UJI SIFAT LISTRIK FILM TIPIS BST DENGAN BERBAGAI KONSENTRASI PELARUT AZKI ZAINAL MILACH

(1)

AZKI ZAINAL MILACH

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

Irzaman, A Milach

1_{Departemen Fisika FMIPA IPB, Kampus IPB Dramaga Bogor 16680} Abstrak

Film tipis Ba0.25Sr0.75TiO3 (BST) pada Si tipe-p menggunakan metode Chemical Solution

Deposition (CSD). Karakteristik film tipis Ba0.25Sr0.75TiO3 oleh LCZ meter model 2343 NF, sumber arus keithley 617, spektrofotometer, hasil osiloskop pada rangkaian seri sampel-resistor. Kondisi penumbuhan BST pada Si tipe-p menggunakan spin coating dengan kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik, setelah spin coating maka proses selanjutnya adalah pemanggangan dalam

furnace model nabertherm Type 27 pada suhu 850 ˚C selama 15 jam. Pengukuran konduktivitas

menggunakan alat LCZ meter Model 2343 NF. Perhitungan konstanta dielektrik dengan menggunakan power supply, Osiloskop, resistor dengan hambatan 100.000 Ω, dan, komputer.

Power supply di set menggunakan sinyal kotak-kotak dengan tegangan 10 V peak-to-peak dan

frekuensi 1 KHz. Karakterisasi kurva I-V menggunakan alat Keithley 617. Pengukuran reflektansi menggunakan alat spectrasuit spectrophotometer.

(3)

AZKI ZAINAL MILACH

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains pada

Program Studi Fisika

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(4)

(5)

pasangan Abdul Manaf dan Chofifah

(6)

KATA PENGANTAR

Alhamdulillahirobbil’alamin, puji dan syukur penulis panjatkan hanya kepada Allah SWT, kebenaran mutlak alam semesta beserta isinya. Sholawat serta salam semoga tercurah kepada Rasulullah SAW. Dengan rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Uji

Sifat Listrik Film Tipis BST dengan Berbagai Konsentrasi Pelarut” sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si) pada Departemen Fisika.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang banyak membantu penulis dalam menyelesaikannya, diantaranya :

 Bapak Dr.Ir. Irzaman M.Si selaku dosen pembimbing atas kesabaran, keikhlasan dan arahannya dalam membimbing penulis.

 Seluruh dosen, staf dan laboran Departemen Fisika IPB.

 Mama dan papa, terima kasih atas kasih sayang, do’a yang tak terbatas dan pengorbanannya, semoga Allah membalasnya. Teteh sayang mama dan papa.

 Fisika 42 : Agung, Ahmad, Ais, Aji, Amel, Andre, Andri, Astri, Ario, Azam, Cinot, Cucu, Dahrul, Deni, Dewi, Dian, Eka, Faiz, Fahmi, Fitri Amanah, Gita, Hartip, Ijal, Jessi, Lili, Linda, Mahe, Mena, Mitha, Nani, Neneng, Niken, Nita, Obi, Radot, Roni, Surya, Taufik, Wenny. Pi2t, cinot

 All my friends

 Semua pihak yang telah ikut berperan dalam penyusunan proposal ini.

Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. oleh karena itu penulis mengharapkan masukan baik kritikan, saran maupun koreksi yang sifatnya membangun. Semoga karya ini dapat bermanfaat.

Wassalamu’alaikum Wr.Wb.

Bogor, Agustus 2010

(7)

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR ISI ... ii

DAFTAR TABEL ... iii

DAFTAR GAMBAR ... iv PENDAHULUAN... 1 Latar belakang ... 1 Tujuan ... 1 TINJAUAN PUSTAKA ... 1 Semikonduktor ... 1 Feroelektrik ... 2

Barium stronsium titanat ((BaxSr1-xTiO3)) ... 3

Metode chemical solution deposition (CSD) ... 4

Fotodioda ... 5

Fotokonduktif ... 6

Konstanta dielektrik... 6

BAHAN DAN METODE ... 7

Bahan dan alat ... 7

Metodelogi ... 7

TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN ... 9

HASIL DAN PEMBAHASAN ... 9

Konduktivitas listrik ... 9

Hasil karakterisasi konstanta dielektrik ... 10

Karakterisasi I -V (arus - tegangan) ... 11

Reflektansi... 12

KESIMPULAN DAN SARAN ... 14

UCAPAN TERIMA KASIH ... 14

DAFTAR PUSTAKA ... 15

(8)

DAFTAR TABEL

No. Halaman TEKS

1. Tabel kentungan dan keterbatasan masing-masing metode penumbuhan BST ... 4

2. Tabel pengaruh konduktivitas listrik terhadap daya lampu ... 10

3. Tabel pengaruh konsentrasi BST terhadap konstanta dielektrik ... 10

LAMPIRAN 1. Data konduktansi ... 16

2. Data kurva I-V ... 17

3. Data konstanta dielektrik ... 22

(9)

