ABSTRAK
Telah dilakukan deposisi lapisan tipis aluminium pada substrat kaca dengan
teknik evaporasi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengamati sifat – sifat optik
dari lapisan tipis yang dideposisikan pada substrat kaca. Deposisi lapisan tipis
dilakukan pada kondisi tekanan vakum 1,1 x 10
-5Torr, jarak substrat dengan benda
yang diuapkan 10,5 cm dan lama proses evaporasi 2 s/d 3 jam dengan berat
aluminium divariasi dari 0,0003 gr hingga 0,0006 gr.
Proses evaporasi dilakukan dengan menggunakan alat evaporasi hampa,
Edward Vacuum Coater Model E610, milik PTAPB-BATAN. Sedang karakterisasi
sifat optik yang meliputi reflektansi, transmitansi dan absorbansi dilakukan
menggunakan UV-Vis Spectrophotometer milik laboratorium Biologi UNS,
Surakarta. Sementara itu indeks bias lapisan tipis dihitung dari data reflektansi.
Ketebalan lapisan tipis untuk masing – masing berat aluminium yang dilapiskan
dihitung dari data berat aluminium yang terlapiskan, massa jenis aluminium dan
luasan substrat yang terlapisi.
Dari hasil percobaan dan pengukuran maupun perhitungan yang telah
dilakukan diperoleh hasil bahwa; ketebalan lapisan bervariasi yaitu 57,40752 nm;
76,54336 nm; 95,6792 nm dan 114,815 nm. Pada ketebalan 95,6792 nm dan 114,815
nm absorbsinya sebesar 99,9975 %, tidak ada cahaya yang direfleksikan dan
diteruskan. Ini berarti pada ketebalan tersebut semua cahaya tampak diserap oleh
lapisan tipis. Reflektansi untuk ketebalan 57,40752 nm dan 76,54336 nm
masing-masing berkisar antara 3,03 % s/d 8,23 % dan 0,02 % s/d 0,06 %. Tranmitansinya
berkisar 3,0 % s/d 8,14 % dan 0,04 % s/d 0,07 %. Sedangkan absorbansinya berkisar
antara 27,39 % s/d 38,735 % dan 97,8325 % s/d 99,9975 %. Indek bias pada
ketebalan tersebut masing-masing adalah berkisar antara 1,262 s/d 1,330; 1,224 s/d
1,225 dan 1,224. Sedangkan koefisien absorbsi pada keempat ketebalan tersebut
berturut-turut 1,9 x 10
5cm
-1s/d 2,7 x 10
5cm
-1; 4,9 x 10
5cm
-1 s/d 5,2 x 10
5cm
-1, 4,1 x
10
5cm
-1s/d 4,2 x 10
5cm
-1dan 3,4 x 10
5cm
-1.
ABSTRACT
Deposition of aluminum thin layer on the glass substrate using evaporation
technique has been done. The aim is the research is to observe the optical properties
aluminum thin film on glass substrate. Deposition thin film has been done for the
following parameters ; vacuum pressure in order of 1,1x10
-5Torr, boat and substrate
distance in order of 10,5 cm, deposition time in order of 2-3 hour, while the number
(gr) of aluminum to be coated was varied from 0,0003 gr up to 0,0006 gr.
Coating process was carried out using Edward Vacuum Coater Model E610 at
PTAPB-BATAN, Yogyakarta. The optical properties such as abrorbance, reflectance
and transmittance of thin film was measured using UV-Vis spectrophotometer at
Departement of Biology FMIPA UNS, Surakarta. While the refractive index of thin
film was calculated from the reflectance of thin film data. The thickness of thin film
was calculated from coated aluminum weight, density of aluminum and dimension of
the substrate.
It was found that the thickness of thin film for various of aluminum
weight are 57,40752 nm; 76,54336 nm; 95,6792 nm dan 114,815 nm. For the
thickness of thin film in order of 95,6792 nm dan 114,815 nm, the absorbance is in
order of 99,9975 %, there is no reflected and transmitted light. It meant that all
ancidence light are absorbed by the thin film. The reflectance of thin film for the
thickness of 57,40752 nm dan 76,54336 nm is in order of 3,03 % up to 8,23 % and
0,02 % up to 0,06 % respectively. The transmittance is in order of 3,0 % up to 8,14 %
and 0,04 % up to 0,07 %. While its absorbance is in order of 27,39 % up to 38,735 %
and 97,8325 % up to 99,9975 %. The calculated of refravtive index is 1,262 up to
1,330; 1,224 up to 1,225 and 1,224 respectively. The coefficient absorption is 1,9 x
10
5cm
-1up to 2,7 x 10
5cm
-1; 4,9 x 10
5cm
-1 up to 5,2 x 10
5cm
-1, 4,1 x 10
5cm
-1up to
4,2 x 10
5cm
-1and 3,4 x 10
5cm
-1respectively.
DEPOSISI LAPISAN TIPIS ALUMINIUM (Al)
PADA SUBSTRAT KACA DENGAN TEKNIK EVAPORASI
DAN KARAKTERISASI OPTIKNYA
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat
Memperoleh Gelar Sarjana Sains (S.Si)
Program Studi Fisika
Oleh :
Theresia Erni
NIM : 023214003
PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2007
DEPOSITION OF ALUMINUM (Al) THIN LAYER
ON THE GLASS SUBSTRATE USING EVAPORATION
TECHNIQUE AND OPTICAL CHARACTERISATION
SKRIPSI
Precented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the
Sarjana Sains Degree
In Physics
By
Theresia Erni
NIM : 023214003
PHYSICS STUDY PROGRAM
PHYSICS DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2007
HALAMAN PERSEMBAHAN
Ku persembahkan karya sederhana ini unt uk :
Tuhan Yesus Kristus yang selalu menjadikan semuanya baik pada waktunya...
Bunda Maria penolong hidupku....
Ayah dan ibuku tercinta, yang selalu mencintai dan menyayangiku tanpa batas
Bibi Yatim yang selalu mendukung dan menyayangiku
Mas Andri yang telah memberi warna dalam hidupku
Seluruh keluarga besarku
Universitas Sanata Dharma almamaterku
HALAMAN MOTTO
“Mintalah, maka akan diberikan kepadamu; carilah, maka kamu akan mendapat;
ketoklah, maka pintu akan dibukakan bagimu. Karena setiap orang yang meminta,
menerima dan setiap orang yang mencari, mendapat dan setiap orang yang
mengetok baginya pintu dibukakan”
(Matius 7: 7-8)
“Jangan berdoa supaya engkau mendapat tugas yang sesuai dengan tenagamu,
tetapi berdoalah supaya engkau mendapat kekuatan yang sesuai dengan tugasmu”
(Philip Brooks)
“Pengalaman membuat engkau mampu untuk mengenal sebuah kesalahan
bilamana engkau melakukannya lagi”
(Franklin P. Jones )
”Jangan bimbang menghadapi bermacam – macam penderitaan, karena semakin
dekat cita – cita kita tercapai semakin berat penderitaan yang harus kita alami”
(Jenderal Sudirman)
ABSTRAK
Telah dilakukan deposisi lapisan tipis aluminium pada substrat kaca dengan
teknik evaporasi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengamati sifat – sifat optik
dari lapisan tipis yang dideposisikan pada substrat kaca. Deposisi lapisan tipis
dilakukan pada kondisi tekanan vakum 1,1 x 10
-5Torr, jarak substrat dengan benda
yang diuapkan 10,5 cm dan lama proses evaporasi 2 s/d 3 jam dengan berat
aluminium divariasi dari 0,0003 gr hingga 0,0006 gr.
Proses evaporasi dilakukan dengan menggunakan alat evaporasi hampa,
Edward Vacuum Coater Model E610, milik PTAPB-BATAN. Sedang karakterisasi
sifat optik yang meliputi reflektansi, transmitansi dan absorbansi dilakukan
menggunakan UV-Vis Spectrophotometer milik laboratorium Biologi UNS,
Surakarta. Sementara itu indeks bias lapisan tipis dihitung dari data reflektansi.
Ketebalan lapisan tipis untuk masing – masing berat aluminium yang dilapiskan
dihitung dari data berat aluminium yang terlapiskan, massa jenis aluminium dan
luasan substrat yang terlapisi.
