KARAKTERISTIK MORFOLOGI DAN OPTIK FILM TIPIS TiO2:Co
YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE MOCVD DI ATAS SUBSTRAT SILIKON
Iing Mustain
Jurusan pendidikan Fisika, Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung
ABSTRAK
Telah dilakukan karakterisasi film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan metode MOCVD di atas substrat silikon dengan temperatur penumbuhan yang bervariasi. Karakterisasi meliputi morfologi, karakteristik optik, kekristalan, dan sifat kemagnetan dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM), Photoluminescence (PL), X-Ray diffractometer (XRD), dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Ha sil karakterisasi menunjukkan bahwa morfologi film sangat dipengaruhi oleh temperatur penumbuhan yang digunakan. Morfologi film
terbaik terjadi pada film yang ditumbuhkan dengan temperatur 450oC, yang
ditandai dengan butiran kristal yang tersebar merata dan kompak membentuk ketebalan film yang merata. Pola pertumbuhan butiran berbentuk kolumnar. Kehadiran atom-atom Co dalam film ditandai dengan adanya pergeseran nilai celah pita energi dari celah pita energi bahan dasarnya TiO2. Sampel film
TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan temperatur penumbuhan 450oC memiliki
orientasi kristal tunggal dengan struktur kristal anatase pada bidang (213). Film ini menunjukkan sifat ferromagnetik yang tergolong bahan magnet lunak (soft magnetic) yang ditandai dengan nilai koersifitas sekitar 100 Oersted.
Kata kunci: Morfologi, Opik, MOCVD, TiO2:Co, temperatur penumbuhan
PENDAHULUAN
Adanya kendala dalam transport listrik pada sistem persambungan semikonduktor/sumber spin (logam feromagnetik) pada struktur piranti spintronik merupakan salah satu alasan dikembangkannya semikonduktor magnetik yang dikenal dengan Dilute Magnetic Semiconductor (DMS) sebagai pengganti bahan logam feromagnetik. Dengan menggunakan DMS, maka sistem persambungan semikonduktor/sumber spin (DMS) pada piranti spintronik akan memiliki kualitas baik karena keduanya sama-sama merupakan bahan semikonduktor sehingga akan memiliki konduktivitas listrik yang hampir sama. Dengan hampir samanya nilai konduktivitas listrik antara bahan semikonduktor dan bahan sumber spin, maka nilai efisiensi injeksi arus spin dari sumber spin dapat ditingkatkan, bahkan hingga nilai optimumnya (Flederling, R., 1999; Chambers, S. A., 2003)
Pencarian bahan baru untuk kepentingan ini terus dilakukan, dan akhir- akhir ini bahan semikonduktor oksida TiO2 yang didadah unsure Cobalt (TiO2:Co)
ditemukan menunjukkan sifat feromagnetisme pada temperatur ruang (Matsumoto, Y., 2001). Tentunya penemuan ini memberikan kemajuan yang signifikan dalam pengembangan bahan DMS selanjutnya.
Sifat fisis bahan TiO2:Co dalam bentuk film tipis sangat dipengaruhi oleh
metode dan kondisi penumbuhannya. Film TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan
metode PLD (pulsed laser deposition) pada tekanan parsial tinggi (>10-6 Torr) tidak menunjukka efek anomali, sementara penumbuhan pada tekanan parsial yang lebih rendah menghasilkan film dengan kekosongan oksigen tinggi, yang dapat menyebabkan peningkatan nilai resistivitas bahan (Hong, N. H., 2003). Penumbuhan film TiO2:Co dengan MBE (molecular beam epitaxy) menghasilkan
kluster-kluster logam Co yang berukuran beberapa puluh nanometer yang menghasilkan pulau-pulau berkonduktivitas listrik tinggi (Yang, J. S., 2003).
Salah satu metode penumbuhan film tipis semikonduktor yang akhir-akhir ini banyak dipergunakan adalah MOCVD (metalorganic chemical vapor
deposition). Metode ini memiliki beberapa keunggulan terutama dalam hal
menghasilkan film yang memiliki ketebalan merata dan sangat tipis, bahkan hanya beberapa monolayer saja, kemudahan dalam pengaturan persen dadahan, dan kemudahan dalam penumbuhan struktur multilapisan. Sehingga dengan menggunakan MOCVD, persen dadahan Co pada semikonduktor TiO2 akan
sangat mudah dikontrol. Parameter kunci dalam penumbuhan bahan semikonduktor dengan MOCVD adalah temperatur penumbuhan, laju alir sumber2- sumber metalorganik, dan tekanan reaktor (Razeghi, M., 1995)
Dalam makalah ini dipaparkan tentang kebergantungan karakteristik film tipis
TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan MOCVD terhadap temperatur penumbuhan.
Karakteristik film TiO2:Co yang ditinjau meliputi karakteristik kekristalan,
morfologi, sifat optik dan respon magnetiknya.
