PENENTUAN TETAPAN KOPLING ELEKTROMEKANIK LAPISAN TIPIS ZoO UNTUK ARAH SEJAJAR PERMUKAAN

(1)

ISSN 0216 -3128

Suryadi,

dkk.

39

PENENTUAN

TETAPAN

KOPLING

ELEKTROMEKANIK

LAPISAN TIPIS ZoO UNTUK ARAH SEJAJAR PERMUKAAN

Suryadi, Widdi Usada, Wirjoadi, Tono Wibowo

P3TM -BATAN

ABSTRAK

PENENTUAN TETAPAN KOPLING ELEKTROMEKANIK LAPISAN TIPIS2nO UNTUK ARAH SElAJAR PERMUKAAN. Telah dilakukan pembuatan.lapisan tipis 2nO pada substrat gelas dengan mengunakan

metode sputtering. Hasil yang didapat menunjukkan. lapisan yang didapat mempunyai orientasi sumbu c tegak lurus permukaan.Ditunjukkan dengan teramatinya puncak (002) yang sangat dominan pada kurva XRD. Telah pula diukur tetapan kopling elektromekaniknya, dengan nilai rerata 0,44 :1:0,08.

ABSTRACT

DETERMINATION OF THE ELECTROMECHANICAL CONSTANT OF 2nO THIN FILM FOR THE PARALLEL DIRECTION TO THE SURFACE. 2nO thinfilm on glass substrate by sputtering methods has been made. Result shown that the thin film had orientation of C axis perpendicular to the surface as indicated by the (002) peak of XRD. The electromechanical coupling constant had also been measured with the average value of 0.44 .:to.OB.

PENDAHULUAN

yang dicangkokkan), sehingga dapat digunakan

sebagai filter gelombang elektromagnet

3. Oalam bentuk kristal, ZnO mempunyai tahanan listrik yamg tidak linear, sehingga dapat digunakan sebagai varistor.

Oi dalam makalah ini akan ditentukan tetapan kopling elektromekanik pada arah sejajar pennukaan lapisan tipis.

TATA KERJA

Pers;apan Substrat

Subtrat dibuat dari bahan gelas preparat yang dipotong-potong dengan ukuran I cm x 2 cm. Substrat tersebut dicuci dengan deterjen dan alkohol menggunakan ultrasonic cleaner, ditimbang dan kemudian dimasukan dalam pembungkus plastik.

L aPisan padat tipis (thin solid film) dengan ketebalan beberapa mikr.on, pada saat ini telah

menjangkau semua bidang kehidupan dan makin banyak diteliti orang. Sekarang bahan lapisan tipis secara luas telah digunakan untuk membuat piranti elektronika, sel surya, lapisan tip is superkonduktor. Seorang pakar dari Amerika Ohring pemah mengungkapkan tentang pentingnya teknologi lapisan tipis sebagai berikut<I), Thin film science and technology play a crucial role in the high-tech industries that will bear the main burden of future American Competitiveness. Sehingga tidaklah berkelebihan kiranya apabila teknologi lapisan tipis harus mulai dikembangkan di Indonesia dan diharapkan akan memegang peranan penting dalam

pengembangan industri di Indonesia.

Sain dan teknologi lapisan tip is merupakan bidang yang sangat luas cakupannya. Sebagai titik awal, maka dipelajari dan dilakukan pembuatan lapisan tip is ZnO dengen metode sputtering. Dipilih ZnO karena paduan ini memiliki sifat-sifat fisis yang sangat bermanfaat da\am dunia industri, antara lain;

Pembuatan Lapisan Tipis ZnO

Pembuatan iapisan tip is ZnO dilakukan menggunakan metode sputtering DC dengan skema peralatan seperti ditampilkan pada Gambar I. Target ZnO dipasang pada katode substrat diletakkan pada anode. Pada proses deposisi, jarak anode dan katode 2 cm., beda tegangan anode dan katode 2,5 kV, pendeposisian dilakukan dengan menggunakan beberapa macam target, ZnO, ZnO+AI.

Mempunyai faktor koplin"g elektromekanik yang sangat kuat, sehingga dapat digunakan sebagai tranduser ultrasonik.

Dapat mempunyai resistansi berjangkau cukup lebar (dengan memvariasi konsentrasi pengotor

Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Junl 2002

(2)

ISSN 0216-3128

Suryad;. dkk. 40 Sisrem Pr.nrllngln Matching Imp~danc~

Katup

~

-Variabel'-" I

'"

~

~augt

MfC

"'i~<~i~]:;j~)4"

Regul~lor

@

DC rRF

"

,--.

