PADA BEBERAPA MOLARITAS DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK, SIFAT OPTIK DAN STRUKTUR KRISTALNYA DANIEL VIKTORIUS

(1)

PEMBUATAN FILM

PADA BEBERAPA MOLARITAS DAN

KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK,

DAN

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

PEMBUATAN FILM LITHIUM NIOBATE (LiNbO

PADA BEBERAPA MOLARITAS DAN

KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK, SIFAT OPTIK

STRUKTUR KRISTALNYA

DANIEL VIKTORIUS

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2012

(LiNbO

3

)

SIFAT OPTIK

(2)

DANIEL VIKTORIUS. Pembuatan Film Lithium Niobate (LiNbO

3

) pada

Beberapa Molaritas dan Karakterisasi Sifat Lisrik, Sifat Optik dan Struktur

Kristalnya. Dibimbing oleh IRZAMAN.

Abstrak

Fotodioda film lithium niobate (LiNbO3) telah berhasil dibuat dengan menumbuhkan

LiNbO3 di permukaan substrat Si(100) tipe-p dengan menggunakan metode sol gel

berdasarkan teknik spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik. Film

LiNbO3 dibuat dengan konsentrasi 0,5 M, 1 M, dan 2 M dan proses annealing pada suhu

900°C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam, dan 22 jam. Dilakukan karakterisasi sifat listrik, optik, dan struktur film. Karakterisasi I-V dilakukan pada kondisi gelap dan terang. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa film bersifat fotodioda. Hasil karakterisasi I-V juga menunjukkan bahwa konsentrasi molaritas turut mempengaruhi bentuk dioda film, yaitu molaritas yang makin tinggi maka bentuk dioda filmnya itu semakin baik, yaitu pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam. Konduktivitas listrik (σ) film annealing selama 1 jam, 8 jam, 15 jam, dan 22 jam berturut-turut adalah 1.49 x 10-5 S/cm, 2.05 x 10-5 S/cm, 2.27 x 10-5 S/cm, 6.66 x 10-5 S/cm. Nilai konduktivitas listrik (σ)tersebut

berada dalam rentang σ semikonduktor, sehingga film LiNbO3 yang dihasilkan

merupakan material semikonduktor. Selain karakterisasi I-V dan konduktivitas listrik dilakukan juga karakterisasi konstanta dielektrik (ε). Nilai ε film menurun ketika tegangan ditingkatkan dari 1 volt, 3 volt, dan 5 volt. Sedangkan semakin lama film

ditahan pada suhu 900o C mengakibatkan konstanta dielektriknya meningkat.

Karakterisasi sifat optik meliputi pengukuran absorbansi dan reflektansi film. Kurva absorbansi yang diperoleh memperlihatkan panjang gelombang yang paling banyak diserap dan dipantulkan, yaitu berkisar dari 400-500 nm dan 570-600 nm. Data reflektansi film dapat digunakan untuk menghitung indeks bias (n) dan energy gap (Eg).

Kurva absorbansi yang diperoleh memperlihatkan panjang gelombang yang paling banyak diserap dan dipantulkan yaitu berkisar dari 400-500 nm dan 570-600 nm Karakterisasi sifat struktur berupa pengujian XRD. Hasil yang diperoleh memperlihatkan intensitas difraksi tertinggi dimiliki oleh film LiNbO3 pada waktu annealing 1 jam,

sedangkan intensitas difraksi terendah dimiliki oleh film LiNbO3 pada waktu annealing

22 jam.

(3)

PEMBUATAN FILM LITHIUM NIOBATE (LiNbO

3

) PADA

BEBERAPA MOLARITAS DAN KARAKTERISASI SIFAT

LISTRIK, SIFAT OPTIK DAN STRUKTUR KRISTALNYA

DANIEL VIKTORIUS

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains pada

Departemen Fisika

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(4)

LEMBAR PENGESAHAN

Judul Skripsi

: Pembuatan Film Lithium Niobate (LiNbO3) pada Beberapa

Molaritas dan Karakterisasi Sifat Lisrik, Sifat Optik dan

Struktur Kristalnya

Nama

: Daniel Viktorius

NIM

: G74070052

Disetujui :

Pembimbing

Dr. Ir. Irzaman, M.Si

NIP. 19630708 199512 1001

Diketahui

Ketua Departemen Fisika

(5)

KATA PENGANTAR

Puji Syukur saya ucapkan pada Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan izin-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul Pembuatan Film Lithium Niobate

(LiNbO3) pada Beberapa Molaritas dan Karakterisasi Sifat Lisrik, Sifat Optik dan

Struktur Kristalnya . Setelah berusaha dan berdo'a, hasilnya penulis serahkan kepada

Sang Pencipta. Skripsi ini disusun agar penulis dapat menyelesaikan kuliah dan sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor.

