidak terlalu besar.

4.2 Sifat Konduktivitas Listrik

Pengukuran nilai konduktivitas listrik

film

tipis dilakukan dalam 5 kondisi

yang berbeda yaitu gelap (0 lux), dengan lampu 1000 lux, 2000 lux, 3000 lux, dan

4000 lux. Gambar 4.3 menunjukkan bahwa nilai konduktivitas listrik meningkat

seiring dengan kenaikan intensitas cahaya. Peningkatan konduktivitas listrik ini

disebabkan tereksitasinya elektron pada pita valensi ke pita konduksi. Elektron pada

pita konduksi bebas bergerak di bawah pengaruh medan listrik sehingga semakin

banyak elektron tereksitasi ke pita konduksi akibat disinari cahaya yang

menyebabkan arus akan meningkat, dengan demikian konduktivitas listriknya juga

meningkat dan sebaliknya nilai resistansinya akan menurun karena konduktivitas

listrik dan resistansi memiliki hubungan terbalik (Omar, 2007).

17

berbanding terbalik dengan resistansinya. Konduktivitas listrik akan meningkat jika

resistansi suatu bahan material menurun. Material yang bersifat isolator

konduktivitas listriknya akan meningkat jika suhunya ditingkatkan. Pada material

yang bersifat konduktor sebaliknya jika suhunya ditingkatkan maka nilai

konduktivitasnya menurun.

Konduktivitas listrik dari masing-masing sampel dengan variasi suhu

annealing

dapat dihitung menggunakan persamaan (3.1). Luas kontak (A) dan jarak

antar kontak (l) pada setiap sampel berpengaruh untuk perhitungan konduktivitas

listrik. Material semikonduktor mempunyai nilai konduktivitas listrik pada selang

antara (10

-8

sampai 10

3

) S/cm. Nilai konduktivitas listrik

film

LiTaO

3

yang

diperoleh berkisar antara 10

-6

S/cm sampai 10

-5

S/cm. Hal ini menunjukkan bahwa

film

LiTaO

3

adalah material semikonduktor. Semikonduktor merupakan bahan

dengan konduktivitas listrik yang berada diantara isolator dan konduktor. Sifat

bahan baik konduktor, isolator, maupun semikonduktor terletak pada struktur jalur

atau pita energi atom-atomnya, yang membedakan apakah bahan itu termasuk

konduktor, isolator, atau semikonduktor adalah energi Gap (Eg) (Kwok, 1995).

Pengaruh temperatur terhadap nilai konduktivitas listrik memiliki hubungan

yang berbanding lurus, artinya peningkatan suhu

annealing

menimbulkan kenaikan

nilai konduktivitas listrik. Hal ini terjadi akibat peningkatan suhu

annealing

menyebabkan peningkatan evaporasi lapisan film tipis sehingga ketebalan lapisan

film

tipis berkurang dan cacat strukturnya menurun. Kenaikan konduktivitas listrik

akibat elektron yang mengalir akan meningkat karena terjadinya hamburan dengan

cacat kristal yang cenderung menurun. Pada pengukuran resistansi dan

konduktivitas listrik sebelumnya telah diketahui bahwa

film

tipis LiTaO

3

yang

digunakan merupakan bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor yang

membentuk persambungan

p-n

memungkinkan untuk menghasilkan arus dan

tegangan ketika diberikan energi yang sesuai bagi elektron dan

hole

berdifusi.

Gambar 4.4 Hubungan konduktivitas listrik terhadap Intensitas cahaya

Intensitas Cahaya (Lux)

0 1000 2000 3000 4000

Ko

nd

uk

tiv

ita

s

Li

st

rik

(µ

S/

cm

)

0 2 4 6 8 10 12

18

Gambar 4.4 menunjukkan kurva konduktivitas listrik

film

tipis LiTaO

3

sebagai fungsi dari intensitas cahaya. Kurva konduktivitas listrik tersebut

menunjukkan konduktivitas listrik relatif naik sebagai fungsi intensitas cahaya yang

akan meningkatkan nilai konduktivitas listrik. Adapun nilai konduktivitas listrik

suatu material bergantung dari sifat material tersebut. Nilai konduktivitas listrik

suatu material dapat meningkat karena bahan tersebut menghantarkan arus listrik.