DAFTAR GAMBAR

No. Halaman TEKS

1. Level energi ... 1

2. Nilai konduktivitas material semikonduktor ... 2

3. Efek yang terjadi pada material ferroelectric ... 2

4. Akumulasi muatan pada kapasitor ... 2

5. Temperatur berpengaruh terhadap polarisasi spontan dan permitivitas dalam sebuah material ferroelectric BaTiO3 ... 3

6. Kurva histerisis polarisasi terhadap medan listrik dalam ferroelectric PbTiO3 ... 3

7. Perubahan parameter kisi dan daerah stabil ferroelectric dan paraelectric BST dengan komposisi Sr ... 4

8. Konstanta dielektrik terhadap temperatur pada Ba0,7Sr0,3TiO3 ... 4

9. Empat tahapan pada spin coating ... 5

10. Karakteristik I-V pada reverse bias ... 5

11. Plat fotokonduktif ... 6

12. Rangkaian memberi muatan pada kapasitor sampai sebuah potensial ε ... 7

13. Setelah saklar ditutup, akan terdapat tegangan jatuh di seberang resistor dan sebuah muatan pada kapasitor ... 7

14. Plot muatan pada kapasitor terhadap waktu untuk rangkaian pengisian gambar 12 ... 7

15. Proses pemanggangan ... 8

16. Diagram alir penelitian ... 8

17. Struktur dan konfigurasi sel Fotovoltaik ... 9

18. Pengujian fotodioda ... 10

19. Hasil osiloskop pada konsentrasi BST 0,75 molar ... 10

22. Kurva I-V pada molaritas BST 0,75 M ... 11

(10)

PENDAHULUAN Latar Belakang

Peningkatan produksi film tipis dipengaruhi dua kejadian. Pertama-tama, penemuan HTSC (super konduktor panas tinggi) yang menunjukkan kerapatan arus yang lebih besar jika dideposisikan sebagai film tipis. Kedua, pengetahuan memori semikonduktor-ferroelectric yang dipakai untuk meningkatkan teknologi semikonduktor silikon. Dua ide ini mendorong ke arah satu usaha riset dan pengembangan di seluruh dunia dalam rangka mengintegrasikan film tipis

electroceramic dengan chip. Film tipis ferroelectric menghadirkan pembaharuan

untuk aplikasi elektronik sejak 1989. dan menghasilkan ferroelectric non-volatile

misalnya. FeRAMs [random access memory feroelektrik]) dan hal ini diikuti oleh pengembangan film tipis ferroelectric di tahap paraelectric, untuk dipakai sebagai dielectric permitivitas tinggi untuk DRAM (random access memory dinamis).[5]

Film tipis BST merupakan material dielektrik dan telah dipakai untuk beberapa aplikasi seperti kapasitor dan dynamic

random access memory (DRAM) karena

konstanta dielektrik yang tinggi dan kapasitas penyimpanan muatan.[4]

Perilaku ferroelectric BST terjadi karena material tersebut dipengaruhi suhu serta perbandingan barium dan stronsium. sifat listrik bahan BST berhubungan pada fitur mikrostruktural, suhu pemanggangan, dan proses pembuatan BST.

.

Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah : 1. Melakukan penumbuhan film tipis

dengan perubahan molaritas BST (0,75 M, 1.25 M, 1.75 M) murni diatas substrat Si tipe-p dengan metode chemical solution deposition (CSD).

2. Menguji konduktivitas listrik film tipis dengan LCR meter.

3. Menghitung konstanta dielektrik 4. Menetukan sifat kelistrikan suatu

film tipis BST dengan menggunakan I-V meter. 5. Menguji reflektansi film tipis yang

tumbuh pada silikon tipe-p

TINJAUAN PUSTAKA Semikonduktor

Semikonduktor mempunyai hambat jenis antara 10-3 Ω∙cm – 108 Ω∙cm, konduktivitas sebuah semikonduktor bertambah jika ada kenaikan suhu dan adanya irradiasi atau tumbukan cahaya.

Konduktor mempunyai pita valensi dan pita konduksi yang saling tumpang tindih. Sehingga energi elektron untuk meloncat dari pita valensi ke pita konduksi sangat kecil atau hampir tidak membutuhkan energi. Seluruh elektron valensi dapat bebas berpindah ke bagian konduksi sehingga konduktivitas konduktor kecil.

Isolator mempunyai band gap sekitar 6 eV yang memisahkan pita valensi dengan pita konduksi. Jika elektron tidak mempunyai energi sebesar 6 eV maka elektron tidak bisa bereksitasi ke pita konduksi.

Band gap pada semikonduktor umunya 3 eV pada suhu kamar, pada BST

band gap sekitar 3 eV. Pada suhu suhu 0 K,

pita valensi penuh dengan elektron sedangkan pita konduksi tidak ada elektron, maka semikonduktor menjadi sebuah isolator. Jika suhu naik maka elektron mempunyai energi termal. Pada suhu ruang, elektron valensi mempunyai energi tambahan. Ini menunjukan bahwa semikonduktor mempunyai koefisien suhu negatif. Jika sebuah elektron menghilang pada pita kovalen maka dalam pita kovalen posisi dari elektron digantikan oleh hole,

hole bermuatan positif. Pembentukan elektron-hole sebanding dengan transisi elektron dari pita valensi ke pita konduksi.