Selanjutnya terima kasih kami sampaikan kepada Bapak Irzaman yang telah memberi semangat, kritik, dan saran kepada penulis agar penulisan hasil penelitian ini dapat selesai. Atas jasa beliau juga penulis dapat menyelesaikan hasil penelitian ini dengan baik. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada orang tua penulis yang selalu memberikan doa dan dukungan agar kami terus berkarya dan mengeluarkan ide-ide agar berguna bagi masyarakat. Kepada seluruh teman-teman di Departemen Fisika IPB penulis juga sangat berterima kasih. Berkat dukungan dan kerjasama dari teman-teman, penulis dapat menyelesaikan penulisan hasil penelitian ini dengan baik. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh pihak yang telah berpartisipasi baik langsung maupun tidak langsung dalam penulisan skripsi ini..

Akhir kata, dengan adanya tulisan ini diharapkan dapat memberikan manfaat yang besar. Kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk kemajuan dari penerapan material yang telah dilakukan penelitian saat ini.

(6)

RIWAYAT HIDUP

(7)

vi

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR LAMPIRAN ... ix BAB 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Tujuan Penelitian ... 1 1.3 Perumusan Masalah ... 1 1.4 Hipotesis ... 1

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 1

2.1 Bahan Ferroelektrik ... 1

2.2 Lithium Niobate (LiNbO3) ... 2

2.3 Sifat Listrik Dielektrik ... 2

2.4 Molaritas ... 2

2.5 Dioda ... 3

2.6 X-Ray Diffraction (XRD) ... 3

2.7 Konduktivitas Listrik dan Resistansi ... 4

2.8 Annealing ... 4

2.9 Spektrofotometer ... 4

2.10 Metode Sol Gel ... 5

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ... 6

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 6

3.2 Alat dan Bahan ... 6

3.3 Prosedur Penelitian ... 6

3.3.1 Pembuatan lithium niobate (LiNbO3) ... 6

3.3.2 Persiapan substrat Si tipe P ... 6

3.3.3 Proses penumbuhan film ... 6

3.3.4 Proses annealing ... 7

3.3.5 Proses metalisasi dan pembuatan kontak pada film ... 7

3.3.6 Karakterisasi ... 7

3.3.6.a Karakterisasi konduktivitas dan resistansi listrik ... 7

3.3.6.b Karakterisasi arus-tegangan (I-V) menggunakan I-V meter ... 7

3.3.6.c Karakterisasi sifat optik absorbansi dan reflektansi ... 8

3.3.6.d Karakterisasi konstanta dielektrik ... 8

3.3.6.e Karakterisasi XRD ... 8

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 8

4.1 Sifat Optik ... 8

4.2 Konstanta Dielektrik ... 10

4.3 Arus-Tegangan (I-V) ... 11

4.4 Konduktivitas Listrik ... 11

4.5 Hasil Karakterisasi XRD ... 15

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 17

DAFTAR PUSTAKA ... 17

(8)

vii

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 4.1. Spektrum panjang gelombang cahaya tampak ... 9 Tabel 4.2. Indeks bias dan energy gap film LiNbO3 ... 9

Tabel 4.3. Nilai konstanta dielektrik film LiNbO3 ... 11

Tabel 4.4. Nilai konduktivitas film LiNbO3 berdasarkan

perbedaan waktu annealing ... 11 Tabel 4.5. Taksiran sudut difraksi dan indeks miller film LiNbO3 ... 16

(9)

viii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Terbentuknya depletion region pada dioda persambungan p-n ... 3