Nilai konduktivitas listrik

film

LiTaO

3

yang diperoleh berkisar antara 10

-6

S/cm

sampai 10

-5

S/cm. Hal ini menunjukkan bahwa

film

LiTaO

3

adalah material

semikonduktor.

Pengaruh temperatur terhadap nilai konduktivitas listrik memiliki hubungan

yang berbanding lurus, artinya peningkatan suhu

annealing

menimbulkan kenaikan

nilai konduktivitas listrik. Hal ini terjadi akibat peningkatan suhu

annealing

menyebabkan peningkatan evaporasi

film

tipis sehingga ketebalan lapisan

film

tipis

berkurang dan cacat strukturnya menurun. Kenaikan konduktivitas listrik akibat

elektron yang mengalir akan meningkat karena terjadinya hamburan dengan cacat

kristal yang cenderung menurun.

Pengaruh suhu

annealing

terhadap nilai konduktivitas listrik optimal ketika

suhu annealing 800°C namun nilai konduktivitas listrik menurun ketika suhu

annealing

dilakukan pada suhu 750°C. Penurunan nilai konduktivitas listrik terkait

dengan suhu

annealing

disebabkan oleh penguapan yang dialami oleh

film

tipis

LiTaO

3

. Atom-atom yang telah tersusun ketika proses pendeposisian mengalami

penguapan dan menyebabkan penurunan kualitas kristal.

4.3 Koefisien Difusi

Proses difusi dapat terjadi dalam keadaan gas, cair, maupun padat sehingga

proses pendifusian ini dapat terjadi pada

film

lithium tantalat. Difusi merupakan

peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian

berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Perbedaan konsentrasi

yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi akan terus terjadi

hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai keadaan

kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada

perbedaan konsentrasi.

Secara garis besar proses difusi terjadi karena adanya perpindahan struktur

atom akibat pergerakan energi, dalam hal ini pergerakan atom-atom tersebut

dipercepat pada saat

film

lithium tantalat berada dalam temperatur tinggi. Pada

temperatur tinggi akan mengakibatkan terjadinya peregangan dan pergerakan pada

struktur atom sehingga mengakibatkan terjadinya kekosongan antara atom induk

dengan atom-atom tetangga. Dengan bantuan proses perlakuan permukaan,

kekosongan yang terjadi antara atom induk dan atom tetangga akan terisi oleh

atom-atom lainnya akibat dari proses perlakuan permukaan, baik itu secara difusi

interstisial

maupun difusi

vacancy

(Milton, 1991).

19

adanya pergerakan energi dalam temperatur tinggi. Sedangkan difusi interstisi

mekanisme perpindahan atom akibat adanya gerakan atom dalam rongga atom.

Difusi intertisi ini terjadi apabila atom yang mengalami pergerakan memiliki

ukuran jari-jari atom yang jauh lebih kecil dari atom induk. Atom-atom yang

terinterstisi

tersebut akan bergerak masuk kedalam rongga atom yang tercipta oleh

atom besar.

Kecepatan dari proses difusi ini tergantung pada ukuran partikel, temperatur,

luas area atom. Semakin kecil ukuran atom yang terdapat pada

film

lithium tantalat,

maka akan semakin cepat terjadinya proses difusi pada atom. Dan semakin tinggi

temperatur pada saat

film

tipis diberi perlakuan panas, maka energi yang bergerak

pada partikel juga akan semakin cepat sehingga kecepatan pada saat terjadi difusi

juga akan semakin tinggi. Serta semakin besar luas area yang memisahkan antara

satu atom dengan atom lainnya, maka akan semakin cepat terjadi pergerakan atom

sehingga akan menyebabkan kecepatan proses difusi meningkat.

[image:30.595.108.496.429.587.2]

Dalam struktur kristal, adanya kekosongan posisi atom memungkinkan

atom di sebelahnya bergerak mengisi kekosongan tersebut sementara ia sendiri

meninggalkan tempat semula yang ia isi menjadi kosong. Posisi kosong yang baru

terbentuk akan memberikan kemungkinan untuk diisi oleh atom di sebelahnya; dan

demikian seterusnya. Mekanisme ini merupakan mekanisme yang paling mungkin

untuk terjadinya

difusi internal

. Kemungkinan lain adalah adanya atom yang lepas

dari kisi kristalnya dan menjadi atom

interstisial

dan menjadi mudah bergerak.