Dari hasil percobaan dan pengukuran maupun perhitungan yang telah
dilakukan diperoleh hasil bahwa; ketebalan lapisan bervariasi yaitu 57,40752 nm;
76,54336 nm; 95,6792 nm dan 114,815 nm. Pada ketebalan 95,6792 nm dan 114,815
nm absorbsinya sebesar 99,9975 %, tidak ada cahaya yang direfleksikan dan
diteruskan. Ini berarti pada ketebalan tersebut semua cahaya tampak diserap oleh
lapisan tipis. Reflektansi untuk ketebalan 57,40752 nm dan 76,54336 nm
masing-masing berkisar antara 3,03 % s/d 8,23 % dan 0,02 % s/d 0,06 %. Tranmitansinya
berkisar 3,0 % s/d 8,14 % dan 0,04 % s/d 0,07 %. Sedangkan absorbansinya berkisar
antara 27,39 % s/d 38,735 % dan 97,8325 % s/d 99,9975 %. Indek bias pada
ketebalan tersebut masing-masing adalah berkisar antara 1,262 s/d 1,330; 1,224 s/d
1,225 dan 1,224. Sedangkan koefisien absorbsi pada keempat ketebalan tersebut
berturut-turut 1,9 x 10
5cm
-1s/d 2,7 x 10
5cm
-1; 4,9 x 10
5cm
-1 s/d 5,2 x 10
5cm
-1, 4,1 x
10
5cm
-1s/d 4,2 x 10
5cm
-1dan 3,4 x 10
5cm
-1.
ABSTRACT
Deposition of aluminum thin layer on the glass substrate using evaporation
technique has been done. The aim is the research is to observe the optical properties
aluminum thin film on glass substrate. Deposition thin film has been done for the
following parameters ; vacuum pressure in order of 1,1x10
-5Torr, boat and substrate
distance in order of 10,5 cm, deposition time in order of 2-3 hour, while the number
(gr) of aluminum to be coated was varied from 0,0003 gr up to 0,0006 gr.
Coating process was carried out using Edward Vacuum Coater Model E610 at
PTAPB-BATAN, Yogyakarta. The optical properties such as abrorbance, reflectance
and transmittance of thin film was measured using UV-Vis spectrophotometer at
Departement of Biology FMIPA UNS, Surakarta. While the refractive index of thin
film was calculated from the reflectance of thin film data. The thickness of thin film
was calculated from coated aluminum weight, density of aluminum and dimension of
the substrate.
It was found that the thickness of thin film for various of aluminum
weight are 57,40752 nm; 76,54336 nm; 95,6792 nm dan 114,815 nm. For the
thickness of thin film in order of 95,6792 nm dan 114,815 nm, the absorbance is in
order of 99,9975 %, there is no reflected and transmitted light. It meant that all
ancidence light are absorbed by the thin film. The reflectance of thin film for the
thickness of 57,40752 nm dan 76,54336 nm is in order of 3,03 % up to 8,23 % and
0,02 % up to 0,06 % respectively. The transmittance is in order of 3,0 % up to 8,14 %
and 0,04 % up to 0,07 %. While its absorbance is in order of 27,39 % up to 38,735 %
and 97,8325 % up to 99,9975 %. The calculated of refravtive index is 1,262 up to
1,330; 1,224 up to 1,225 and 1,224 respectively. The coefficient absorption is 1,9 x
10
5cm
-1up to 2,7 x 10
5cm
-1; 4,9 x 10
5cm
-1 up to 5,2 x 10
5cm
-1, 4,1 x 10
5cm
-1up to
4,2 x 10
5cm
-1and 3,4 x 10
5cm
-1respectively.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat
dan kasih-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul
DEPOSISI LAPISAN TIPIS ALUMINIUM PADA SUBSTRAT KACA DENGAN
TEKNIK EVAPORASI DAN KARAKTERISASINYA. Penyusunan skripsi ini
merupakan syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains di Jurusan Fisika
Universitas Sanata Dharma.
Penullis menyadari bahwa penulisan ini dapat selesai dengan baik karena
bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan
terima kasih yang sebesar-besarnya dan setulus-tulusnya kepada:
1.
Ibu Ir. Sri Agustini Sulandari M.Si selaku Kaprodi Fisika dan
pembimbing di kampus yang telah banyak memberikan masukan, arahan
dan yang selalu sabar membimbing penulis selama penulisan skripsi ini.
2.
Bapak Drs. B.A. Tjipto Sujitno, M.T selaku pembimbing di PTAPB-
BATAN yang selalu membantu penulis bila mengalami kesulitan
3.
Bapak Dr. Agung Bambang S.U., SU yang telah bersedia menguji dalam
ujian skripsi.
4.
Bapak Dr. Ignatius Edi Santosa M.S. selaku dosen pembimbing akademik
atas bantuan dan bimbingannya selama masa studi.
5.
Segenap Dosen Jurusan Fisika, FST Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta, yang telah mendidik dan memberikan pengajaran selama
masa studi.
6.
Segenap Dosen dan Karyawan FST Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta, yang telah banyak membantu selama masa studi.
7.
Selulruh staf karyawan dilingkungan PTAPB-BATAN, yang telah banyak
membantu selama penelitian, khususnya bapak Sumaryadi selaku teknisi
di bagian coating yang tiada lelah membantu pelaksanaan penelitian.
8.
Bapak Susilo karyawan di laboratorium Biologi UNS yang telah
membantu dan mengijinkan penulis untuk menggunakan alat
Spektrofotometer UV-VIS untuk karakterisasi lapisan tipis.
9.
Ayah dan ibuku tercinta, yang selalu memberikan dukungan, doa dan
biaya selama masa studi.
10.
Bibi Yatim, yang selalu memberikan semangat dan dukungan moral
maupun material.
11.
Mas Andri yang selalu setia menemaniku dan selalu memberiku semangat
dalam menyelesaikan skripsi ini.
12.
Bapak, ibu, mas Yuni, Nur dan Adi, atas segala kebaikannya selama ini.
13.
Teman-teman fis’02 (Lori, Ima (makasih untuk printernya), Kia, Ingke,
Hanik, Gita, Frida, Iman, Ridwan, Adit, Adet, Try, O’ok, Basil, Yuda,
Danang, Ratna, Dian) yang telah berjuang selama bertahun-tahun
bersamaku. Terimakasih untuk persahabatannya selama ini.
14.
Teman-teman Komunitas Sant’ Egidio yang telah banyak mengajarkanku
banyak hal (buat Heri dan Mayoes, makasih ya karena selalu memberiku
tumpangan kalau pergi ke BATAN. Buat Echa makasih untuk printernya).
15.
Teman-teman kos palem (Siska, Reta, Tika, Citra, Ema, Rini, Ani, Ana,
Melda, Jessi dan Tante, Aprin, Alin, Mita, Cici, Nia, Gusti), terima kasih
atas persahabatannya selama ini.
16.
Teman-teman kos Dewi (Corry, Fitri(makasih untuk komputernya), Era,
Eka, Amoy, Sim, mbak Mul) yang telah menerimaku dengan baik dan
juga teman-teman kos Wirata atas bantuannya selama ini.
17.
Teman-teman lainnya yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang
telah memberi bantuan baik secara moral atau material.
Penulis juga menyadari bahwa penyusunan skripsi ini tidaklah sempurna,
maka semua saran dan kritik yang membangun sangat penulis harapkan dan semoga
skripsi ini dapat bermanfaat bagi mahasiswa/mahasiswi dan para pembaca lainnya.