(11)

Gambar 2. Nilai konduktivitas material semikonduktor. Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang murni, sifat kristal hanya ditentukan oleh atom material semikonduktor itu sendiri. Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor di doping dengan sebagian kecil atom lain,

Ferroelectric

Material ferroelectric adalah device material yang bisa mengeluarkan output berupa arus listrik jika diberi input berupa tekanan, panas dan cahaya. Material

ferroelectric digunakan sebagai dielektrik

permitivitas tinggi, sensor pyroelectric (panas), sensor piezoelectric (tekanan),

device electrooptic, PTC (konstanta temperature positif), kadang kadang dikomersialkan sebagai sensor cahaya, aplikasi memory, dan display optik.

Material dielektrik berisikan atom-atom yang mampu berionisasi. Dalam kristal ionik, saat medan listik muncul, kation bergerak menuju katoda dan anion bergerak menuju anoda maka terjadi interaksi elektrostatik. Awan-awan elektron terbentuk karena dipole-dipole listrik. Fenomena ini dikenal sebagai polarisasi listrik dielektrik, polarisasi sebanding dengan jumlah

dipole-dipole listrik per unit volume [C/m2]. Polarisasi material tergantung frekuensi medan yang timbul. Material ferroelectric dengan dipole permanen tidak bisa dipakai pada material-material dielektrik gelombang mikro. Permitivitas dari ferroeletric

bertipikal tinggi pada frekuensi rendah (dalam orde KHz), tetapi menurun signifikan dengan kenaikan frekuensi medan listrik yang timbul.

Kapasitor dielektrik bisa menyimpan banyak muatan listrik karena polarisasi dielektrik P seperti gambar 4. jumlahnya tergantung muatan listrik yang tersimpan per unit area yang disebut electric displecement D, dan berelasi dengan medan listrik E. D = ε0E + P = ε0 ε E

Bergantung pada struktur kristal, muatan positif dan negatif tersebar acak ketika tidak ada muatan listrik eksternal. polarisasi spontan adalah ketika ada medan listrik eksternal maka muatan-muatan tersebut terpolarisasi.

Material ferroelectric, jika diberi tegangan atau panas maka material tersebut mengalami regangan. Material ferroelectric menimbulkan arus listrik karena deformasi. Fenomena ini disebut medan listrik disebabkan regangan.

Jika sebuah medan listrik eksternal muncul pada kristal. Kristal mengalami perubahan dimensi. Maka kerapatan berkurang dan refraktif indeks bertambah. Fenomena ini disebut efek electrooptic.

Gambar 3. Efek yang terjadi pada material ferroelectric.

(12)

Gambar 5. Temperatur berpengaruh terhadap polarisasi spontan dan permitivitas dalam sebuah material

ferroelectric BaTiO3[1].

Gambar 6. Kurva histerisis polarisasi terhadap medan listrik dalam ferroelectric

PbTiO3[2].

Fase ferroelectric memunculkan histerisis karena transisi polarisasi spontan antara positif dan negatif.

Material-material ferroelectric

memberikan respon polarisasi non-linear terhadap medan listrik yang timbul. Kurva histerisis film ferroelectric dengan domains medan listrik. polarisasi menjadi linier dengan medan yang timbul. Maka kenaikan medan listrik, polarisasi mengalami kenaikan lebih cepat. Ketika semua berorientasi pada arah yang sama polarisasi menjadi jenuh. maka kenaikan medan listrik tidak akan membuat perbedaan pada nilai polarisasi maksimum. Ps, ketika sebuah medan E menghilang polarisasi menurun menuju ke arah nilai tertentu, Pr yaitu polarisasi sisa; jumlah polarisasi saat medan listrik 0. Ketika timbul medan listrik yang berlawanan arah dan pada sebuah nilai medan lsitrik tertentu, medan koersif (-Ec) jumlah polarisasi menjadi 0. Ketika medan

listrik naik pada arah yang berlawanan, polarisasi menjadi jenuh. Medan listrik menghilang maka polarisasi menjadi -Pr. Ketika, Medan listrik timbul kembali dengan arah seperti semula dan pada sebuah nilai medan lsitrik tertentu, medan koersif (Ec) jumlah polarisasi menjadi 0.

Barium stronsium titanat ((BaxSr1-xTiO3))

BaTiO3 mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi. Penambahan Sr pada BaTiO3 menyebabkan temperatur curie menurun dari 130 ˚C menjadi suhu ruang. BST mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi, loss dielectric, tegangan breakdown dielektrik tinggi dan komposisinya tergantung pada temperatur curie. Penelitian pada BST tidak berpusat pada konsentrasi film tipis dan polycrystalline. Namun, juga diteliti komposisi, stokiometri, mikrostruktur, ketebalan, karakteristik material elektroda dan homogenitas. Teknik penumbuhan BST berpengaruh terhadap komposisi, stokiometri, kristalinitas, dan ukuran serbuk sehingga mempengaruhi

dielectric properties. Metode yang dipakai

untuk penumbuhan BST seperti rf-sputtering, laser ablation, metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), metalorganic deposition (MOD), dan sol-gel processing. Metode-metode diatas ada

(13)

Tabel 1. Kentungan dan keterbatasan masing-masing metode penumbuhan BST

Metode Keuntungan Keterbatasan

Chemical Solution Deposition · Inexpensive, low capital investment · Rapid sampling of materials · Homogeneity · Low processing temperatures · Phase control · Morphology · Reproducibility Pulsed Laser Deposition · Rapid sampling of materials · Quickly produce new materials · Morphology · Point defect concentration · Scalability (small areas only) · Uniformity · High residual stress Sputtering · Cost · Uniformity · Scalability · Standard IC processing · Low growth temperatures · Point defect concentration · Residual stresses · Stoichiometry control · Slow deposition rate for oxides MOCVD · Uniformity · Morphology · Small · Scalability · Immature technology · Precursor stability · Precursor availability · Expensive

Jika BST dibawah temperature curie, pada suhu ruang untuk komposisi mol % Sr 0,25, struktur cubic perovskite, dan selain mol % Sr 0,25 struktur tetragonal

perovskite.