>4, Katup

\Utama f "=;='"

ru-

-=-I

Sistem PemaRas

.

_~ KaluP

---*

-lQj

Pompa Alltsri Pompa

""'"

Gambar 1. Skema

sistem

deposisi sputtering

Sebelum melakukan pengukuran, akan ditinjau kesetaraan (analogi) antara sistem mekanik dan sistem listrik. Hukum gerak dalam mekanik dapat dinyatakan,i2)

Bahan lapisan tipis yang telah dihasilkan dengan menggunakan teknik sputtering DC, dinalisis struktur mikro dan orientasi dari sumbu kristal dari lapisan tipis ZnO dilakukan masing-masing dengan menggunakan SEM daD XRD. Juga dilakukan pengukuran tegangan lapisan tipis sebagai fungsi frekuensi, dengan menggunakan generator fungsi. (1)

dv

F=mdi

d2x

d7

(2)

F=m

HASIL DAN PEMBAHASAN

_dx

V=""d"":;" (3)

Pertama akan ditinjau prinsip analog elekrtomekanik untuk menentukan tetapan kopling lapisan tip is ZnO, dan kemudian ditinjau hasil foto SEM dan XRD.

Suatu sistem mekanik yang bergetar (berubah secara harrnonis terhadap waktu), maka posisi dapat dinyatakan merupakan fungsi harrnonis da\am waktu

% = %0 fi"" ~4)

Pengukuran Kopling Elektromekanik

Pengukuran tetapan kopling dilakukan dengan mmggunakan metode resonansi. Yaitu dengan mengukur frekuensi resonansi dan anti resonansi lapisan tipis karena diberi tegangan bolak-balik dari luar. Tetapan elektromekanik lapisan tipis kemudian dicari dengan menggunakan cara analogi dinamik.

dx

dt

(5)

v =

= j{IJxej." '= voej." = j{IJx

Besaran mekanika yang lain kemudian dapat dinyatakan.

-Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

(3)

ISSN 0216-3128

41 Suryadi, dkk.

Persamaan gerak Newton dapat dituliskan dv

--

_{dt -,",Va}J"" e

j"'"

_{= jwv}

(6)

(7)

F = jmmv

Sistem elastis yang memenuhi hukum Hooke dapat

dinyatakan

(8)

F = kX

F=X

C

(9)

(10)

I

k=C

k dinamakan sebagai kekakuan (stiffness), sebagai

penambahan

gaya persatuan

panjang, sedangkan

C

dinamakan "Compliance", pertambahan panjang

persatuan

gaya.

Gabungan

dari persamaan

(5) dan (9), didapat :

--~

--Kopling elektromekanik menunjukkan kaitan antara gejala mekanik dan gejala listrik yang timbul sebagai sebab dan akibat dalam medium piezo-elektrik. Besaran kopling elektromekanik tidak dapat diukur secara langsung, tetapi dengan meng-amati akibat yang ditimbulkannya. Gejala resonansi dan anti resonansi hila cuplikan (lapisan tipis ZnO) diusik dengan suatu generator tegangan bo\ak-balik.

Mekanisme peristiwa resonansi anti reso-nansi dapat dimodelkan dengan suatu getaran mekanik atau dengan analogi rangkaian listrik. Dalam laporan ini telah dicoba dengan meng-gunakan pendekatan getaran mekanik dan kaitan antara gejala mekanik dan listrik pad a medium piezoelektrik. Persamaan getaran mekanik yang digunakan ialah persamaan getaran suatu dimensi. Da\am hat ini, hanya satu arah getar saja yang dipandang dominan.

Batasan ini berlaku untuk lapisan tip is yang mempunyai lebar dan tebal jauh lebih kecil dibanding dengan panjang cuplikan. Perubahan lebar dan tebal cuplikan, kalau ada dapat diabaikan.

Kaitannya gejala mekanik dan listrik dapat diyatakan(J.4)

(11) F=--;;- v

Di = L (8/}E) +d/j1}

(i,j = 1,2,3) (16)

Untuk sistem mekanik yang mempunyai gaya gesek,

maka

_{Si = ~ (}

_{d.. .E. + ST.} ) L.. /)) /))

(12)

F = rv

E = medan listrik

D = geser listrik (electric displacement)

T = stress

S = strain r dinamakan koefisien gesekan.