Yogyakarta , September 2007
Penulis
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL………..i
HALAMAN JUDUL...ii
HALAMAN PERSETUJUAN……….iii
HALAMAN PENGESAHAN………..iv
HALAMAN PERSEMBAHAN...v
HALAMAN MOTTO....………...vi
HALAMAN PERNYATAAN.….………..vii
ABSTRAK...………...viii
ABSTRACT
…..………...…ix
KATA PENGANTAR………...x
DAFTAR ISI………...xiii
DAFTAR GAMBAR ……...………...xvii
DAFTAR TABEL ...……….…..xx
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang………..1
1.2
Perumusan Masalah………..3
1.3
Batasan Masalah………...3
1.4
Tujuan Penelitian………..3
1.5
Manfaat Penelitian………4
BAB II DASAR TEORI
2.1 Deposisi Lapisan Dengan Teknik Evaporasi………5
2.2 Evaporasi Termal………..7
2.3
Sistem
Vakum………..………...9
2.3.1 Tingkat Kevakuman………..10
2.3.2 Pompa Valum………12
a. Pompa Rotari……….12
b. Pompa Difusi……….14
2.4 Pembentukan Lapisan Tipis………16
2.5 Sifat Optik………….………..19
2.5.1 Refraksi dan Refleksi Gelombang Datar dan Permukaan Datar...19
2.5.3 Reflektansi, Transmisi dan Absorbansi……….21
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian………26
3.2 Bahan dan Alat Penelitian………..26
3.2.1 Bahan dan Alat Untuk Preparasi Sampel………..26
3.2.2 Bahan dan Alat Untuk Pembuatan Lapisan Tipis……….27
3.2.3 Bahan dan Alat Untuk Karakterisasi Sifat Optik………..27
3.3 Diagram Alir Penelitian……….28
3.4 Pelaksanaan Penelitian………...29
3.4.1 Penyiapan Substrat dan Target………..29
3.4.2 Pembuatan Lapisan Tipis Aluminium………...29
3.4.3 Karakterisasi Lapisan Tipis………...30
3.5
Metode
Analisis………..33
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian………...34
4.1.1 Pembuatan Lapisan Tipis………...34
4.1.2 Karakterisasi Optik Lapisan Tipis Al Hasil Deposisi
Menggunakan Spektropotometer UV-VIS………….…………...35
a.
Reflektansi……….35
b.
Transmitansi………..38
c.
Absorbansi……….40
4.2 Analisis Data dan Pembahasan.…………...………...42
4.2.1 Proses Pembuatan Lapisan Tipis……..……….42
4.2.2 Karakterisasi Optik Lapisan Tipis Al .……….……43
a.
Cuplikan1………..….44
b.
Cuplikan2……….………..46
c.
Cuplikan3………..…….49
d.
Cuplikan4………...50
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan……….52
5.2
Saran...………53
DAFTAR PUSTAKA
………54
LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Model peralatan coating
Gambar 2.2. Prinsip kerja pompa rotari
Gambar 2.3. Penampang pompa difusi
Gambar 2.4. Tingkat pembentukan lapisan tipis
Gambar 2.5. a. Gambar yang menunjukan refleksi dan refraksi pada
permukaan batas udara-air.
b. Penggambaran dengan menggunakan sinar-sinar
Gambar 3. Sistem Elektrik UV-1601PC
Gambar 4.1 Grafik hubungan antara reflektansi
R
dengan panjang
pelombang
λ
untuk kaca biasa (standar)
Gambar 4.2 Grafik hubungan antara reflektansi
R
dengan panjang
pelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 57,40752 nm
Gambar 4.3 Grafik hubungan antara reflektansi
R
dengan panjang
pelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 76,54336 nm
Gambar 4.4 Grafik hubungan antara reflektansi
R
dengan panjang
pelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 95,6792 nm
Gambar 4.5 Grafik hubungan antara reflektansi
R
dengan panjang
pelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 114,815 nm
Gambar 4.6 Grafik hubungan antara indeks bias lapisan tipis
dengan reflektansi
R
untuk ketebalan lapisan
57,40752 nm
f
n
Gambar 4.7 Grafik hubungan antara indeks bias lapisan tipis
dengan reflektansi
R
untuk ketebalan lapisan
76,54336 nm
f
n
Gambar 4.8 Grafik hubungan antara transmitansi
T
dengan panjang
pelombang
λ
untuk kaca biasa (standar)
Gambar 4.9 Grafik hubungan antara transmitansi
T
dengan panjang
pelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 57,40752 nm
Gambar 4.10 Grafik hubungan antara transmitansi
T
dengan panjang
pelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 76,54336 nm
Gambar 4.11 Grafik hubungan antara transmitansi
T
dengan panjang
pelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 95,6792 nm
Gambar 4.12 Grafik hubungan antara transmitansi
T
dengan panjang
pelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 114,815 nm
Gambar 4.13 Grafik hubungan antara absorbansi
A
dengan panjang
gelombang
λ
untuk kaca biasa
Gambar 4.14 Grafik hubungan antara absorbansi
A
dengan panjang
gelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 57,40752 nm
Gambar 4.15 Grafik hubungan antara absorbansi
A
dengan panjang
gelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 76,54336 nm
Gambar 4.16 Grafik hubungan antara absorbansi
A
dengan panjang
gelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 95,6792 nm
Gambar 4.17 Grafik hubungan antara absorbansi
A
dengan panjang
gelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 114,815 nm
Gambar 4.18 Grafik hubungan antara reflektansi
R
, transmitansi
T
dan absorbansi
A
dengan panjang gelombang λ untuk
ketebalan lapisan 57,40752 nm
Gambar 4.19 Grafik hubungan antara reflektansi
R
, transmitansi
T
dan absorbansi
A
dengan panjang gelombang
λ
untuk
ketebalan lapisan 76,54336 nm
Gambar 4.20 Grafik hubungan antara reflektansi
R
, transmitansi
T
dan absorbansi
A
dengan panjang gelombang
λ
untuk
ketebalan lapisan 95,6792 nm
Gambar 4.21 Grafik hubungan antara reflektansi
R
, transmitansi
T
dan absorbansi
A
dengan panjang gelombang
λ
untuk
ketebalan lapisan 114,815 nm
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Hasil deposisi lapisan tipis
Tabel 4.2 Hasil analisis dari hasil deposisi lapisan tipis
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Lapisan metal tipis pertama kali ditemukan oleh Bunsen dan Grove
pada tahun 1852, ketika mereka melakukan penelitian lucutan dalam gas
bertekanan rendah dalam suatu sistem vakum, yang menampakkan gejala
terbentuknya lapisan metal tipis pada dinding tabung disekitar elektrode
negatif (Sudjatmoko, 2003).
Sejak penemuan itu, penelitian mengenai lapisan tipis berkembang
terus sampai sekarang. Saat ini aplikasi lapisan tipis telah menjangkau
hampir di semua bidang. Pada bidang elektronik lapisan tipis digunakan
dalam pembuatan piranti elektronika seperti kapasitor, transistor,
fotodetektor, sel surya, rangkaian hibrid maupun teknologi
mikroelektronika. Dalam bidang mekanika lapisan tipis digunakan untuk
pembuatan lapisan keras sebagai bahan pelindung terhadap keausan dan anti
korosi. Dalam bidang optik digunakan untuk pembuatan lapisan antirefleksi,
filter interferensi, cermin reflektor tinggi, kaca-mata pelindung cahaya dan
transmisi daya tinggi. Untuk mengetahui karakteristik bahan lapisan tipis
perlu dikarakterisasi struktur kristal, keadaan permukaan, tebal lapisan, sifat
termal, sifat optik, sifat listrik dan sebagainya.
Pada penelitian ini akan dilakukan karakterisasi sifat optik antaralain
terdeposisi pada substrat kaca, dengan menggunakan spektrofotometer
UV-VIS.
Aluminium merupakan logam yang sering digunakan dan
dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Aluminium mempunyai massa
jenis yang cukup kecil, yaitu 2,7 gr/cm
2(sepertiga massa jenis baja),
merupakan salah satu sifat yang baik (Alonso dan Finn, 1990). Oleh karena
itu kegunaan aluminium menjadi sangat luas. Aluminium murni bersifat
lunak dan mudah ditempa, tetapi kekuatannya dapat ditingkatkan melalui
proses pengerasan. Sifatnya yang ringan, kuat (bila dipadukan), tahan
korosi, daya hantar listrik dan panas yang baik, membuat aluminium cocok
untuk berbagai keperluan.