Gambar 2.2 (a) Reverse biased ( b) Forward biased ... 3

Gambar 2.3 Spin coater ... 5

Gambar 3.1 Hasil penumbuhan film LiNbO3 di permukaan substrat Si tipe p ... 6

Gambar 3.2 Proses annealing ... 7

Gambar 3.3 Alat metalisasi film ... 7

Gambar 3.4 Rangkaian untuk menghitung konstanta dielektrik film LiNbO3 ... 7

Gambar 4.1 Hubungan absorbansi dan panjang gelombang ... 9

Gambar 4.2 Hubungan reflektansi dan panjang gelombang ... 9

Gambar 4.3 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam ... 10

Gambar 4.4 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 1 M, pada waktu annealing 15 jam ... 10

Gambar 4.7 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 1 volt ... 12

Gambar 4.10 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam ... 15

Gambar 4.11 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang gelap molaritas 1 M, pada waktu annealing 15 jam ... 15

Gambar 4.12 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 1 M, pada waktu annealing 22 jam ... 15

Gambar 4.13 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 2M, pada waktu annealing 15 jam ... 15

Gambar 4.14 Pola difraksi sinar-X film LiNbO3 ... 16

Gambar 4.15 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 3 volt setelah film 1 M, pada waktu annealing 8 jam dipasang ... 22

(10)

ix

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran 1. Diagram alir penelitian. ... 20 Lampiran 2. Hasil karakterisasi XRD film LiNbO3. ... 21

Lampiran 3. Data massa film sebelum dilakukan annealing dan sesudah proses annealing, contoh perhitungan time constant dan konstanta dielektrik,

(11)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Film merupakan material yang

memberikan harapan baru dalam

pengembangan device sel surya agar memenuhi persyaratan, antara lain biaya rendah dan stabilitas material yang baik. Perangkat dan bahan film juga dapat meminimalkan bahan beracun karena kuantitas penggunaannya pada permukaan dan lapisan film terbatas [1].

Bahan ferroelektrik yang digunakan pada pembuatan film adalah LiNbO3. lithium

niobate (LiNbO3) merupakan bahan

ferroelektrik penting karena sifat-sifat piezoelektrik, electrooptical, pyroelectrical dan photorefractive yang sangat baik [2]. Pembuatan film LiNbO3 menggunakan

peralatan yang cukup sederhana, biaya murah, dan dilakukan dalam waktu yang relatif singkat.

Terdapat berbagai macam metode yang digunakan dalam pembuatan film tipis, antara lain berupa teknik deposisi film seperti sputtering, pulsed laser deposition (PLD), chemical solution deposition ( CSD) dan chemical vapor deposition (CVD) [3]. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode CSD (chemical solution deposition), karena metode CSD memiliki kontrol stoikiometri yang baik, mudah dibuat, dan sintesisnya dapat terjadi pada suhu rendah.

Penelitian film LiNbO3 yang dilakukan

adalah untuk melihat sifatnya melalui kurva hubungan tegangan dan arus (I-V) dan sifat konduktivitas listriknya. Substrat yang digunakan untuk melihat hubungan I-V dan konduktivitas listriknya adalah silikon tipe-p pada suhu annealing 9000C dan lama waktu annealing 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam.

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan umum penelitian ini adalah menumbuhkan film LiNbO3 pada substrat

silikon tipe-p dan menguji sifat listrik, sifat optik dan karakterisasi struktur film LiNbO3.

Tujuan khusus penelitian adalah: 1) Melakukan pembuatan film LiNbO3

murni

2) Melakukan karakterisasi arus-tegangan (I-V) pada setiap film.

3) Menguji sifat ferroelektrik film.

4) Menentukan konstanta dielektrik film dan waktu responnya.

5) Menentukan karakterisasi konduktivitas film.

6) Menentukan karakterisasi reflektansi dan absorbansi film.

7) Menentukan karakterisasi XRD pada film.

8) Mempelajari pengaruh molaritas pada proses karakterisasi film LiNbO3.

Tujuan akhir penelitian ini adalah mengetahui dan mempelajari karakterisasi film LiNbO3 dengan menguji sifat listrik,

sifat optik dan struktur film LiNbO3.

1.3 Perumusan Masalah

1. Bagaimana hasil perbedaan

karakterisasi sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur film lithium niobate (LiNbO3)yang dibuat dengan perbedaan

waktu annealing 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam serta perbedaan molaritas 0,5 M, 1 M, dan 2 M pada suhu tetap 900 oC?.