Gambar 7. Perubahan parameter kisi terhadap daerah stabil

ferroelectric dan

paraelectric BST dengan

komposisi Sr.

Gambar 8. Konstanta dielektrik terhadap temperatur pada Ba0,7Sr0,3TiO3

Ketidakhadiran kondisi ferroelectric disebabkan :

1. Ukuran serbuk dibawah ukuran kritis serbuk (120 nm).

2. Heterogen.

3. Tertragonality (c/a) BST menurun dengan kenaikan komposisi Sr dan nilai (c/a) kecil tidak cukup untuk membuat pemisahan muatan dan polarisasi spontan

Berikut Persamaan reaksi BST yang digunakan pada penelitian ini :

0.25Ba(CH3COO)2 + 0.75Sr(CH3COO)2 + Ti(C12H28O4) + 22O2

Ba0.25Sr0.75TiO3 + 16CO2 + 17H2O Metode chemical solution deposition

Metode chemical solution deposition mempunyai keuntungan yaitu kontrol, homogen, dan murah. Prinsip dasar CSD adalah pembuatan larutan dan coating larutan pada substrat. Precursor yang dipakai untuk membuat larutan solid adalah

(14)

M(O-R)n dimana R alkyl radical (CH3, C2H5, dll). properties dan efek reaksi menentukan ciri khas material.

Precursors yang dipakai harus memenuhi kriteria :

 precursors metal tinggi.  Kelarutan tinggi.

 Precursors sesuai untuk reaksi kimia.  Murah dan efektif untuk produksi.

 Decompose termal tanpa penguapan, mencair atau kehilangan deposit karbon.

Kriteria zat pelarut :

 Pelarut harus mempunyai kecepatan menguap tinggi.

 Pelarut harus mempunyai konsentrasi yang dibutuhkan, viskositas dan tegangan permukaan yang sesuai.

Homogen pada larutan sangat penting agar atom-atom dalam susunan lebih berdekatan sehingga menghasilkan fase

crystalline.

Spin coating mempunyai empat

tahapan, yaitu : deposition, up,

spin-off, dan evaporation.

Pada tahap deposition larutan ditumbuhkan pada substrat. Pada tahap

spin-up substrat diberi percepatan rotasi

sehingga sehingga larutan dapat menyebar secara merata pada substrat. Pada tahap

spin-off larutan menyebar merata pada

substrat, larutan berangsur-angsur menjadi menipis. Gaya viskositas mempengaruhi kelakuan penipisan. Pada tahap evaporation larutan menjadi film tipis karena

evaporation.

Keuntungan spin coating adalah sebuah larutan cenderung mempunyai ketebalan seragam selama spin-off.

Kecenderungan ini disebabkan keseimbangan antara sentrifugal dan gaya viskositas.

Gambar 9. Empat tahapan pada spin

coating

Fotodioda

Fotodioda beroperasi jika menyerap foton atau partikel bermuatan. Fotodioda bisa dipakai untuk mendeteksi ada atau tidaknya cahaya dan bisa dikalibrasi untuk pengukuran yang akurat dari intensitas dibawah 1 pW/cm2 sampai intensitas diatas 100 mW/cm2. Fotodioda digunakan pada

spectroscopy, photography, instrumentasi

analisis, sensor posisi optik, arah sinar, karakterisasi permukaan, penentu intensitas laser, komunikasi optik, dan instrumen

imaging medis.

Fotodioda adalah semikonduktor p-n

junction beroperasi pada daerah reverse-bias berdasarkan fenomena efek fotovoltaic.

Dalam kondisi ini, hole dan elektron menjauhi daerah junction sehingga menyebabkan pelebaran daerah deplesi. Ketika reverse-bias mulai naik, pembawa muatan mayoritas menjadi tidak bisa melewati potensial junction dan arus pembawa mayoritas berkurang. Karena jumlah arus dari daerah tipe-n ke tipe p meningkat. Kenaikan arus dengan kenaikan tegangan reverse bias berlanjut pada sampai titik dimana pembawa muatan mayoritas melewati junction. Arus konstan melewati

junction adalah sama dengan arus pembawa

muatan minoritas dan dikenal arus saturasi

reverse. Karena dalam reverse-bias. dioda

mempunyai hambatan tinggi untuk arus. Sebuah tegeangan kritis dikenal sebagai tegangan breakdown, dimana arus naik meningkat secara tajam.

Dua parameter yang digunakan untuk menggambarkan sensitivitas photovoltaic yaitu: efisiensi kuantum η, jumlah pembawa muatan pada junction dan hambatan pada tegangan voltage zero-bias.

( )

Gambar 10. Karakteristik I-V pada

(15)

Maka arus total yang mengalir pada fotodioda adalah It = - IP + Id photocurrent berlawanan arah dengan arus forward-bias.