Ada beberapa cara yang digunakan untuk mendeposisikan lapisan
tipis, yaitu dengan teknik evaporasi,
chemical vapour deposition (CVD),
implantasi ion dan
sputtering
(percikan). Masing-masing metode
mempunyai kelebihan dan kekurangan. Misalnya, pada metode
sputtering
mempunyai daya rekat yang lebih kuat, tetapi dibutuhkan peralatan yang
lebih rumit. Pada metode penguapan atau evaporasi membutuhkan alat yang
cukup sederhana, tetapi atom-atom yang datang ke permukaan bahan
(substrat)
daya tempelnya tidak terlalu kuat. Dalam penelitian ini akan
digunakan metode evaporasi untuk membuat lapisan tipis Al pada substrat
1.2
Rumusan Masalah
Dalam penelitian ini rumusan masalah yang akan dikemukakan
adalah:
1.
Bagaimana cara menumbuhkan lapisan tipis Al pada bahan kaca dengan
teknik evaporasi.
2.
Bagaimana mengetahui sifat-sifat optis dari lapisan tipis Al?
1.3
Batasan Masalah
Dalam penelitian masalah utamanya adalah proses pembentukkan
lapisan tipis dengan teknik evaporasi dalam ruang vakum pada substrat kaca.
Pembahasan penelitian ini di batasi pada masalah karakterisasi sifat-sifat
optik dari lapisan tipis Al yang meliputi : reflektansi, absorbansi dan
transmitansinya.
1.4
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1.
Mendapatkan lapisan tipis Al pada substrat kaca dengan teknik
evaporasi.
2.
Mengetahui sifat optis dari lapisan tipis Al khususnya, reflektansi,
absorbansi dan transmitansisinya.
3.
Menentukan indeks bias lapisan tipis.
1.5
Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah :
1.
Memberikan pengetahuan atau masukan bagi peneliti tentang
penumbuhan lapisan tipis Al dengan teknik evaporasi.
2.
Memberikan pengetahuan bagi peneliti bagaimana karakterisasi
sifat-sifat dari lapisan tipis Al.
3.
Penelitian ini diharapkan bisa memberikan sumbangan informasi untuk
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Deposisi Lapisan Tipis Dengan Teknik Evaporasi
Lapisan tipis adalah suatu lapisan yang sangat tipis dari bahan
organik, inorganik, metal maupun campuran metal-organik
(organometalic)
yang memiliki sifat-sifat konduktor, semikonduktor, superkonduktor
maupun isolator. Pada umumnya lapisan tipis dibuat dengan cara deposisi
atom-atom suatu bahan pada permukaan substrat dengan ketebalan sampai
dengan orde mikro. Dengan melakukan beberapa variasi, misalnya variasi
ketebalan lapisan dan variasi waktu deposisi dalam proses deposisi maupun
modifikasi sifat-sifat lapisan tipis selama deposisi, dapat diperoleh suatu
sifat-sifat khusus dari lapisan tipis tersebut.
Teknik evaporasi merupakan cara yang paling sederhana yang
merupakan proses
thermal
dari pembentukan suatu lapisan tipis. Prosesnya
melalui dua tahapan yaitu, penguapan dari material padat dengan cara
pemanasan sampai mencapai suhu tinggi kemudian mengembunkan
(
condensing
) di atas substrat. Evaporasi ini biasanya efektif digunakan pada
bahan-bahan logam yang mempunyai titik leleh yang rendah. Untuk
material-material yang mempunyai titik leleh tinggi, metode evaporasi tidak
dapat digunakan sehingga harus menggunakan metode deposisi yang lain.
Lapisan tipis dalam penelitian ini diperoleh dengan teknik
penguapan dalam ruang vakum. Pada penelitian ini digunakan peralatan
“coating”
jenis
Edward Vacuum Coater
model E610, yang secara skematis
seperti yang disajikan pada Gambar 2-1.
c
d
a
b
e
f
g
h
i
j
keterangan gambar
a.
Tabung hampa (bejana)
b.
Batang tembaga
c.
Tempat substrat (kaca)
d.
Substrat (kaca)
e.
Shutter
f. Material pelapis
g. Filamen (evaporation source)
h. Pompa difusi
i. Pompa rotari
j. Regulator
2.2 Evaporasi Termal
Penguapan
(
evaporation
) adalah perubahan keadaan zat cair menjadi
uap pada suhu di bawah titik didih zat cair. Penguapan terjadi pada
permukaan zat cair, beberapa molekul dengan energi kinetik yang paling
besar melepaskan diri ke fase gas. Titik didih suatu bahan sangat tergantung
pada tekanan di sekitarnya. Pada tekanan yang kecil titik didihnya lebih
rendah (Giancoli, 1998).
Saat sebuah material bahan pelapis dipanaskan pada temperatur
uapnya, pada tekanan rendah maka material tersebut akan menguap. Pada
penelitian ini material bahan pelapis yang akan diuapkan adalah aluminium.
Aluminium akan menguap apabila suhu filamen penguapnya sudah
mencapai titik didih aluminium.
Agar bahan pelapis menempel pada substrat maka dilakukan
pendinginan yaitu dengan cara menurunkan arus pemanasnya. Pendinginan
ini dilakukan agar bahan pelapis yang sudah menguap akan mengembun dan
menempel pada substrat. Pedinginan tersebut dilakukan kalau seluruh bahan
pelapis sudah menguap.
Sumber evaporasi yang berisi bahan pelapis (metal) memperoleh
kalor dari energi listrik sebesar (Yahya, 1995)
dengan
R = Hambatan listrik (
Ω
)
I = Arus yang mengalir pada sumber evaporasi (A)
t = waktu proses evaporasi
Energi yang dibutuhkan untuk memisahkan atom-atom dari bahan asalnya
disebut kalor penguapan (Q)
Q
=
m
L
………..(3)
dengan
m = massa bahan pelapis
L = kalor uap laten
Energi ini berupa kalor yang diberikan bahan tersebut untuk mengubah fase
padat menjadi fase gas pada suhu titik didihnya (
T
d)
Dengan anggapan bahwa tidak ada energi yang hilang maka energi
kinetik atom-atom yang meninggalkan sumber penguapan sama dengan :
2
2 1 2
v
m
Q
t
I
R
E
kin=
−
=
………(4)
-3
Karena berada dalam vakum yang cukup tinggi (< 10 Torr) maka dianggap
bahwa atom-atom tersebut tidak bertumbukan dengan atom-atom dalam
bejana, tetapi langsung menumbuk substrat di atasnya dengan kecepatan
m
Q
t
I
R
v
2
(
)
2
−
=
……….(5)
Dari rumus diatas dapat diketahui bahwa kecepatan tumbukan
tergantung pada arus yang diberikan sumber penguapan, bila arus yang
berbentuk lapisan. Kalaupun terbentuk lapisan pada substrat tersebut,
lapisan tersebut tidak kuat atau kurang baik karena daya melekatnya kecil.
Tetapi sebaliknya bila arus yang diberikan besar maka kecepatan
tumbukannya juga besar sehingga atom-atom bahan pelapis menempel kuat
pada substrat dan terbentuklah lapisan tipis yang baik.
2.3 Sistem Vakum
Pembuatan lapisan tipis dengan cara penguapan sebenarnya dapat
dilakukan di ruang terbuka, tetapi pertumbuhan lapisan tipis yang dihasilkan
tidak bagus, karena pada saat pembuatan banyak gas-gas atau
molekul-molekul lain yang ikut andil didalamnya. Oleh karena itu untuk mengurangi
molekul-molekul yang mempengaruhinya maka pembuatan lapisan tipis
dilakukan dalam ruang vakum.
Keadaan vakum berarti adalah dimana suatu ruangan yang
mempunyai kerapatan gas di dalamnya sangat rendah. Suatu keadaan
vakum tidak dapat dilihat langsung dengan mata, karena pengisi ruangannya
berupa gas. Untuk mengetahui tingkat kevakuman, biasanya dengan
mengukur tekanannya. Dari teori kinetik gas ditunjukkan bahwa besar
tekanan gas adalah (Yahya, 1995)
P = ½ n m v
2………(1)
dimana :
P = tekanan
m = massa satu molekul gas
v = kecepatan rata-rata
Dari hubungan di atas dapat dilihat bahwa besarnya tekanan
sebanding dengan banyaknya partikel atau molekul gas. Jadi semakin kecil
tekanan, molekul gas juga semakin kecil, sehingga tingkat kevakuman
semakin tinggi. Dalam satuan internasional (SI) satuan tekanan dinyatakan
dalam pascal (Pa) atau Newton/m
2. Dalam teknologi vakum lebih banyak
digunakan satuan Torr/mmHg dan mbar.