2. Apa ketebalan film mempengaruhi konstanta dielektrik film dan konduktivitas film?.

1.4 Hipotesis

Perbedaan waktu annealing film

LiNbO3 dan perbedaan molaritas

mengakibatkan sifat struktur kristalnya berubah. Semakin lama film LiNbO3

dilakukan annealing pada suhu 900oC maka film LiNbO3 akan mempunyai sifat listrik,

sifat optik dan sifat struktur yang lebih baik dari film LiNbO3 yang lebih singkat waktu

annealingnya. Molaritas film LiNbO3

sebesar 2 M akan mempunyai sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur yang lebih baik dari film LiNbO3 yang lebih kecil

molaritasnya. Konstanta dielektik dan konduktivitas listrik film LiNbO3 meningkat

jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar. Konstanta dielektrik dan konduktivitas listrik film LiNbO3 yang paling baik pada waktu

annealing 22 jam dan molaritas yang paling baik pada molaritas 1 M.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Bahan Ferroelektrik

(12)

2

dari sifat fisik (permitivitas, indeks bias, permeabilitas magnetik) dari bahan-bahan terhadap suhu, medan listrik, medan magnet dan tekanan, khususnya yang mendekati pada suhu fase transisi, membuatnya menarik untuk diaplikasikan pada perangkat elektronik dan optik contohnya telepon mobile dan modulator optik [4].

Bahan ferroelektrik pada fase polar memiliki polarisasi spontan yang stabil yang dapat diaktifkan oleh medan listrik [5]. Polarisasi yang terjadi merupakan hasil dari penerapan medan yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu material ferroelektrik. Polarisasi ini dapat dihilangkan dengan memberikan medan eksternal yang arahnya berlawanan. Sifat listrik yang ditunjukkan berupa sifat mikroskopiknya. Muatan positif dan negatif pada material ini tidak selalu terdistribusi secara simetris. Momen dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisasi dielektrik.

2.2 Lithium Niobate (LiNbO3)

Film LiNbO3 telah banyak menarik

perhatian karena dapat dimanfaatkan untuk potensi listrik, aplikasi optik dan akustik. LiNbO3 merupakan bahan ferroelektrik

penting karena mempunyai sifat-sifat piezoelektrik, electrooptical, pyroelectrical dan photorefractive [2]. LiNbO3 dibuat

berdasarkan reaksi antara lithium asetat dan niobium oksida. Berikut ini merupakan persamaan reaksi LiNbO3.

2LiC2H3O2 + Nb2O5 + 4O2 2LiNbO3 + 3H2O + 4CO2

Struktur LiNbO3 pada suhu kamar

berbentuk mendekati rhombohedral

(trigonal) dengan group ruang R3c dengan group point 3m. Di permukaan suhu fase transisi, kristal berubah bentuk menjadi centrosymetric dengan group ruang R3m.

Lithium niobate (LiNbO3) adalah

senyawa niobium, lithium dan oksigen. Lithium niobate adalah material yang tidak larut dalam air yang berbentuk padatan. Lithium niobate memiliki sistem kristal trigonal, yang tidak memiliki simetri inversi dan ferroelectricity menampilkan, efek Pockels (efek yang merupakan dasar dari operasi sel Pockels, sel Pockels mungkin digunakan untuk memutar polarisasi dari sinar yang lewat), efek piezoelektrik, fotoelastisitas dan polarisabilitas optik nonlinier. Hal ini transparan untuk panjang gelombang antara 350 dan 520 nanometer.

Lithium niobate (LiNbO3) dapat diolah

oleh magnesium oksida, yang meningkatkan ketahanan terhadap kerusakan optik (juga dikenal sebagai kerusakan photorefractive) ketika diolah di atas ambang rusak optik. Dopan tersedia lainnya adalah Fe, Zn, Hf, Cu, Gd, Er, Y, Mn dan B. Lithium niobate

digunakan secara luas di pasar

telekomunikasi, misalnya dalam telepon mobile dan modulator optik. Ini adalah bahan pilihan untuk pembuatan perangkat akustik gelombang permukaan.

2.3 Sifat Listrik Dielektrik

Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif melambangkan rapatnya fluks elektrostatik dalam suatu bahan bila diberi potensial listrik. Konstanta dielektrik merupakan perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap vakum (ruang hampa). Konstanta dielektrik dilambangkan dengan huruf Yunani εr atau

kadang-kadang κ, K. Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan sebagai

(2.1)

Keterangan: ε merupakan permitivitas bahan, εr adalah permitivitas relatif dan ε0 adalah permitivitas vakum. Permitivitas vakum diturunkan dari persamaan Maxwell dengan menghubungkan intensitas medan listrik E terhadap kerapatan fluks listrik D.

Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan di vakum (ruang hampa) didefinisikan sebagai

(2.2)

Keterangan: 1 adalah konstanta dielektrik pada vakum (ruang hampa), εr adalah permitivitas relatif, χe adalah susceptibility (kerentanan) listrik [10]. 2.4 Molaritas

Dalam ilmu kimia, molaritas (disingkat M). Molaritas suatu larutan menyatakan jumlah mol suatu zat per liter larutan. Misalnya 1.0 liter larutan mengandung 0,5 mol senyawa X, maka larutan ini disebut larutan 0,5 molar (0,5 M). Umumnya konsentrasi larutan berair encer dinyatakan

dalam satuan molar. Keuntungan

menggunakan satuan molar adalah

(13)

ini adalah ketidaktepatan dalam pengukuran volum. Selain itu, volum suatu cairan berubah sesuai suhu, sehingga mo larutan dapat berubah tanpa menambahkan atau mengurangi zat apapun. Selain itu, pada larutan yang tidak begitu encer,

dari zat itu sendiri merupakan

konsentrasi, sehingga hubungan molaritas konsentrasi tidaklah linear.

2.5 Dioda

Dioda adalah sambungan

berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan merupakan

sedangkan bahan tipe-n akan me katoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, dioda berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan negatif sedangkan katoda mendapatkan tegangan positif) dan bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan positif sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif) dan Kondisi tersebut terjadi hanya pada dioda ideal. Tegangan sebesar 0,7 V ini disebut sebagai tegangan halang ( voltage). Pada dioda faktual (

tegangan lebih besar dari 0,7 V (untuk dioda yang dibuat dari bahan silikon). Dioda yang dibuat dari bahan germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3 V

Pada saat dioda tidak diberikan panjar tegangan (unbiased) seperti ditunjukkan Gambar 2.1, terjadi difusi elektron ke segala arah pada setiap tepi-tepi semikonduktor. Beberapa difusi melewati junction

tercipta ion positif pada daerah negatif pada daerah p. Jika ion bertambah banyak, maka daerah di se junction akan terjadi kekosongan dari dan elektron bebas. Daerah ini disebut daerah pengosongan (depletion region Pada suatu saat, depletion region berlaku sebagai penghalang bagi elektron untuk berdifusi lanjut melalui

Diperlukan tegangan yang lebih besar

elektron dapat menembus penghalang

tersebut, yang dikenal dengan istilah tegangan offset. Jika sumber tegangan

tersebut dibalik polaritasnya, maka

rangkaian yang tampak pada Gambar 2.2 (a). itu disebut dengan reverse biased

ini memaksa elektron bebas di dalam daerah n berpindah dari junction ke arah terminal positif sumber, sedangkan

daerah p juga bergerak menjauhi

arah terminal negatif. Gerakan ini akan

ini adalah ketidaktepatan dalam pengukuran . Selain itu, volum suatu cairan sehingga molaritas larutan dapat berubah tanpa menambahkan atau mengurangi zat apapun. Selain itu, pada larutan yang tidak begitu encer, volum molar dari zat itu sendiri merupakan fungsi dari sehingga hubungan

molaritas-Dioda adalah sambungan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah. merupakan sisi anoda akan merupakan katoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, dioda bisa berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan negatif sedangkan katoda mendapatkan tegangan bisa berlaku sebagai sebuah (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan positif sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif) dan Kondisi tersebut terjadi hanya pada Tegangan sebesar 0,7 V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier Pada dioda faktual (nyata), perlu dari 0,7 V (untuk dioda i bahan silikon). Dioda yang ermanium memiliki kira 0,3 V [15].