Photocurrent didefinisikan sebagai:

Dimana :

Ip : arus photocurrent e : muatan elektron η : efisiensi kuantum Q : jumlah foton per detik

Fotokonduktif

Sebuah semikonduktor mempunyai kemampuan untuk menjadi sebuah konduktor jika diberi panas, listrik, cahaya, dan lain-lain. Elektron yang berada pada sebuah semikonduktor akan mempunyai energi untuk loncat ke pita konduksi jika diberi energi.

Sebuah plat fotokonduktif dengan panjang l, lebar w, dan ketebalan d, seperti gambar di bawah ini. Dengan R hambatan

device. σ = konduktivitas bahan w = lebar plat fotokonduktivitas d = tebal plat fotokonduktivitas l = panjang plat fotokonduktivitas σd = konduktivitas gelap σb = konduktivitas termal σs = konduktivitas terang e = muatan elektron 1,6∙10-19 C n0 = kerapatan elektron p0 = kerapatan hole µn = mobilitas elektron µp = mobilitas hole

nb = kerapatan pasangan elektron-hole η = efisiensi kuantum

τn = half-time elektron τp = half-time hole

Js = jumlah foton per unit area dan unit waktu

Gambar 11. Plat fotokonduktif

Ketika sebuah cahaya hadir pada suhu ruang di fotokonduktor maka hambatan pada fotokonduktor berubah. Elektron yang sebelumnya tidak mempunyai energi menjadi mempunyai energi karena mendapatkan energi dari foton yang menumbuk fotokonduktor. Karena adanya penambahan jumlah elektron dan hole maka akan mempengaruhi konduktivitas bahan, perubahan konduktivitas berbanding terbalik dengan perubahan hambatan. Perubahan hambatan fotokonduktor berbanding terbalik dengan daya cahaya yang hadir.

Konstanta dielektrik

Gambar 13. memperlihatkan sebuah rangkaian untuk mengisi kapasitor, yang kita asumsikan mula-mula tak bermuatan. Saklar tebuka awalnya, pada saat t = 0 muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positif kapasitor (gambar 13). Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal Kirchoff memberikan

(1) Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor meningkat.

Subtitusikan +dQ/dt untuk I dalam persamaan (1) memberikan

(2) Pada saat t = 0 muatan pada kapasitor nol dan arusnya I0 = ε/R. muatan lalu bertambah dan arus berkurang. Muatan mencapai nilai maksimum Qf = Cε ketika I sama dengan nol. Kalikan setiap suku dengan C pada persamaan (2).

∫ ∫ (3) Dengan A adalah konstanta sembarang. Dengan mengeksponensialkan tiap sisi persamaan (3)

(16)

(5) Dimana Qf adalah muatan akhir. Arus diperoleh dengan menderensialkan persamaan (5).

Tegangan pada kapasitor diperoleh dengan membagi tiap suku pada persamaan (5) dengan C.

(6)

Gambar 12 . Rangkaian memberi muatan pada kapasitor sampai sebuah potensial ε.

Gambar 13 . Setelah saklar ditutup,

akan terdapat tegangan jatuh di seberang resistor dan sebuah muatan pada kapasitor

Gambar 14. Plot muatan pada kapasitor terhadap waktu untuk rangakaian pengisian gambar 12.

Kapasitor pada saat t = 0 bermuatan Q = 0, jika saklar ditutup maka kapasitor akan terisi muatannya. Jika laju pengisian kapasitor sama dengan laju mula-mula maka kapasitor akan terisi penuh setelah t = RC. Namun dari persamaan (6) laju pengisian kapasitor sebenarnya tidak konstan tapi lajunya turun terhadap waktu. Hal ini terjadi pada laju dimana kuantitas bertambah sebanding dengan kuantitas itu sendiri.

Spesifikasi dasar yang dibutuhkan agar menjadi kapasitor yang bagus : Ukuran kecil, konstanta dielektrik tinggi, stabil terhadap perubahan temperatur.

Konstanta dielektrik adalah sebuah pengukuran kemampuan material untuk menyimpan muatan dibandingkan dengan dengan ruang vakum dan sifat khas sebuah material. Kapasitansi sebuah material didefinisikan sebagai muatan tersimpan per unit tegangan

C (farad) = Q (coulumb) / V (volt) Untuk sebuah plat paralel kapasitor

Dimana adalah permitivitas vakum, A adalah luas plat konduktor, d adalah jarak antara dua plat, K adalah konstanta dielektrik bahan.

Bahan dan Metode Bahan dan alat

Barium asetat [Ba(CH3COO)2, 99 %] + stronsium asetat [Sr(CH3COO)2, 99 %] + titanium isopropoksida [Ti(C12O4H28), 99.999 %] sebagai pelarut 2-methoksietanol [H3COOCH2CH2OH, 99.9 %], wafer silikon tipe-p berukuran 10 mm x 10 mm

Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, spin

coating, mortar, pipet, pemanas, pinset,

gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petri, isolasi,

Ultrasonic model branson 2210. Masker.