Tabel 4.1 Koefisien difusi terhadap variasi suhu dan intensitas

Suhu

Annealing

(

o

C )

Koefisien

Difusi

(nm

2

/s)

Intensitas

0 lux

Intensitas

10

3

lux

Intensitas

2 10

3

lux

Intensitas

3 10

3

lux

Intensitas

4 10

3

lux

550

600

650

700

750

800

57

79

89

134

103

174

91

107

158

202

98

325

116

118

180

236

86

342

100

109

91

260

156

376

128

142

114

308

166

391

Berdasarkan persamaan (3.2) dan gambar 4.4 diperoleh hasil koefisien

difusi sesuai table 4.1. Semakin tinggi temperatur pada saat

film

LiTaO

3

diberi

perlakuan

annealing

pada suhu 550

o

C, 600

o

C, 650

o

C, 700

o

C, 750

o

C dan 800

o

C

20

Nilai koefisien difusi berkisar antara 57

–

391 nm

2

/s nilai literature koefisien

difusi

film

lithium tantalate (LiTaO

3

) sebesar 153 nm

2

/s (Song, 2004), dan termasuk

21

5

SIMPULAN DAN SARAN

5.1 Simpulan

Berdasarkan hasil yang didapat disimpulkan bahwa absorbansi maksimum

dari

film

lithium tantalat terjadi pada daerah infra merah yaitu pada panjang

gelombang diatas 800 nm, puncak absorbansi tertinggi pada

film

lithium tantalat

pada suhu

annealing

800

o

C dengan kata lain

film

LiTaO

3

banyak menyerap energi

foton dari cahaya yang mengenainya. Nilai konduktivitas listrik

film

tipis

meningkat seiring dengan kenaikan intensitas cahaya sebaliknya nilai resistansinya

akan menurun dan dari nilai konduktivitas listrik yang didapatkan

film

LiTaO

3

yang

diperoleh berkisar antara 1.90

–

9.95 µS/cm hasil ini menunjukkan bahwa

film

tipis

LiTaO

3

yang dibuat merupakan bahan material semikonduktor. Pada

film

LiTaO

3

kecepatan pada saat terjadinya difusi semakin tinggi dengan seiringnya kenaikan

suhu yang menghasilkan koefisien difusi dari 57

–

391 nm

2

/s,

film

LiTaO

3

yang

didapat merupakan cikal bakal sensor infra merah.

5.2 Saran

Pada penelitian selanjutnya diharapkan

film

LiTaO

3

dapat diaplikasikan

22

DAFTAR PUSTAKA

Beata Z, Ewa M, Ryszard J. K. 2012. Synthesis, characterization and photocatalytic

properties of lithium tantalite.

Journal Materials Characterization

68:71-78.

Chaidir A, Kisworo D. 2007. Pengaruh pemanasan terhadap struktur-mikro, sifat

mekanik dan korosi paduan Zr-Nb-Sn-Fe

.

[Hasil-hasil Penelitian EBN]. ISSN

0854-5561.

Cullity, B.D. 1956. Elements of X-Ray Diffraction. Massachusetts, Addison

Wesley Publishing Company.

Irzaman, A. Fuad, and M. Barmawi. 2001. Spectral Response of Al/Si Photodiodes

for IR Sensor. Proceeding Instrumentation, Measurement, and Communications

for the Future, Indonesian German Conference (IGC), Bandung: 340

–

342.

Irzaman, Darvina Y, Fuad A, Arifin P, Budiman M dan Barmawi M. 2003. Physical

and pyroelectric properties of tantalum oxide doped lead zirconium titanate

[Pb0.9950 (Zr0.525 Ti0.465 Ta0.010) O

3

] thin films and its applications for IR

sensor

. Physica Status Solidi (a) Germany

199: 416-424.