Oari hukum Ohm dapat dituliskan

(13)

v = j(J) Li

Kopling elektromekanik merupakan besaran yang menunjukkan perbandingan perubahan S (6S) dan perubahan E (/lE). Cuplikan mempunyai panjang yang jauh lebih besar dibanding lebar dan tebal, maka cuplikan dapat dianggap sebagai suatu batang. Akan dibedakan dua hal;

(14)

v = Ri

(15)

v=-j{J)C

Batang dengan medan listrik tegak lurus pad a panjang batang.

L induktansi; C kapasitansi; R resistan.

Dengan membandingkan persamaan (7), (11),'{12) dan (13-15) maka akan didapat kesetaraan (analogi)

-+ I

tan 2j;

(

;rIa

)

~

KZ -I

~

(18)

m-.L

Jika fa = fr + 6.f clan -7- = « I. maka

(4)

Rangkaian ekivalen lapisan tipis ZnO dapat

dinyatakan dengan rangkaian seri-paralel

RLC.

~

fr

(19)

Rl

Ll

Cl

rAv~r

-~-

-II-2.

Batang dengan medan listrik sejajar batang,

didapat

27£;

cot(fi)

K2 =£

(20)

-~I-Co

Konfigurasi pengukuran

impedansi

Gambar 4. Rangkaian ekivalen.

Co = kapasitan lapisan tipis

RI = menunjukkan kehilangan tenaga karena

gesekan

L 1 = menunjukkan kelembaman lapisan tipis CI = menunjukkan kebalikan dari kekakuan kristal

Gambar 2. Rangkaian untuk mengukur

tetap-an kop/ing e/ektromektetap-anik

pada

arah tegak.

Gambar 5. Kurva resonansi-anti

resonansi.

Rangkaian ekivalent tersebut mempunyai frekuensi resonansi (fr) dan anti resonansi (fa). Dengan mengetahui kurva hubungan antara

frekuensi dan admitansi (seperimpedansi) sistem, maka dapat ditentukan frekuensi resonansi, serta anti resonansinya(5).

Gambar 3. Diagram untuk pengukuran

tetap-an kopling untuk arah

longi-tudinal.

Gambar 2 menunjukkan rangkaian untuk tetapan kopling elektromekanik pada arah tegak lurus permukaan lapisan tip is. Pada Gambar 3 ditunjukkan diagram untuk pengukuran tetapan kopling pada arah longitudinal. L, lapisan tipis ZoO,

K, penjepit S, sumber tegangan RF, pada diagram tidak ditunjukkan alat ukur arus daD tegangan (digunakan osiloskop).

1

fr = 21f~

₍₂₁

(22)

Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

(5)

=-..Q

Gambar 6. Hubungan

antarafrekuensi dan impedansi.

1200 1- R-5a Kohm =;l I~R=3.5 Mohm II 0 40 42 44 46 48 50 51 52 54 56 58 60 62 64 66

frequensi

(MHz)

800

~

..Q 600 400 200

Gambar 7. Hubungan antarafrekuensi dan impedansi

memastikan titik resonansi dan anti resonansinya. Dalam penelitian ini hanya diukur frekuensi resonansi dan anti resonansi pada arah sejajar permukaan, karena kegagalan dalam pembuatan lapisan multi-layer dengan menggunakan cara sputtering, karena lapisan tip is yang dihasilkan menunjukkan adanya hubungan singkat antara penghantar dibawah lapisan ZoO dengan lapisan logam di atas ZoO.

Berdasar kurva resonansi dapat ditentukan tetapan kopling elektromagnet. Tabel 1 menun-jukkan hasil perhitungan faktor kopling dari

beberapa cuplikan.

Kurva hubungan frekuensi daD impedansi hasil pengukuran sangat berbeda dengan kurva teoritisnya. Hal ini disebabkan karena, sambungan antara lapisan tipis dengan alat ukur sangat resistif (besaran R sangat dominan), selain itu pengaturan frekuensi diatur secara manual sehingga sangat sulit

Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Peneiitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

(6)

Ada satu cuplikan dengan pengotor AI (Gambar. 8), temyata ada satu puncak resonansi pada frekuensi 30 MHz. Hal ini mungkin disebabkan adanya sumbangan dari elektron dari AI.