Furnace, Tissue. Alumunium foil. Pasta perak, kabel serabut, LCZ meter model 2343

NF, sumber arus keithley 617,

spektrofotometer,

Metodelogi

Pembuatan film tipis Ba0.25Sr0.75TiO3 menggunakan metode

chemical solution depotition. Barium asetat

(17)

sebagai pelarut 2-metoksietanol [H3COOCH2CH2OH, 99.9 %] dicampur pada tabung reaksi. Ultrasonic model

branson 2210 dipakai selama 1 jam pada

pencampuran agar bahan menjadi homogen. Larutan ditumbuhkan di atas wafer silikon (100) tipe-p dengan ukuran 10 mm x 10 mm. substrat dan silikon ditaruh pada spin

coating. satu lapisan film diputar pada

putaran 3000 rpm selama 30 detik. selanjutnya dipanggang pada suhu 850°C selama 15 jam di dalam furnace model

nabertherm Type 27. karakterisasi Ba0.25Sr0.75TiO3 oleh LCZ meter model 2343

NF, sumber arus keithley 617, spektrofotometer, hasil osiloskop pada

rangkaian seri sampel-resistor.

Gambar 15. Proses pemanggangan

(18)

Gambar 17. Struktur dan konfigurasi sel Fotovoltaik BST yang sudah mengalami proses

annealing dipasang kontak di atas permukaan substrat silikon dan di atas film tipis BST. Pembuatan kontak ini dilakukan di Lab fisika material (ITB). Gambar 17. merupakan sketsa kontak dan posisinya pada substrat dan film tipis.

TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN

Penelitian ini dilakukan di laboratorium material dan laboratorium biofisika departemen fisika IPB dari bulan maret 2009 hingga bulan juli 2010.

HASIL DAN PEMBAHASAN Konduktivitas Listrik

Pengukuran konduktivitas menggunakan alat LCZ meter Model 2343

NF. Nilai konduktivitas yang diambil adalah

nilai yang bertahan lama pada display. Pengukuran nilai konduktivitas listrik pada penelitian dilakukan dalam tiga kondisi yang berbeda, yaitu gelap (0 Watt), keadaan dengan lampu berdaya 50 Watt dan keadaan dengan lampu berdaya lampu 100 Watt. Pengukuran dilakukan pada temperatur ruang 27oC. Hasilnya ditunjukkan oleh tabel 2.

(19)

Tabel 2. Tabel pengaruh konduktivitas terhadap daya lampu intensitas cahaya (watt) 0,75 molar (S/cm) 1,25 molar (S/cm) 1,75 molar (S/cm) 0 0,01 0,40 0,4051 50 0,05 0,45 51,91 100 0,06 0,73 52,46 Tabel 3. Tabel pengaruh

konsentrasi BST terhadap konstanta dielektrik Konsentrasi BST (Molaritas) Konstanta Dielektrik 0,75 5,50481 1,25 41,2862 1,75 211,9355

Hasil Karakterisasi Konstanta Dielektrik

Perhitungan konstanta dielektrik dengan menggunakan power supply.

Osiloskop, resistor dengan hambatan 100.000 Ω, dan, komputer. Power supply di set menggunakan sinyal kotak-kotak dengan tegangan 10 V peak-to-peak dan frekuensi 1 KHz. Osiloskop untuk melihat hasil dari grafik yang terbentuk. Data yang didapat dari osiloskop dieksport ke microsofot excel untuk diolah dalam perhitungan konstanta dielektrik film tipis BST

Nilai konstanta dielektrik merupakan gambaran dimana material tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan. Dari gambar hasil keluaran pada osiloskop dapat dilihat bahwa kelengkungan pada sinyal menunjukan adanya penyimpanan muatan pada material tersebut

GGambar 18. Pengujian fotodioda

Gambar 19. Hasil osiloskop pada konsentrasi BST 0,75 molar

(20)

maka semakin tinggi pula konstanta dielektrik dari bahan tersebut. Ini disebabkan karena semakin banyaknya bahan dielektrik antara plat konduktor tersebut, sehingga mempengaruhi konstanta dielektrik bahan, hasil pada osiloskop menunjukan pengisian tiap konsentrasi berbeda-beda. Pada konsentrasi 1,75 molar mempunyai konstanta dielektrik terbesar sedangkan konstanta dielektrik terendah pada konsentrasi 0,75 molar,

Karakterisasi I -V (Arus - Tegangan)

Karakterisasi kurva I-V menggunakan alat Keithley 617. kurva I-V diperlukan untuk melihat sifat fotodioda dari sampel, fotodioda bekerja pada daerah

reverse bias. Nilai tegangan yang menyebabkan arusnya naik bervariasi untuk semua film. Tegangan yang menyebabkan arus mulai naik disebut tegangan

breakdown.

Karakterisasi I-V dilakukan dengan menggunakan I-V meter dengan dua perlakuan : kondisi terang dan kondisi gelap. Berdasarkan gambar 22 sampai dengan gambar 24 berbentuk kurva dioda dan ada perbedaan antara terang dan gelap. Karena ada perbedaan antara terang-gelap maka sampel bersifat fotodioda.

Perbedaan kondisi terang dan gelap mempengaruhi besar tegangan breakdown dari masing-masing sampel. Fotodioda adalah suatu alat yang dibuat untuk berfungsi paling baik berdasarkan kepekaan terhadap cahaya sehingga cahaya yang datang menghasilkan elektron dan hole. Makin kuat cahayanya makin banyak pembawa minoritas dan makin besar arus baliknya.