2.3.1
Tingkat Kevakuman
Keadaan vakum dapat membuat tekanan dalam suatu sistem menjadi
jauh dibawah tekanan atmosfir, sehingga molekul-molekul gas letaknya
saling berjauhan. Ini berarti jarak bebas rata-ratanya sangat panjang dan
aliran gas tidak dipengaruhi lagi oleh kemungkinan tumbukan gas yang lain,
tetapi dipengaruhi oleh kemungkinan terjadinya tumbukan-tumbukan
molekul gas dengan dinding sistem vakum tersebut.
Kevakuman suatu sistem dapat diklasifikasikan menurut tingkat
kevakumannya yaitu (Suprapto,1998) :
a.
Vakum rendah mempunyai tekanan kira-kira sampai dengan 1 Torr.
b.
Vakum sedang mempunyai tekanan kira-kira 1 Torr sampai dengan 10
-3Torr.
c.
Vakum tinggi mempunyai tekanan lira-kira 10
-3Torr sampai dengan 10
-7d.
Vakum sangat tinggi mempunyai tekanan kira-kira 10
-7Torr sampai
dengan 10
-16Torr.
Berdasarkan cara menvakumkan sistem vakum (hampa), maka dapat
dibedakan sebagai berikut : sistem vakum statis dan sistem dinamis. Sistem
vakum statis yaitu suatu sistem vakum yang mana untuk mencapai
kevakuman tertentu dengan menvakumkan sistem tersebut sampai
kevakuman yang diinginkan kemudian ditutup/disumbat. Jadi sistem harus
bebas dari kebocoran dan hal-hal yang menyebabkan penurunan kevakuman.
Sebagai contoh sistem vakum statis adalah seperti thermos. Sedangkan
sistem vakum dinamis yaitu suatu sistem vakum yang mana untuk mencapai
kevakuman tertentu dengan menvakumkan sistem tersebut secara terus
menerus untuk mempertahankan tingkat kevakuman yang telah dicapai.
Sebagai contoh sistem vakum dinamis adalah : sistem coating, akselerator,
spektometer massa dan sebagainya.
Pada metode evaporasi, untuk melakukan proses penguapan pada
coatingnya tingkat kevakumannya sudah di atur minimal 10
-5Torr. Jika
tingkat kevakumannya kurang dari 10
-5Torr, maka proses penguapan belum
siap dilakukan karena masih ada partikel-partikel lain yang akan
mengganggu. Semakin tinggi tingkat kevakumannya maka lapisan tipis yang
dihasilkan akan semakin bagus. Proses evaporasi bisa dilakukan pada
tingkat kevakuman lebih tinggi dari 10
-5Torr, tetapi memerlukan waktu
2.3.2
Pompa Vakum
Untuk membuat ruang vakum dipermukaan bumi, usaha yang
dilakukan oleh manusia adalah dengan cara memompa keluar udara dari
suatu ruangan tertutup dengan pompa vakum. Telah diketahui bahwa vakum
merupakan sarana atau alat dalam melakukan suatu proses, oleh karena itu
tingkat kevakuman yang dibuat juga sesuai dengan kebutuhan. Agar
diperoleh kevakuman yang tinggi, maka diperlukan sistem vakum yang
terdiri dari sebuah pompa rotari dan pompa difusi. Tingkat kevakuman yang
dicapai oleh pompa rotari sekitar 10
-3Torr dan pompa difusi dapat mencapai
tingkat kevakuman hingga 10
-8Torr.
a. Pompa rotari
Proses penghampaan tingkat tinggi tidak dapat dilakukan secara
sekaligus, karena tidak ada pompa apapun yang dapat mencapai tingkat
kehampaan yang tinggi secara langsung. Untuk mencapai tingkat
kehampaan yang tinggi diperlukan pompa pendahuluan, dalam hal ini
digunakan pompa rotari.
Jenis pompa rotari yang dipakai adalah jenis mekanik katub sorong.
Bagian utama dari pompa rotari ini adalah stator dan rotor yang dapat
diputar dengan menggunakan sebuah motor listrik. Katub sorong dilengkapi
dengan sebuah pegas yang selalu menyinggung dinding stator dalam
putarannya dan berfungsi sebagai sket antara kedua ruang dalam rongga
stator. Bagian rotor akan menggerakkan dan menghisap udara keluar dari
Prinsip kerja pompa rotari ini adalah sebagai berikut : mula-mula
udara dihisap dari ruang yang akan divakumkan oleh katub sorong (Gambar
2-2.a) . Pegas dari rotor menekan katub sorong kedinding bejana (stator),
sehingga merupakan penyekat antara ruang vakum dan udara yang akan
dibuang (Gambar 2-2.b). Udara yang dihisap akan dikeluarkan melalui
saluran keluar yang sempit. Karena tekanan udara yang akan dibuang
semakin besar, maka katub saluran pembuang akan terbuka sehingga udara
bisa keluar (Gambar 2-2.c).
Sistem vakum
katub
(a) (b) (c)
Gambar 2.2. Prinsip kerja pompa rotari : a) penghisapan udara. b) pemampatan udara.
c) pengeluaran udara
Pompa rotari dapat dioperasikan mulai dari tekanan udara luar
sampai dengan vakum rendah sekitar 10
-3Torr. Sedangkan pada vakum
tinggi pompa rotari berfungsi sebagai pompa depan, yaitu pompa yang
b. Pompa difusi
Pompa difusi untuk mencapai tingkat kehampaan yang tinggi,
bekerja jika telah dicapai keadaan vakum pendahuluan kurang lebih 10
-2Torr. Penampang pompa difusi ditunjukkan pada Gambar 2-3. Pada pompa
difusi ini minyak difusi ditempatkan di bagian bawah (bejana didih). Pada
ujung cerobong atas ditutup dengan suatu bentuk payung dan membentuk
celah yang disebut nozle.
Prinsip kerja pompa difusi dapat dijelaskan sebagai berikut : Minyak
dalam bejana diuapkan dengan pemanasan filamen listrik. Minyak yang
diuapkan oleh pemanas ini akan melalui cerobong dan dengan adanya celah
yang sempit maka uap akan mempunyai kecepatan yang besar sehingga uap
akan terpancar ketika keluar dari celah tersebut. Uap yang terpancar itu akan
mengenai dinding yang didinginkan, karena pengaruh dari pendinginan uap
yang terpancar ini akan mengembun dan mengalir kembali ke bejana didih.
Bersamaan dengan terpancarnya uap dari celah ke dinding, molekul-molekul
uap membawa serta molekul-molekul udara sehingga kekosongan molekul
udara pada lintasan semprotan akan terisi oleh molekul-molekul udara di
atas tabir uap. Molekul-molekul udara di bawah tabir uap akan terisap oleh
pompa pravakum sehingga kedudukkannya digantikan oleh
molekul-molekul udara yang berada di atas tabir uap. Proses ini berlangsung terus
sehingga terjadi aliran molekul-molekul udara dari atas ke bawah melintasi
Untuk mengoperasikan pompa difusi diperlukan pompa pravakum
yaitu pompa rotari yang dihubungkan dengan saluran keluar. Pompa rotari
ini berfungsi sebagai pompa depan, yaitu mengeluarkan gas dari pompa
difusi. Tanpa pompa depan ini, pompa difusi tidak dapat berfungsi karena
tidak dapat mengeluarkan gas yang telah terdifusi. Pompa rotari inilah yang
membuat berfungsinya pompa utama (pompa difusi). Agar kevakuman akhir
yang dapat dicapai oleh pompa difusi bisa lebih tinggi, maka pompa difusi
biasanya dibuat bertingkat, seperti yang ditunjukan pada Gambar 2-3.b.
pendingin
reservoir minyak sistem vakum
nozzle pendingin
uap minyak
minyak filamen
celah keluaran ke pompa rotari
filamen celah keluaran ke
pompa rotari
sistem vakum
payung
payung nozzle
(a) (b)
2.4 Pembentukan Lapisan Tipis
Pada tekanan yang sesuai untuk penguapan, uap bahan pelapis dalam
bentuk atom-atom datang dan menempel pada substrat yang skemanya
seperti ditunjukkan pada Gambar 2-4.a. Apabila atom-atom yang datang itu
menghampiri substrat, atom-atom tersebut akan mengalami medan gaya dari
permukaan substrat.