Irzaman, Maddu A, Syafutra H dan Ismangil A. 2010. Uji konduktivitas listrik dan

dielektrik film tipis lithium tantalate (LiTaO

3

) yang didadah niobium

pentaoksida (Nb

2

O

5

) menggunakan metode chemical solution deposition

.

Prosiding Seminar Nasional Fisika, Bandung: 175-183.

Ismangil A, Jenie R P, Irmansyah, Irzaman. 2015. Development of lithium tantalite

(LiTaO

3

) for automatic switch on LAPAN-IPB Satellite infra-red sensor.

International Journal of Procedia Environmental Sciences

24: 329

–

334.

Jun L, Yang L, Zhongxiang Z, Ruyan G, Amar S, and Bhalla

. 2013.

Structure and

dielectric properties of niobium-rich potassium lithium tantalate niobate single

crystals.

Journal Ceramics International

39:8537-8541

.

Kuneva M, Christova K and Tonchev S. 2012. Proton-exchanged optical

waveguides in LiTaO

3

: phase composition and stress.

Journal of Physics:

Conference Series.

398.

Kwok, K. N. 1995.Complete Guide to Semiconductor Device. McGraw-Hill, inc.

Liu X. 2005. Nanoscale chemical ething of near-stoichiometric lithium tantalite.

Journal Material sains

97(1):30-38.

Malvino A V. 1990. Prinsip-prinsip Elektronika. Jakarta: Salemba Teknika.

Marco S, Volkmar N, and Gerald G. 2014. Dielectric and pyroelectric properties of

ultrathin, monocrystalline lithium tantalite.

Journal infrared Physics &

Technology

63:35-41.

Milan J, Lauhon L, and Allen J. 2005. Photoconductivity of Semiconducting.

CdS.

Milton O. 1991. The Materials Science of Thin Film. Academic Press Limited,

London.

Omar, M.A. 2007. Elementary Solid State Physics. Addison-Wesley Publishing

Company.

Paula M.V, Nathalie B, Sebastian Z, Pedro F, Maria H.F. 2014. Are lithium niobate

(LiNbO3) and lithium tantalate (LiTaO3) ferroelectrics bioactive.

Journal

Materials Science and Engineering

39:395-402.

23

Rio S.R, M.lida.1999. Fisika dan Teknologi Semikonduktor. PT.Pradnya Paramita:

Jakarta.

Saito, T, I. 1996. Kimia Anorganik

.

Permiission of Iwanami Shaten Publisher.

Seo, J.Y, Park S.W. 2004. Chemical Mechanical Planarization Characteristic of

Ferroelectric Film for FRAM Applications.

International Journal of Korean

Physics society

45: 769-772.

Song I et al. 2004. Diffusion of Zn in stoichiometric LiTaO

3

.

Journal of Crystal

Growth

270: 568

–

572.

Sutrisno. 1986. Elektronika Teori dan Penerapannya. Bandung: Institut Teknologi

Bandung.

Schwartz, Robert W. 1997. Chemical Solution Deposition of Perovskite Thin Film.

Chem. Mater: 2325-2340.

24

Lampiran 1 Tahapan penelitian secara lengkap

Persiapan bahan dan alat

Persiapan substrat Si (100)

Pembuatan larutan LiTaO3

Penumbuhan film LiTaO3 dengan

metode CSD dan spin coating

Proses annealing

Karakterisasi konduktansi film Karakterisasi sifat optik Penumbuhan kontak pada film

SELESAI

Litium asetat Tantalum oksida 2-metoksietanol

MULAI

Penghitungan koefisien difusi Berhasil Tidak

25

Lampiran 2 Tabel nilai absorbansi

film

LiTaO

3

Panjang

gelombang

(nm)

550

o

C

600

o

C

650

o

C

700

o

C

750

o

C

800

o

C

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

Lampiran 3 Perhitungan konduktivitas listrik

film

LiTaO

3

Menghitung konduktivitas listrik (

σ

) menggunakan persamaan (3.1)

� =

��

�

Keterangan :

σ = konduktivitas listrik (S/cm) l = jarak antara 2 kontak (cm)

G = konduktansi yang terukur pada LCR meter (S) A = luas penampang kontak (cm2)

Contoh cara perhitungan nilai konduktivitas listrik film LiTaO3 untuk sampel annealing suhu 550°C pada intensitas 0 lux:

Diketahui: luas kontak (A) = 0,04 cm2

jarak antara kontak (l) = 0,12 cm konduktansi (G) = 6,45 x10– 7S

maka:

� =

��

�

� =

, E − x ,

,

� = , µ S/cm

Tabel 2.a nilai konduktivitas listrik film LiTaO3 untuk sampel annealing suhu 550°C.