Untuk BST 0,75 M arus mulai mengalir deras pada kondisi gelap pada tegangan -1 V dan 1,5 V. Pada kondisi terang pada tegangan -0,5 V dan 3 V.

Untuk BST 1,25 M arus mulai mengalir deras pada kondisi gelap pada tegangan -2,1 V dan 2,3 V. Pada kondisi terang pada tegangan -3,1 V dan 3 V.

Untuk BST 1,75 M arus mulai mengalir deras pada kondisi gelap pada tegangan -0,3 V dan 1,3 V. Pada kondisi terang pada tegangan -1,1 V dan 1,7 V.

Gambar 22. Kurva I-V pada molaritas BST 0,75 M

(21)

Gambar 24. Kurva I-V pada molaritas BST 1,75 M

Reflektansi

Pengukuran reflektansi menggunakan alat spectrasuit spectrophotometer. Dengan menggunakan

referensi gelap berupa benda hitam dan referensi terang berupa cermin. dengan panjang gelombang yang dipakai antar 347,13 nm-1022,71 nm.

(22)

(23)

KESIMPULAN

Film tipis Ba0,25Sr0,75TiO3 (BST) murni di atas substrat Si tipe-p dengan menggunakan metode

chemical solution deposition (CSD) merupakan

bahan semikonduktor karena mempunyai nilai konduktivitas listrik antara 103 - 10-8 S/cm,

Konduktivitas listrik film tipis pada keadaan gelap pada suhu kamar dipengaruhi oleh konsentrasi BST. semakin besar konsentrasi BST semakin besar konduktivitas listrik, dan intensitas cahaya mempengaruhi kuantitas tambahan pasangan elektron-hole pada sampel.

Nilai konstanta dielektrik akan semakin besar dengan semakin besarnya konsentrasi BST.

Film tipis Ba0,25Sr0,75TiO3 (BST) yang telah ditumbuhi di atas Si tipe-p dapat berfungsi sebagai fotodioda.

Semakin tinggi konsentrasi BST maka semakin tinggi pula intensitas cahaya yang diserap begitu juga sebaliknya.

SARAN

Pada penelitian selanjutnya untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, disarankan untuk melakukan teknik pendeposisian yang lebih terkontrol dan ruang pendeposisian harus bersih agar dapat mengurangi kontaminasi zat pada film tipis.

Film tipis yang sudah di-coating sebaiknya langsung dipanggang agar tidak tercampur oleh bahan pengotor yang ada di atmosfer

Pada proses anneling sebaiknya dilakukan secara masing-masing, karena kontaminasi zat akan terjadi pada proses penguapan.

Pengukuran optik hendaknya dilakukan pada saat larutan belum dideposisikan pada silikon tipe-p

Kabel penghubung antara masing-masing kontak dengan intreger (header) hendaknya memiliki konduktivitas yang tinggi karena arus yang timbul dari film tipis-Si sangat kecil.

Pada pemasangan kontak menggunakan pasta perak sebaiknya hati-hati jangan sampai pasta perak keluar dari area kontak agar tidak terjadi short

circuit.

Pada perhitungan konstanta dielektrik sebaiknya menggunakan resistor yang tidak besar hambatannya, dikhawatirkan resistor pada osiloskop terbaca sebagai kapasitor.

Usahakan karakterisasi pada malam hari karena sangat kecil adanya noise.

UCAPAN TERIMA KASIH

(24)

DAFTAR PUSTAKA

[1]. N. V. Giridharan, R. Jayavel, P. Ramasamy.

Structural, Morphological and Electrical Studies on Barium Strontium Titanate Thin Films Prepared by Sol-Gel Technique.

Crystal Growth Centre, Anna University, Chennai, India, 36, 65-72 (2001).

[2] A. Beiser, Konsep Fisika Modern, Erlangga, (1992).

[3] K. Krane. Fisika Modern. Penerjemah Hans J. Universitas Indonesia ; Depok (1992). [4]. Irzaman, H. Darmasetiawan, M. Nur Indro,

S.G. Sukaryo, M. Hikam, Na Peng Bo, M.Barmawi. Electrical Properties of Crystalline Ba0,5Sr0,5TiO3 Thin Films.

[5]. U Adem. Preparation of BaxSr1-xTiO3 Thin Films by Chemical Solution Deposition And Their Electrical Characterization.

[6]. Ming-li. Ming Xia Xu.. Preparation of

cauliflower-like shaped Ba0,6Sr0,4TiO3. powders by modified oxalate co-precipitation method. Journal of Alloys and Compounds., 474 (2009) 311-315.

[7] V. Vlack, Ilmu dan Teknologi Bahan,

Erlangga, (1987).

[8]. F.M. Pontes, E. R. Leite, D. S. L. Pontes, and E. Longo. Ferroelectric and optical

properties of Ba0,8Sr0,2TiO3 Thin Films. J. Appl. Phys. Volume 91, Number 9. 2002

[9] Handayani A., Sumaryo, Sitompul A. 2007.

Pengamatan Struktur Mikro dengan Mikroskop Optik dan Scanning Electrón Microscope (SEM-EDAX). Pusat Pendidikan

dan Pelatihan Badan Tenaga Nuklir Nasional. Serpong.