Kondensasi permulaan dari bahan pelapis adalah dengan
terbentuknya lapisan (adsorpsi) dari atom-atom evaporasi pada permukaan
substrat. Pada permukaan substrat terdapat beribu-ribu “
adsorption site
”.
Pada setiap “
adsorption site
” ini atom yang datang akan terikat dengan
energi adsorpsi tertentu. Energi adsorpsi adalah daya tarik menarik antara
atom yang diadsorp dengan substrat.
Atom-atom yang sudah tertanam dalam
“adsorption site”
ada
kemungkinan untuk meninggalkan permukaan substrat kembali
(reevaporasi). Untuk reevaporasi diperlukan energi yang sama besar dengan
energi adsorpsi. Selain reevaporasi, atom-atom itu kemungkinan berpindah
tempat atau melompat ke
“adsorption site”
lain yang berdekatan (Gambar
2-4.b). Energi yang diperlukan untuk berpindah tempat atau melompat ini
disebut energi difusi permukaan, dimana energi ini lebih kecil dari pada
energi adsorpsi.
Atom-atom yang berpindah tempat tersebut kemungkinan akan
mengalami tumbukan sehingga membentuk pasangan ikatan atom (Gambar
menjadi atom tunggal lagi atau bergabung dengan atom lainnya, sehingga
membentuk gabungan tiga atom yang lebih stabil dibandingkan gabungan
dua atom dan sangat kecil kemungkinan untuk terevaporasi. Selanjutnya
akan terbentuk gabungan empat atom yang lebih stabil, kemudian terbentuk
gabungan lima atom dan seterusnya. Atom-atom yang bergabung menjadi
satu kelompok ini kemudian membentuk kelompok-kelompok yang disebut
“pulau”. Dari pulau yang kecil ini akan terbentuk pulau-pulau yang terus
bertambah menjadi pulau yang lebih besar dan lebih stabil.
(d)
nukleasi
(a)
Atom mengenai
b
(b)
migrasi reevaporasi
(e)
growth stage
(c)
bertumbukan
(f)
perpaduan
Pembentukan pulau-pulau yang stabil dalam proses pertumbuhan
lapisan tipis ini dikenal dengan nama “nukleasi” (Gambar 2-4.d) yang
kemudian akan membentuk lapisan yang paling stabil. Dengan penambahan
atom-atom pada nukleasi menyebabkan nukleasi tersebut terus berkembang,
keadaan ini disebut dengan keadaan tumbuh atau
growth stage
(Gambar
2-4.e).
Deposit yang terus menerus menghasilkan pembesaran nukleus,
akhirnya nukleus-nukleus ini akan berpadu membentuk nukleus tunggal.
Keadaan ini disebut “
coalescence stage”
(Gambar 2-4.f)
.
Bila gaya tarik antara atom-atom dengan substrat (gaya adhesi) lebih
besar dari pada gaya tarik antara atom-atom uap bahan pelapis itu sendiri
(gaya kohesi), maka akan terbentuk lapisan yang seragam dan lapisan tipis
yang terbentuk akan tahan lebih lama. Sebaliknya bila gaya kohesi lebih
besar dari pada gaya adhesinya, akan terjadi lapisan yang bertimbunan tidak
merata dan lapisan tipis yang terbentuk tidak tahan lama. Akhirnya
pembesaran nukleus tunggal ini akan menghasilkan lapisan yang kontinu
dan terbentuklah suatu lapisan tipis.
Setelah terbentuk lapisan pada substrat, maka atom-atom bahan
pelapis yang datang ke substrat akan menumbuki atom-atom bahan pelapis
yang telah terdeposit pada permukaan substrat. Pada keadaan ini energi
ikatannya tinggi dan sedikit sekali kemungkinan terjadi refleksi atau
substrat dengan lapisan bahan teratas pada substrat sangat mempengaruhi
pelengketan dari lapisan itu.
2.5
Sifat Optik
Jika suatu cahaya dilewatkan pada suatu material, maka sebagian
cahaya tersebut akan dipantulkan, sebagian akan diserap, sebagian akan
diteruskan dan sebagian lagi akan disebarkan (Ohring, 1992 dalam Bakhtiar
Fahmi 2005 ). Yang secara matematis cahaya yang datang dapat dituliskan
dalam persamaan
I
0= R
e+ T + A
b+S = 100 % ……….(6)
dengan :
I
0= Intensitas cahaya datang
R
e= Cahaya yang dipantulkan
T = Cahaya yang diteruskan
A = Cahaya yang diserap
bS = Cahaya yang disebarkan
Hal ini menunjukan bahwa intensitas cahaya yang datang sama dengan
intensitas cahaya yang dipantulkan, diteruskan, diserap dan disebarkan.
2.5.1 Refraksi dan refleksi gelombang datar dan permukaan datar
Setiap gelombang yang sampai pada daerah batas, pada umumnya
mengalami refraksi dan refleksi secara serentak. Pada Gambar 2.5.a,
permukaan, sebagian lagi dibelokkan (dibiaskan) masuk kedalam air. Pada
Gambar 2.5.b, berkas datang digambarkan dengan sebuah garis lurus, sinar
datang sejajar dengan arah perambatan. Dianggap berkas datang (Gambar
2.5.b) adalah gelombang datar, dengan muka gelombangnya tegak lurus
terhadap sinar datang. Berkas yang dipantulkan dan yang dibiaskan juga
digambarkan dengan sinar-sinar. Sudut datang (
θ
1), sudut refleksi (
θ
1’) dan
sudut refraksi (
θ
1) diukur dari normal bidang batas ke sinar yang
bersangkutan seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2-5.
Sinar refraksi
air
muka gelombang
Sinar datang
udara
θ
1 θ’ 1Normal
Sinar refleksi
(a) (b)
Gambar 2.5. a. Gambar yang menunjukan refleksi dan refraksi pada permukaan batas
udara-air. b. Penggambaran dengan menggunakan sinar-sina
r (Haliday dan Resnick, 1984)
Berdasarkan eksperimen, diperoleh hukum mengenai refleksi dan
refraksi sebagai berikut (Haliday dan Resnick, 1984):
1.
Sinar yang direfleksikan dan yang direfraksi terletak pada satu bidang
yang dibentuk oleh sinar datang dan normal bidang batas di titik datang
2.
Sudut refleksi (
θ
1’) sama dengan sudut datang (
θ
1), untuk semua
panjang gelombang dan untuk setiap pasangan material.
θ
1'
=
θ
1 ……….………(7)Hubungan ini bersama-sama dengan pengamatan bahwa sinar datang
dan sinar yang direfleksikan dan garis normal terletak pada satu bidang,
dinamakan hukum refleksi.
3.
Rasio dari sinus sudut datang dan sinus sudut refraksi dimana kedua
sudut itu diukur dari normal terhadap permukaan sama dengan kebalikan
dari rasio kedua indeks bias refraksi
1 2
2 1
sin
sin
n
n
=
θ
θ
……….…(8)
Hasil eksperimen ini bersama-sama dengan pengamatan bahwa sinar
datang dan sinar yang direfraksikan dan normal terletak pada satu
bidang, dinamakan hukum refraksi atau hukum Snellius.
Indeks bias dalam suatu medium terhadap medium lain bukan hanya
bergantung pada zat tetapi juga pada panjang gelombang cahaya. Tidak
seperti halnya refleksi, berdasarkan pengamatan ini refraksi dapat digunakan
untuk menguraikan cahaya atas komponen-komponen panjang
gelombangnya.
2.5.2 Reflektansi, Transmitansi dan Absorbansi
Transmisi, absorpsi dan reflektansi suatu bahan dapat diukur dengan
digunakan untuk mengukur transmitansi, reflektansi dan absorbansi dari
suatu cuplikan sebagai fungsi dari panjang gelombang.
Dengan mengukur transmitanssi cahaya, reflektansi cahaya dan
absorbansi cahaya pada lapisan tipis, maka akan diperoleh informasi
transmitansi, reflektansi dan absorbansinya pada masing-masing lapisan.