Pada saat dioda tidak diberikan panjar seperti ditunjukkan terjadi difusi elektron ke segala tepi semikonduktor. junction, sehingga tercipta ion positif pada daerah n dan ion . Jika ion-ion ini bertambah banyak, maka daerah di sekitar terjadi kekosongan dari hole . Daerah ini disebut

depletion region). depletion region akan berlaku sebagai penghalang bagi elektron untuk berdifusi lanjut melalui junction. yang lebih besar agar

elektron dapat menembus penghalang

tersebut, yang dikenal dengan istilah ika sumber tegangan

tersebut dibalik polaritasnya, maka

rangkaian yang tampak pada Gambar 2.2 (a). erse biased. Hubungan ini memaksa elektron bebas di dalam daerah ke arah terminal positif sumber, sedangkan hole di dalam juga bergerak menjauhi junction ke arah terminal negatif. Gerakan ini akan

membuat lapisan pengosong semakin besar sehingga beda potensialnya mendekati harga sumber tegangan, tetapi pada situasi ini, masih terdapat arus kecil, atau disebut arus balik (reverse current). Jika keadaan ini

terus berlanjut, akan tercapai titik

pendobrakan, yang disebut dengan

breakdown voltage [15].

Gambar 2.1 Terbentuknya depletion region pada dioda persambungan [15]

(a) Gambar 2.2 (a) Reverse biased (

biased [16]

Keterangan: Ir merupakan arah arus pada bias mundur dan If merupakan arah arus pada bias maju.

Sebaliknya, jika dioda diberi tegangan seperti pada Gambar 2.2 (b),

positif baterai dihubungkan dengan bahan tipe-p dan kutub negatifnya dihubungkan dengan bahan tipe-n, maka rangkaian ini

disebut dengan forward biased

prategangan maju. Bila tegangan ini

melebihi tegangan yang diakibatkan oleh daerah pengosongan maka forward biased dapat menghasilkan arus yang besar. Kutub negatif sumber dapat mendorong elektr pada bahan tipe-n menuju junction

ini dapat melewati junction dan jatuh ke dalam hole. Bila ini terjadi, elektron akan dapat terus bergerak melalui

bahan tipe-p yang ada menuju kutub positif baterai.

2.6 X-Ray Diffraction (XRD

XRD merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur kristal,

Depletion region

3

pengosong semakin besar sehingga beda potensialnya mendekati harga pada situasi ini, atau disebut arus Jika keadaan ini

terus berlanjut, akan tercapai titik

ut dengan

depletion region pada dioda persambungan p-n

(b) ( b) Forward

merupakan arah arus pada bias merupakan arah arus pada bias maju.

ika dioda diberi tegangan erti pada Gambar 2.2 (b), yaitu kutub positif baterai dihubungkan dengan bahan dan kutub negatifnya dihubungkan , maka rangkaian ini forward biased atau

prategangan maju. Bila tegangan ini

melebihi tegangan yang diakibatkan oleh forward biased s yang besar. Kutub sumber dapat mendorong elektron junction. Elektron dan jatuh ke . Bila ini terjadi, elektron akan dapat terus bergerak melalui hole pada yang ada menuju kutub positif

XRD)

(14)

4

ukuran kristal dari suatu bahan padat. Semua bahan yang mengandung kristal tertentu ketika dianalisa menggunakan XRD akan

memunculkan puncak- puncak yang

spesifik. Sehingga kelemahan alat ini tidak dapat untuk mengkarakterisasi bahan yang bersifat amorf.

Metode difraksi umumnya digunakan untuk mengidentifikasi senyawa yang belum diketahui yang terkandung dalam suatu padatan dengan cara membandingkan dengan data difraksi dengan database yang dikeluarkan oleh International Centre for Diffraction Data berupa Powder Diffraction File (PDF).

Difraktometer menggunakan prinsip difraksi. Ada 3 jenis difraktometer yang dikenal. Penamaan difraktometer ini ditentukan oleh sumber radiasi yang digunakan yaitu difraktometer neutron, sinar-x dan elektron.

XRD yang tepat dirancang untuk aplikasi dalam microstructure pengukuran, pengujian dan penelitian mendalam dalam penyelidikan. Berbagai aksesori yang sesuai dan pengendalian perangkat lunak dan perhitungan dapat dipilih untuk bersurat difraksi sistem sesuai dengan kebutuhan praktis.

XRD menyediakan satu analisis struktur kristal, polycrystalline dan amorphous sampel. termasuk tahap analisis kualitatif dan analisis kuantitatif (RIR, internal standar kalibrasi, standar kalibrasi eksternal, kriteria tambahan), pola pengindeksan, kesatuan tekad dan perbaikan sel, crystallite ukuran dan penetapan strain, profil dan struktur pas perbaikan, penetapan sisa stres, analisis tekstur ( ODF menyatakan tiga dimensi tiang angka), crystallinity memperkirakan puncak dari daerah, analisis film.