Foto SEM dibuat untuk dua lapisan tipis ZnO dengan bahan ZnO mumi llan bahan ZnO yang

didoping AI. Untuk bahan ZnO murni menghasilkan lapisan yang lebih tebal dan butiran yang lebih besar dibandingkan dengan bahan ZnO yang didoping AI seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 dan Gambar 10.

Gambar 9;. Hasi/ Photo SEM keteba/an /apisan tipis ZnO dengan bahan target ZnO murni dengan perbesaran 6000 ka/i.

Prosidlng Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

(7)

Suryadi,

dkk.

_{ISSN 0216-3128}

4i"

Gambar 10. Hasil Photo SEM ketebalan

lapisan tipis ZnD dengan bahan

target ZnD yang dido ping Al dengan

per-besaran

6000 kali.

Dengan menggunakan target ZnO+AI, didapat butiran yang lebih kecil, mengakibatkan resistansi lapisan tipis mengecil.

Hasil XRD menunjukkan lap[san tipis ZnD yang dihasilkan selalu menunjukkan orientasi sumbu C yang tegak lurus permukaan, sesuai dengan hasil yang ditunjukkan pada Gambar 13.

Gambar II. Slruklur mikro /apisan lipis 2nO dengan bahan target 2nO murni dengan perbesaran 6000 kG/i.

Prosldlng Pertemuan dan Presentasl IImiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

(8)

Gambar 12. Struktur mikro lapisan tipiS' ZnO dengan bahan target ZnO yang dido ping Al dengan perbesaran 10000 kali.

Gambar 13. Struktur kristallapisan tipis ZnD, hasil XRD.

KESIMPULAN

ditentukan pola getar yang terjadi.

3. Nilai kopling elektro mekanik yang didapat belum dapat dibandigkan dengan data yang acta. data yang telah acta untuk bulk bukan lapisan tipis.

UCAP AN TERIMA KASIH

2

Berdasar hasil rota XRD, dapat disimpulkan lapisan tip is ZnO yang terbentuk selalu mempunyai orientasi sumbu C tegak lurus permukaan. Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa kristal akan membentuk susunan yang paling mampat.

Pengukuran frekuensi resonansi-antiresonansi perlu dilakukan dengan menggunakan cuplikan dengan ketebalan yang bervariasi, sehingga dapat dibandingkan frekuensi resonansi-antiresonansi yang didat>at. Sehingga dapat

Para penulis mengucapkan terima knsih kepada J. Karmadi dan Bambang Siswanto ata~ segala bantuannya dalam mempersiapkan peralatan dalam melaksanakan penelitian ini.

--Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002

(9)

Suryadi,

dkk.

ISSN 0216 -3128 ₄₇

DAFT AR PUST AKA

-.Sambungan lapisan tipis dengan alat ukur

yang kurang baik sehingga menimbulkan

derau yang besar.

.Perubahan

frekuensi dikerjakan .\"ecara

manual,

hat ini juga akan memberi

sumbangan

ralat.

2.

3

4. OHRING, M.; The Materials Science of Thin

Films, Academic Press,

I~c., 1992.

MERHAUT, J.; Theory of Electro-acoustics,

Mc Graw-Hill, New York, 1981.

WANG, S.; Solid State Electronic, Mc

G.raw-Hill, New York, 1966.

MASON, W.P.; Physical Acoustics,

Vol I-part

A, Academic Press,

New York, 1964.

PAGE, L., ADAMS, N.I.; Principles of

Electricity, D. van Nostrand Company, Inc.

1958.

5 Yunanto

-Tetapan kopling 0,44 apakah sudah sesuai dengan literatur?

-Pengamatan XRD apakah ada hubungannya dengan tetapan kopling.

TANYAJAWAB

Feri A

Suryadi

-Sampai saar ini be/urn dapat menemukan acual1 yang memuat tetapan kop/ing untuk /api.\'an lipis.

Tetapan kop/ing sangat dilentukan o/eh leba/ /apisan tipis yang bersangkutan.

-Pengujian XRD unluk meyakinkan bah11Ja yang lerbentuk betu/-betu/ krista/. karena lelapa/1 kop/ing e/ektromekanik hanya dimi/iki o/eh krista/ yang lidak mempunyai pusal inver,\'i. antara lain ZnO.

1

0,08

b

Ra at 044 terlalu esar,

apa penyebabnya?

,

Suryadi

-Ralat yang didapat cukup besar, hat ini terutama disebabkan karena :

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Junl 2002