METODE PENDEKATAN
Film tipis TiO2:Co ditumbuhkan dengan metode MOCVD di atas substrat
silicon (100) dengan metode MOCVD vertikal, menggunakan parameter penumbuhan seperti ditunjukkan pada tabel 1. Sumber metalorganik yang digunakan adalah Cairan Titanium (IV) Isoproxide [Ti{OCH(CH3)2}4] 99,99 %
dan serbuk Tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5 heptanedionato) cobalt (III), Co(TMHD)3
99%, dan gas oksigen sebagai sumber O. Serbuk Co(TMHD)3 dilarutkan dalam
pelarut Tetrahydrofuran (THF,C4H8O) dengan konsentrasi 0,2 mol per liter. Hasil
larutan dan bahan cair Ti{OCH(CH3)2}4 kemudian dicampur dengan
perbandingan tertentu dan kemudian dimasukkan ke dalam bubbler yang dihubungkan dengan ruang reaksi dengan sistem pempipaan. Bubbler dipanaskan untuk menguapkan bahan. Uap bahan dialirkan dari bubbler ke ruang reaksi dengan dibonceng oleh gas Argon (Ar). Tekanan uap dalam bubbler dikendalikan dengan suatu katup pengendali. Tekanan awal ruang reaksi divakum hingga 10-2 Torr. Gas O2 dilairkan ke ruang reaksi ketika proses penumbuhan berlangsung.
Tabel 1. Parameter penumbuhan film tipis TiO2:Co diatas substrat silikon
Parameter deposisi penumbuhan
Sampel
#1 #2 #3 #4
Temperatur penumbuhan 400 oC 450 oC 500 oC 550 oC
Temperatur bubbler (Tb) 50 oC 50 oC 50 oC 50 oC
Tekanan uap bahan campuran (Pb) 260 Torr 260 Torr 260 Torr 260 Torr
Laju aliran gas O2 60 sccm 60 sccm 60 sccm 60 sccm
Laju aliran gas Ar 100
sccm
100 sccm
100 sccm
100 sccm
Tekanan total penumbuhan (PT) 2 Torr 2 Torr 2 Torr 2 Torr
Waktu penumbuhan 2 jam 2 jam 2 jam 2 jam
Karakteristik kekristalan film diinvestigasi dari pola difraksi sinar-X hasil karakterisasi XRD (X-ray diffractometer) menggunakan radiasi Cu Kα (λ = 1,54056 A) merek Philips tipe PW3710. Ketebalan dan morfologi permukaan film dianalisis dari hasil pencitraan SEM (scanning electron microscope) tipe Jeol JSM 6360LA. Sifat optik diwakili oleh nilai celah pita energi optik bahan yang ditentukan berdasarkan hasil pengukuran PL (photoluminescence), dan sifat magnetic film diuji dengan sistem VSM (vibrating sample magnetometer).
MFC
Pencampur Gas
Jalur pipa
Yang dipanaskan MFC
Jarum Katup
Manometer
Heater
Ti,Co Ar O2
Katup Throttle
Filter
Pompa Rotary Bubbler
Pompa Root Blower
Gambar 1. Skema reaktor MOCVD vertikal
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari hasil penumbuhan film tipis TiO2:Co dengan metode MOCVD diatas
[image:3.596.127.526.386.640.2]dengan masing-masing temperatur penumbuhan 400oC, 450 oC, 500 oC, dan 550 oC.
Morfologi film tipis TiO2:Co untuk masing-masing temperatur
penumbuhan ditunjukkan oleh gambar 2. Dari keempat bentuk morfologi film TiO2:Co, sampel yang ditumbuhkan dengan temperatur penumbuhan 450 oC
memiliki morfologi paling baik yang ditandai dengan ketebalan film yang seragam, batas butiran kristal tampak jelas dan pola pertumbuhan yang membentuk kolumnar, serta butiran-butiran kristal tersebar dengan sangat rapat tanpa membentuk pori.
(a) (b)
[image:4.596.137.460.235.456.2](c) (d)
Gambar 2. Potret SEM penampang lintang film tipis TiO2:Co yang
ditumbuhkan pada masing-masing temperatur (a) 400 0C, (b) 450
0
C, (c) 500 0C, (d) 550 0C
Karakeristik optik film tipis TiO2:Co ditunjukkan oleh gambar 3. Dari
gambar tersebut dapat dilihat bahwa keempat sampel film tipis TiO2:Co yang
ditumbuhkan memiliki karakteristik optik yang relatif sama. Puncak intensitas PL terjadi pada panjang gelombang 4440 Å, besar panjang gelombang ini bersesuaian dengan nilai celah pita (Eg) sekitar 2.79 eV. Masuknya Co pada matriks TiO2
telah memperkecil nilai celah pita energi basisnya (TiO2) yang bernilai sekitar
3,10 eV. Hasil karakteristik optik ini dapat dipastikan bahwa film TiO2:Co telah
terbentuk. Dari hasil ini juga tampak bahwa variasi temperatur penumbuhan tidak mempengaruhi nilai Eg bahan.