[10]. Irzaman, Y.Darvina, A Fuad, P.Arifin, M.Budiman and M Barmawi. Physical and

Pyroelectric properties of Tantalum-oxide doped lead Zirconium titanate [Pb0,995O(Zr0,525Ti0,465Ta0,010)O3] Thin film and Their Application for IR Sensor,phys,stat,sol (a) 199, no.3. 416-424,9

(2003).

[11]. Darmastiawan. H, Irzaman, Hikam M, Yogaraksa T. 2002. Growth of Lead

Zirconium Titanate (PbZr0.525Ti0.475O3) Thin Films Using Chemical Solution Deposition (CSD) Methode

[12] S. T. Nurdianto, Pembuatan dan Karakterisasi Sel Surya Fotoelektrokimia Tersensitiasi Sye Berbasis Elektroda ZnO, Skripsi, Institut Pertanian Bogor, (2003). [13] Hamonangan A. 2004. Operational Amplifier

(Analisa Rangkaian Op-Amp Popular).

[14]. Azizahwati. Studi Morfologi Permukaan

Film Tipis PbZR0,525Ti0,475O3 yang Ditumbuhkan Dengan Metode DC Unbalanced Magnetron Sputtering. Jurnal

(25)

LAMPIRAN Data konduktansi KEADAAN 0 WATT

konsentrasi tebal film (m) Konduktansi (S) konduktivitas (S/m) 0,75 molar 1.62392∙10-06 3,004∙10-08 0,01849845 1,25 molar 2.70654∙10-06 1,099∙10-06 0,40605349 1,75 molar 3.78915∙10-06 0,0001535 40,51040471

KEADAAN 50 WATT

konsentrasi tebal film (m) Konduktansi (S) konduktivitas (S/m) 0,75 molar 1.62392∙10-06 9,537∙10-08 0,05872826 1,25 molar 2.70654∙10-06 1,24∙10-06 0,45814952 1,75 molar 3.78915∙10-06 0,0001967 51,91137854

KEADAAN 100 WATT

(26)

Data kurva I-V Konsentrasi 0,75 molar Tegangan (V) Arus (A)

gelap terang -5 -0,0011 -7,9∙10-05 -4,5 -0,00089 -6,2∙10-05 -4 -0,0007 -3,5∙10-05 -3,5 -0,00054 -2,1∙10-05 -3 -0,00042 -1,2∙10-05 -2,5 -0,00038 -8,5∙10-05 -2 -0,00022 -4,6∙10-06 -1,5 -0,00011 -2,2∙10-06 -1 -5,5∙10-05 -1,2∙10-06 -0,5 -1,7∙10-05 -4,7∙10-07 0 -1,8∙10-09 7,41∙10-09 0,5 1,17∙10-05 4,54∙10-07 1 3,09∙10-05 1,04∙10-06 1,5 5,75∙10-05 2,34∙10-06 2 0,000135 3,3∙10-06 2,5 0,000211 4,78∙10-06 3 0,000271 1,4∙10-05 3,5 0,000491 7,12∙10-05 4 0,002171 0,000196 4,5 0,002721 0,000271 5 0,003164 0,00105 Konsentrasi 1,25 molar Tegangan (V) Arus (A)

(27)

(28)

1,4 5,67∙10-9 4,21∙10-09 1,5 6,08∙10-9 4,5∙10-09 1,6 6,65∙10-9 4,86∙10-09 1,7 7,07∙10-9 5,21∙10-09 1,8 7,98∙10-9 5,45∙10-09 1,9 8,52∙10-9 5,65∙10-09 2 8,78∙10-9 6,08∙10-09 2,1 9∙10-9 6,31∙10-09 2,2 8,81∙10-9 6,57∙10-09 2,3 9,69∙10-9 6,9∙10-09 2,4 1,07∙10-8 7,17∙10-09 2,5 1,12∙10-8 7,5∙10-09 2,6 1,13∙10-8 7,98∙10-09 2,7 1,23∙10-8 8,32∙10-09 2,8 1,29∙10-8 8,75∙10-09 2,9 1,43∙10-8 9,22∙10-09 3 1,5∙10-8 9,62∙10-09 3,1 1,63∙10-8 1,01∙10-08 3,2 1,56∙10-8 1,04∙10-08 3,3 1,6∙10-8 1,09∙10-08 3,4 1,65∙10-8 1,13∙10-08 3,5 1,7∙10-8 1,18∙10-08 3,6 1,82∙10-8 1,5∙10-08 3,7 1,84∙10-8 1,85∙10-08 3,8 1,9∙10-8 1,87∙10-08 3,9 1,89∙10-8 1,81∙10-08 4 1,94∙10-8 1,87∙10-08 4,1 1,95∙10-8 1,87∙10-08 4,2 2,13∙10-8 1,88∙10-08 4,3 2,19∙10-8 1,96∙10-08 4,4 2,35∙10-8 2,01∙10-08 4,5 2,49∙10-8 2,06∙10-08 4,6 2,67∙10-8 2,16∙10-08 4,7 2,7∙10-8 2,27∙10-08 4,8 2,67∙10-8 2,41∙10-08 4,9 2,73∙10-8 2,41∙10-08 5 2,87∙10-8 2,46∙10-08 Konsentrasi 1,75 molar Tegangan (V) Arus (A)

(29)

(30)

(31)

Data konstata dielektrik Konsentrasi BST (Molaritas)