Intensitas

(lux)

G

(S)

L (cm)

A

63

Tabel 2.b Nilai konduktivitas listrik film LiTaO3 untuk sampel annealing suhu 600°C.

Intensitas

(lux)

G

(S) L (cm)

A

(cm2_{) R=1/G RA} σ=_L/RA gelap 8.18E-07 0.12 0.04 12211652 488466.1 2.46E-06 1000 1.11E-06 0.12 0.04 89992801 3599712 3.33E-06 2000 1.22E-06 0.12 0.04 8154611 326184.5 3.68E-06 3000 1.12E-06 0.12 0.04 88628911 3545156 3.38E-06 4000 1.46E-06 0.12 0.04 68105973 2724239 4.40E-06

Tabel 2.c Nilai konduktivitas listrik film LiTaO3 untuk sampel annealing suhu 650°C.

Intensitas

(lux)

G

(S)

L (cm)

A

(cm2_{) R=1/G RA} σ=_L/RA gelap 8.77E-09 0.12 0.04 113995059.5 4559802.4 2.6317E-06 1000 1.54E-08 0.12 0.04 64518626.53 2580745.1 4.6498E-06 2000 1.76E-08 0.12 0.04 56532308.21 2261292.3 5.3067E-06 3000 8.99E-09 0.12 0.04 111129632.7 4445185.3 2.6996E-06 4000 1.11E-08 0.12 0.04 89758549.5 3590342 3.3423E-06

Tabel 2.d Nilai konduktivitas listrik film LiTaO3 untuk sampel annealing suhu 700°C.

Intensitas

(lux)

G

(S)

L (cm)

A

(cm2) R=1/G RA σ=L/RA gelap 1.24E-06 0.12 0.04 80508816 3220353 3.73E-06 1000 1.87E-06 0.12 0.04 53245301 2129812 5.63E-06 2000 2.18E-06 0.12 0.04 45664186 1826567 6.57E-06 3000 2.40E-06 0.12 0.04 41305246 1652210 7.26E-06 4000 2.86E-06 0.12 0.04 34952814 1398113 8.58E-06

Tabel 2.e Nilai konduktivitas listrik film LiTaO3 untuk sampel annealing suhu 750°C.

Intensitas

(lux)

G

(S)

L (cm)

A

[image:75.595.61.491.94.806.2]

64

Tabel 2.f Nilai konduktivitas listrik film LiTaO3 untuk sampel annealing suhu 800°C.

Intensitas

(lux)

G

(S)

L (cm)

A

(cm2) R=1/G RA σ=L/RA gelap 1.46E-06 0.12 0.04 68384952.58 2735398.1 4.38E-06 1000 2.74E-06 0.12 0.04 36467987.85 1458719.5 8.22E-06 2000 2.88E-06 0.12 0.04 34627957.23 1385118.3 8.66E-06 3000 3.16E-06 0.12 0.04 31577218.93 1263088.8 9.50E-06 4000 3.29E-06 0.12 0.04 30314053.6 1212562.1 9.89E-06

Tabel 2.g Nilai konduktivitas listrik film LiTaO3

Intensitas

(lux)

Konduktivitas Listrik (µS/cm)

65

Lampiran 4 Perhitungan koefisien difusi

film

LiTaO

3

Menghitung koefisien difusi (D) menggunakan persamaan (3.2)

σ

= kd [

Cq

kT ] D

Keterangan :

D = koefisien difusi (cm2_/s) σ = konduktivitas listrik (S/cm) C = konsentrasi larutan (mol/l) q = muatan (C)

k = tetapan bolzmant T = suhu (K)

kd= tetapan ketidaksempurnaan

ngan nilai koefisien difusi film LiTaO3 untuk samp