Pola difraksi sinar-x dari sampel film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan
M (x 1 0 3)( e m u /c m 3) In te n s it as ( a .u ) In te n s it y (a .u .)
bentuk butiran penyusun film yang secara umum seragam. Dengan tumbuhnya struktur kristal anatase, sangat menguntungkan dari segi kepemilikikan mobilitas pembawa muatan yang lebuh tinggi jika disbanding dengan struktur rutile.
[image:5.596.122.510.140.359.2](d)
Grafik PL Film Tipis TiO2 :Co
Si (400)
(c)
(b) A(213)
(a)
4000 4500 5000 5500 6000
Panjang Gelombang (Angstrom)
Gambar 3. Grafik intensitas PL (a.u) terhadap panjang gelom-bang (Å) untuk setiap sampel yang ditumbuhkan pada temperatur penum-buhan : (a) 400oC, (b) 450oC, (c) 500 oC, dan (d) 550 oC
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
2 Theta (derajat)
Gambar 4. Pola XRD film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan
pada temperatur 450oC
Hasil pengujian sifat kemagnetan film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan
pada temperatur 450oC ditunjukkan dengan kurva histerisis magnetisasi pada gambar 5. Dari kurva histerisis magnetisasi tersebut dapat ditentukan medan koersif sekitar 100 Oe, magnetisasi remanen sekitar 350 emu/cm3 dan faktor demagnetisasi nya sekitar 0.394. Berdasarkan nilai-nilai karakteristik kemagnetan ini, maka film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan tergolong pada magnet lunak (soft
magnetic). Munculnya sifat kemagnetan bahan ini sekali lagi menunjukkan bahwa
unsur magnetik Co telah masuk pada matrik TiO2, karena awalnya bahan TiO2 ini
bukan merupakan bahan magnetik. 7
3 2 1 0 -1 -2 -3
-12 -8 -4 0 4 8 12
H (x103 )(O e) 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10
-3 -2 -1 0 1 2 3
H ( x10 2 ) ( O e )
Gambar 5. Kurva Histerisis Magnetisasi Antara Medan koersif (Hc) Terhadap
Magnetisasi Remanen (Mr) Pada Film Tipis TiO2:Co Yang
Ditumbuhkan Pada Temperatur 450oC.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil analisis data yang diperoleh dari berbagai hasil
karakterisasi bahan TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan MOCVD pada
[image:5.596.113.454.509.626.2]1. Karakteristik film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan metode MOCVD
secara umum dipengaruhi oleh temperatur penumbuhan yang digunakan. Morfologi film tipis terbaik terjadi pada sampel yang ditumbuhkan dengan temperatur penumbuhan 450 OC.
2. Pergeseran nilai pita energi TiO2:Co dari celah pita energi bahan dasarnya
TiO2 menunjukkan bahwa atom Co telah terinkorporasi kedalam matrik TiO2.
Variasi temperatur penumbuhan tidak mempengaruhi nilai celah pita energi optik bahan secara signifikan.
3. Struktur kekristalan film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan temperatur
penumbuhan 450oC adalah anatase dengan orietasi kristal tunggal pada bidang (213). Film ini menunjukkan sifat feromagnetik yang tergolong magnet lunak (soft magnetic), yang ditandai dengan nilai medan koersifnya sekitar 100 Oe.
DAFTAR PUSTAKA
Flederling, R., Keim, M., Reuscher, G., Ossau, W., Schmidt, G., Waag, A., & Molenkamp, L. W., Injection and detection of a spin-polarized current in
a light-emitting diode, Nature 402, 788 (1999)
Chamber, S. A., & Yoo, Y, K., New materials for spintronic, MRS Bulettin 28, 706 (2003)
Hong, N. H., Sakai, J., Prellier, W., & Hassini, A., Co distribution in
ferromagnetic rutile Co-doped TiO2 thin film grown by laser ablation on
silicon substrate, Appl. Phys. Lett. 83, 3129 (2003)
Matsumoto, Y., Murakami, M., Shono, T., Hasegawa, T., Fukumura, T., Kawasaki, M., Ahmet, P., Chikyow, T., Koshihara, s., & Koinuma, H., Room-temperature ferromagnetism in transparent transition metal-doped titanium dioxide, Science 291, 854 (2001)
Ohno, Y., Young, D. K., Beschoten, B., matsukura, F., Ohno, H., & Awschalom, D. D., Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor
heterostructure, Nature 402, 790 (1999)
Razeghi, M., “ The MOCVD Challenge Volume 2: A Survey of GaInAsP-GaAs for photonic and electronic device application,” Institute of Physics Publishing , pp. 29-42, Philadelphia, Pennsylvania (1995)
Yang, J. S., Kim, D. H., Bu, S. D., Noh, T. W., Park, S. H., Khim, Z. G., Lyo, I. W., & Oh, S. J., Surface structures of a Co-doped anatase TiO2 (001) film