X-ray diffractometer utama yang digunakan untuk identifikasi tahapan dalam bentuk serbuk. An x-ray beam yang dikenal panjang gelombang adalah difokuskan pada bubuk sampel dan x-ray difraksi puncak dihitung menggunakan detektor germanium; the d-spacing dari pengamatan difraksi puncak dihitung menggunakan hukum Bragg.

2.7 Konduktivitas Listrik dan Resistansi

Konduktansi listrik (G) adalah kemampuan suatu bahan untuk melewatkan arus listrik dan dinyatakan dalam satuan mho atau siemens (S). Suatu konduktor ideal

dikenal dengan nama super-konduktor memiliki nilai G=0.

Nilai konduktivitas suatu material tergantung dari pita energi.. Material semikonduktor, pada saat kesetimbangan termal pita valensinya terisi penuh sedangkan pita konduksinya kosong. Celah energi (energi gap) antara pita valensi dan pita konduksi relatif sempit, sehingga pada kondisi tertentu memungkinkan terjadi konduksi listrik.

Suhu mempengaruhi nilai resistansi dan konduktivitas suatu material. Material semikonduktor pada umumnya naik nilai konduktivitasnya jika suhu ditingkatkan, sedangkan pada material konduktor jika suhunya dinaikkan nilai konduktivitasnya

pada umumnya menurun. Material

semikonduktor akan berubah menjadi isolator jika suhu absolutnya bernilai nol derajat kelvin.

2.8 Annealing

Tahapan dari proses annealing ini

dimulai dengan memanaskan logam

(paduan) sampai suhu tertentu, menahan pada suhu tertentu tadi selama beberapa waktu tertentu agar tercapai perubahan yang diinginkan lalu mendinginkan logam atau paduan tadi dengan laju pendinginan yang cukup lambat. Jenis annealing itu beraneka ragam, tergantung pada jenis atau kondisi benda kerja, suhu pemanasan, lamanya waktu penahanan, laju pendinginan (cooling rate) dan lain-lain. Proses annealing adalah proses pemanasan baja diatas suhu kritis (723 °C) selanjutnya dibiarkan beberapa lama sampai suhu merata disusul dengan pendinginan secara perlahan-lahan sambil dijaga agar suhu bagian luar dan dalam kira-kira sama hingga diperoleh struktur yang diinginkan dengan menggunakan media pendingin udara. Tujuan proses annealing adalah melunakkan material logam, menghilangkan tegangan dalam yang ada di dalam suatu material yang dapat menganggu proses penumbuhan film LiNbO3 pada

substrat dan memperbaiki butir-butir logam,

yaitu membesarnya ukuran butir

mempengaruhi jarak atom-atom dalam kristal yang semakin berdekatan sehingga mengakibatkan parameter kisi menurun [13]..

2.9 Spektrofotometer

(15)

5

cahaya pada panjang gelombang tertentu ke suatu obyek [26]. Spektrofotometri visible disebut juga spektrofotometri sinar tampak. Yang dimaksud sinar tampak adalah sinar yang dapat dilihat oleh manusia secara kasat mata. Cahaya yang dapat dilihat oleh mata manusia adalah cahaya dengan panjang gelombang 400-800 nm. Elektron pada keadaan normal berada pada kulit atom dengan energi terendah disebut keadaan dasar (ground-state). Energi yang dimiliki sinar tampak mampu membuat elektron tereksitasi dari keadaan dasar menuju kulit atom yang memiliki energi lebih tinggi atau menuju keadaan tereksitasi. Cahaya yang diserap oleh suatu zat berbeda dengan cahaya yang ditangkap oleh mata manusia. Cahaya yang tampak atau cahaya yang dilihat dalam kehidupan sehari-hari disebut warna komplementer. Misalnya suatu zat akan berwarna orange bila zat tersebut menyerap warna biru pada spektrum sinar tampak dan suatu zat akan berwarna hitam bila zat tersebut menyerap semua warna yang terdapat pada spektrum sinar tampak [27]. Pada spektrofotometer sinar tampak, sumber cahaya biasanya menggunakan lampu tungsten yang sering disebut lampu wolfram. Wolfram merupakan salah satu unsur kimia, dalam tabel periodik unsur, wolfram termasuk golongan unsur transisi tepatnya golongan VI B atau golongan 6 dengan simbol W dan nomor atom 74. Wolfram digunakan sebagai lampu pada spektrofotometri tidak terlepas dari sifatnya yang memiliki titik didih yang sangat tinggi yakni 5930 °C [27].