Untuk sinar yang tegak lurus permukaan, besarnya koefisien refleksi dan
transmisi dari permukaan batas antara dua medium diberikan oleh
persamaan Fresnel berikut ini
2
0 0
)
(
n
n
n
n
R
s s
+
−
=
………...(12)
dan
2 0 0
)
(
4
n
n
n
n
T
s s
+
=
………...(13)
Sementara itu persamaan transmisi cahaya yang melalui suatu permukaan
udara-lapisan tipis-substrat menurut Broadsky (Hariyanto, dkk, 1997) adalah
)
}
)
1
(
{
1
)(
1
(
)
1
)(
1
)(
1
(
2 2 2 3 1 2 1 2
3 2
1
d d
e
R
R
R
R
R
R
e
R
R
R
T
αα
− −
−
+
−
−
−
−
−
=
………..(14)
dimana
2 2
1
)
1
(
)
1
(
+
−
=
f f
n
n
R
2 2
2
)
(
)
(
s f
s f
n
n
n
n
R
+
−
=
2 2
3
)
1
(
)
1
(
+
−
=
s s
Sedangkan hubungan antara reflektivitas total
udara-lapisan
tipis-substrat dengan indeks bias diberikan oleh persamaan
TR
s f
s f
T
n
n
n
n
n
n
R
0 2
0 2
+
−
=
……….(15)
dari persamaan (15) di peroleh persamaan (16) untuk mencari indeks bias
lapisan tipis yaitu:
)
1
(
)
1
(
0
T T s f
R
R
n
n
n
−
+
=
………...(16)
dengan
1
R
= reflektivitas pada udara-lapisan tipis
2
R
= reflektivitas pada lapisan tipis-substrat
3
R
= reflektivitas pada substrat-udara
α
= koefisien serapan
f
n
= indeks bias lapisan tipis
s
n
= indeks bias substrat
0
n
= indeks bias udara
Dalam spektroskopi, besar penyerapan cahaya (absorbansi) dari
suatu kumpulan atom/molekul dinyatakan oleh Hukum Beer-Lambert.
Hukum Lambert menyatakan: apabila sinar monokromatis melalui suatu
medium yang tembus cahaya maka kecepatan berkurangnya intensitas
terhadap tebal medium sebanding dengan berkurangnya intensitas sinar
eksponensial sesuai dengan bertambahnya ketebalan medium penyerap.
Hukum Beer menyatakan bahwa absorbansi cahaya berbanding lurus dengan
ketebalan bahan/medium yang ditembusi oleh cahaya (Prasetiyo, 2006).
Dalam spektroskopi, absorbansi menyatakan perbandingan antara
cahaya yang diteruskan dengan cahaya datang, secara matematis dapat
ditulis (Banwell, 1983; Ngara, 2006)
)
(
log
I
I
0A
=
−
……….(17)
atau
)
(
log
I
0I
A
=
….………...(18)
dengan
I
adalah intensitas cahaya yang diteruskan ke dalam material,
adalah intensitas cahaya mula-mula. Intensitas cahaya yang diteruskan (
I
)
berubah secara eksponensial sebagai fungsi ketebalan material, yaitu
0I
)
exp(
0
d
I
I
=
−
α
sehingga
log
(
I
0I
)
=
α
d
, dengan
α
adalah koefisien
serapan dan
d
adalah ketebalan lapisan material. Hubungan antara
absorbansi, koefisien serapan dan ketebalan lapisan material dapat ditulis
d
A
=
α
………...(19)
Ketebalan dari suatu lapisan tipis dapat dihitung dengan pendekatan
persamaan berikut ini
l
p
W
d
ρ
0=
……….(20)
dimana
dengan
0
W
= berat aluminium yang terevaporasi
1
W
= berat substrat sebelum dilapisi
2
W
= berat substrat setelah dilapisi
d
= tebal lapisan tipis
ρ
= massa jenis aluminium
p
= panjang substrat
BAB III
METODOLOGI
PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan oktober 2006 sampai dengan
mei 2007.
a.
Proses deposisi atau penumbuhan lapisan tipis Al dilaksanakan di
laboratorium Bidang Teknologi Akselerator dan Fisika Nuklir,
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, Badan Tenaga
Nuklir Nasional (PTAPB-BATAN) Yogyakarta. Proses deposisi
lapisan tipis diawali dengan preparasi sampel, setelah selesai
preparasi sampel baru dilakukan proses deposisi.
b.
Karakterisasi sifat optik dari lapisan tipis Al dilaksanakan di
laboratorium Biologi UNS, menggunakan spektrofotometer
UV-VIS. Karakterisasi sifat optik lapisan tipis aluminium meliputi
reflektansi, transmitansi dan absorbansi.
3.2 Bahan dan Alat Penelitian
3.2.1 Bahan dan Alat untuk preparasi sampel
a.
Kaca preparat
(microcope slide)
sebagai substrat, yang berfungsi
sebagai tempat menempelnya bahan yang diuapkan.
b.
Aluminium yang berupa gulungan kawat dan berfungsi sebagai
c.
Pembersih (alkohol dan tissue), untuk membersihkan substrat.
d.
Timbangan jenis GR-202 (GR SERIES), berfungsi untuk
menimbang Al yang akan diuapkan.
e.
Gunting, berfungsi untuk memotong Al.
f.
Pinset, berfungsi untuk mengambil Al dari timbangan.
g.
Plastik klip, sebagai tempat menyimpan target (Al) yang sudah
ditimbang.
3.2.2 Bahan dan Alat untuk pembuatan lapisan
a.
Substrat dan target yang telah dipreparasi.
b.
Seperangkat alat coating, sistem vakum dalam penelitian ini
digunakan unit “
Vaccum Coating E610 Edward”
.
c.
Tempat/wadah (kowi), yang berbentuk perahu sebagai tempat
bahan yang akan diuapkan.
3.2.3 Bahan dan Alat untuk karakterisasi sifat optik
a.
Sampel lapisan tipis.
b.
Seperangkat alat spektroskopi Vis jenis 1601 pc,
UV-visible Spectrophotometer Shimadzu.
3.3
Diagram alir penelitian
Mulai
Preparasi sampel
Proses
evaporasi
Karakterisasi sifat optik
Penulisan skripsi
Selesai
Tidak baik
3.4 Pelaksanaan Penelitian
3.4.1 Penyiapan substrat dan target
a.
Penyiapan substrat
Bahan untuk substrat adalah kaca preparat yang berbentuk
persegi panjang dengan ukuran panjang 7,6 cm, lebar 2,54 cm dan
tebal 0,1 cm. dalam penelitian ini substrat yang akan dilapisi harus
dalam keadaan bersih. Untuk membersihkan substrat menggunakan
tissue yang sudah dibasahi dengan alcohol.
b.
Penyiapan target
Target yang digunakan dalam penelitian ini adalah aluminium
yang masih berupa gulungan kawat. Sebelum melakukan penguapan
atau proses pelapisan, aluminium dipotong-potong kecil dan ditimbang
sesuai dengan yang diinginkan. Setelah ditimbang aluminium disimpan
di dalam plastik klip. Untuk mengambil aluminium dari timbangan
harus menggunakan pinset.
3.4.2 Pembuatan Lapisan Tipis Aluminium
Proses pelapisan dilakukan dengan tekanan sekitar 10
-5Torr. Substrat
yang akan dilapisi di letakkan pada penyangganya yang dapat diputar, di
atas bahan pelapis. Bahan pelapis atau target diletakkan di dalam wadah
(kowi) yang berbentuk perahu.
Proses pelapisannya, mula-mula tekanan di dalam ruang vakum
mencapai tekanan 10
-2Torr dan baru kemudian menghidupkan pompa difusi
atau pompa evaporasi sampai diperoleh tekanan 10
-5Torr. Selama operasi
atau selama proses deposisi pompa difusi tetap dihidupkan untuk
mempertahankan tingkat kevakuman. Setelah penghampaan sistem
mencapai 10
-5Torr, tegangan pada filamen penguap mulai dihidupkan
sampai filamen tersebut menyala. Arus pemanas harus dinaikkan sedikit
demi sedikit agar tidak terjadi loncatan-loncatan bahan pelapis karena
penguapan yang mendadak. Arus dinaikkan sampai seluruh bahan pelapis
mencair tetapi belum menguap. Setelah seluruh bahan pelapis mencair arus
dinaikkan lagi sehingga terjadi penguapan bahan pelapis hingga bahan
pelapis yang menguap tersebut menempel pada substrat.
3.4.3 Karakterisasi Lapisan Tipis
Karakterisasi sifat optik dilakukan dengan menggunakan
spektrometer UV-VIS. Jika cahaya dilewatkan pada suatu material atau
medium maka sebagian cahaya tersebut akan dipantulkan, diserap dan
sebagian lagi akan diteruskan. Pada prinsipnya spektroskopi UV-VIS ini
adalah membandingkan cuplikan dengan standar. Gambar 3 menunjukkan
D2 Lamp
Cell
A/D Converter A/D Converter Gain
Amp Monochromator
WI Lamp
L
am
p
lighting
L
am
p
switching
Wave length scan Filter swit
ching
CPU
Gain Change
Printer
Contr
o
l L
ine
Keyboard AT Compatible Personal Computer
SiPD Preamp
Sample Reference
CRT
Gambar 3. Sistem Elektrik UV-1601PC
Prinsip kerja alat spektrofotometer UV-VIS yaitu : sumber cahaya
dipancarkan dari lampu deuterium atau lampu halogen. Sumber cahaya
dapat diatur secara otomatis tergantung pada jenis bahan. Lampu deuterium
memancarkan cahaya dengan panjang gelombang 190 nm – 340 nm,
sedangkan lampu halogen memancarkan cahaya dengan panjang gelombang
340 nm – 1200 nm. Pada penelitian ini dilakukan pada daerah panjang
gelombang antara 400 nm – 900 nm, sehingga sumber cahaya yang
digunakan hanya cahaya yang dipancarkan dari lampu halogen. Berkas
cahaya yang melewati monokromator akan dipecah menjadi dua berkas,
yaitu berkas sampel dan berkas acuan (
reference
). Monokromator berfungsi
memilih panjang gelombang berkas sinar yang mengenai detector.
Monokromator terdiri dari celah masuk dan keluar, cermin penyejajar,kisi
sebagai pengurai sinar dan cermin pemfokus. Sumber cahaya yang
dipancarkan masuk melewati celah menuju cermin penyejajar. Oleh cermin
tersebut berkas cahaya disejajarkan, kemudian masuk kedalam pengurai
yang berupa kisi, lalu menuju ke cermin pemfokus dan terjadilah penguraian
sinar menjadi spektrum sinar dengan berbagai panjang gelombang. Berkas
sampel dan berkas acuan dideteksi oleh photodiode silikon yang kemudian
dimasukkan ke
pre-amplifier
dan diatur oleh
gain amplifier
. Sinyal menuju
pengubah A/D dan dibaca oleh
microprocessor
. Komputer kemudian akan
menghitung perbandingan sinyal sampel terhadap sinyal acuan utnuk
memperoleh nilai transmitansi, reflektansi dan absorbansi sebagai fungsi
panjang gelombang.
Sifat optik yang diuji adalah absorbansi, transmitansi dan reflektansi.
Karakt
t sampel.
eter UV-VIS.
erisasi sifat optik tersebut menggunakan spektrofotometer UV-VIS
1601 Shimadzu. Data yang diperoleh dari alat ini berupa nilai transmitansi,
reflektansi dan absorbansi utnuk setiap panjang gelombang tertentu. Nilai
yang didapat merupakan perbandingan antara cuplikan dan standar. Standar
yang digunakan adalah kaca preparat. Ada pun tahapan pelaksanaan
pengukurannya adalah sebagai berikut :
1)
Menyiapkan sampel.
2)
Membersihkan tempa
4)
Mengeset UV-VIS pada fungsi uji.
5)
Menentukan panjang gelombang.
6)
Memasukan sampel pada tempat sampel.
ecara otomatis.
sampel yang lain.
.5 Metode Analisis Data
digunakan dalam penelitian ini adalah variasi
ketebal
an menggunakan spektrofotometer UV-VIS.
Dari h
7)
Tekan
enter
untuk memulai pengukuran s
8)
Mengamati hasil pengukuran.
9)
Mengulangi langkah 5-8 untuk
3
Parameter yang
an lapisan dan panjang gelombang. Ketebalan lapisan dicari dengan
menggunakan persamaan (20).
Analisis optik diuji deng
asil uji UV-VIS dapat dilihat hubungan reflektansi, transitansi dan
absorbansi dengan ketebalan lapisan. Setelah diperoleh data reflektansi,
transmitansi dan absorbansi dari lapisan tipis dapat ditentukan indeks bias
BAB IV
HASIL PENELIT
PEMBAHASAN
.1
Hasil Penelitian
Lapisan Tipis Al
ahan target dipotong dan ditimbang
beratny
kevaku
, diperoleh hasil seperti yang
tercant
Tabel 4.1 Hasil deposisi lapisan tipis
Cuplikan
B
akan dicoating
gram)
(gram)
(gram)
IAN DAN
4
4.1.1
Pembuatan
Sebelum proses evaporasi b
a sesuai dengan yang diinginkan. Bahan substrat sebelum dilapisi
juga ditimbang terlebih dahulu (
W
1). Untuk mengetahui berapa berat
aluminium yang menempel pada substrat (
W0
), maka substrat yang sudah
dilapisi ditimbang lagi (
W
2). Berat aluminium yang menempel pada substrat
(
W
0), dapat dicari dengan menggunakan persamaan (21) yaitu
W
0=
W2
–
W1.
Proses evaporasi dilakukan dalam ruang vakum pada tingkat
man 1,1.10
-5Torr. Lama proses evaporasi adalah 2 – 3 jam dan jarak
antara substrat dan target adalah ± 10,5 cm.
Dari deposisi yang telah dilakukan
um pada Tabel 4.1
erat Al yang
W
0W
1W
2(
(gram)
1 0,0311
0,0003
4,9642
4,9645
2 0,0404
0,0004
4,9278
4,9282
3 0,0571
0,0005
4,9258
4,9263
4.1.2
Karakterisasi Optik Lapisan Al Hasil Deposisi Menggunakan
digunakan untuk mengetahui
karakte
n antara reflektansi dengan panjang gelombang untuk
sing
Spektropotometer UV-VIS
Spektropotometer UV-VIS
risasi sifat optik dari suatu lapisan tipis yang terdeposisi pada
substrat kaca. Pada penelitian ini analisis yang dilakukan adalah analisis
karakterisasi sifat optik khususnya reflektansi, transmitansi dan absorbansi
cahaya dari lapisan tipi Al.
a. Reflektansi
Hubunga
ma
– masing ketebalan lapisan tipis Al dapat dilihat pada Grafik 4.1 –
Grafik 4.5
99.975 99.98 99.985 99.99 99.995 100 100.005
350 450 550 650 750 850 950
Panjang gelom bang (nm )
R
ef
lekt
an
si (
%
)
standar reflektansi
Gambar 4.1 Grafik hubungan antara reflektansi
R
dengan panjang gelom
λ
untuk kaca biasa (standar)
0 2 4 6 8 10
350 450 550 650 750 850 950
Panjang gelom bang (nm )
R
e
fl
e
k
ta
ns
i (%
)
d = 57,40752 nm
Gambar 4.2 Grafik hubungan antara reflektansi
R
dengan panjang gelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 57,40752 nm
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
350 450 550 650 750 850 950
Panjang gelom bang (nm )
R
ef
lekt
an
si
(
%
)
d = 76,54336 nm
Gambar 4.3 Grafik hubungan antara reflektansi
R
dengan panjang gelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 76,54336 nm
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
350 450 550 650 750 850 950
Panjang Gelom bang (nm )
R
e
fl
e
k
ta
ns
i (%
)
d = 95,6792 nm
Gambar 4.4 Grafik hubungan antara reflektansi
R
dengan panjang gelombang
λ
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
350 450 550 650 750 850 950
Panjang Gelom bang (nm )
R
ef
lekt
an
si (
%
)
d = 114,815 nm
Gambar 4.5 Grafik hubungan antara reflektansi
R
dengan panjang gelombang
λ
untuk ketebalan lapisan 114,815 nm
Data reflektan