Spektrofotometer dapat digunakan untuk menentukan nilai transmitansi, reflektansi maupun absorbansi suatu zat. Data reflektansi (R) yang diperoleh dapat digunakan untuk menentukan indeks bias (n) dengan menggunakan persamaan 2.3 [31].

n = (2.3)

Keterangan: n= indeks bias, R= reflektansi maksimum yang dapat diperoleh dari kurva persen reflektansi terhadap panjang gelombang.

2.10 Metode Sol Gel

Secara umum fabrikasi film dengan metode sol gel meliputi empat proses; (i) sintesis larutan prekursor, (ii) deposisi larutan prekursor pada permukaan substrat, (iii) pemanasan pada suhu rendah. Perlakuan ini bertujuan menghilangkan pelarut dan senyawa organik lain yang mungkin ada

(biasanya pada suhu 300-400oC) dan pembentukan film yang masih berstruktur amorf dan (iv) perlakuan panas pada suhu tinggi. Perlakuan ini bertujuan untuk kristalisasi film yaitu suatu proses untuk mengubah bentuk film yang berstruktur amorf menjadi film yang berstruktur padatan (biasanya pada suhu 600-1000oC) [42].

Spin coating melibatkan akselerasi dari genangan cairan di permukaan substrat yang berputar. Material pelapis dideposisi di tengah substrat. Proses spin coating dapat dipahami dengan reologi atau perilaku aliran larutan pada piringan substrat yang berputar. Mula-mula aliran volumetrik cairan dengan arah melingkar pada substrat yang diasumsikan bervariasi terhadap waktu. Pada saat t = 0, penggenangan awal dan pembasahan menyeluruh pada permukaan

substrat (tegangan permukaan

diminimalisasi yakni tidak adanya getaran atau diam pada waktu piringan substrat berputar, noda kering dan sebagainya). Piringan lalu dipercepat menggunakan alat spin coater seperti pada Gambar 2.3 dengan kecepatan angular sehingga mengakibatkan bulk cairan terdistribusi secara merata [29]. Beberapa parameter yang berpengaruh dalam proses spin coating adalah viskositas larutan, kandungan padatan, kecepatan angular dan waktu putar.

Proses pembentukan film dipengaruhi oleh dua parameter bebas, yaitu kecepatan putar dan viskositas. Rentang ketebalan film yang dihasilkan oleh spin coating adalah 1-200 µm [30]. Contoh spin coater diperlihatkan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Spin coater

Keterangan: a = piringan spin coater b = display

c = tombol power

(16)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian sudah dilakukan di Laboratorium Material, Laboratorium Biofisika, dan Laboratorium Biofisika Material Departemen Fisika IPB, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor , Laboratorium MOCVD Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung serta Laboratorium XRD di Laboratorium Terpadu Badan Penelitian dan Pengembangan Kehutanan dari bulan September 2011 sampai dengan bulan Juli 2012.

3.2 Bahan dan Alat

Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, reaktor spin coater, mortal, pipet, gelas ukur Iwaki 10 ml, pemanas, pinset, gunting, spatula, stopwatch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petris, tissue, isolasi, LCR

meter, I-V meter, osiloskop,

spektrofotometer, ultrasonik model branson 2210, lampu pijar 100 watt dan furnace model vulcan 3-310.

Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah lithium asetat [(LiO2CH3), 99,9%],

niobium [(Nb2O5),99,9%], pelarut

2-metoksietanol, substrat Si (100) tipe-p, aquades, HF (asam florida), kaca preparat dan aluminium foil.

3.3 Prosedur Penelitian

3.3.1 Pembuatan larutan LiNbO3

Film LiNbO3 yang ditumbuhkan di

permukaan atas substrat silikon tipe-p dengan metode CSD dibuat dengan menggunakan lithium asetat [(LiO2CH3),

99,9%] dan niobium [(Nb2O5),99,9%] serta

2-metoksietanol [H3COOCH2CH2OH,

99.9%] yang digunakan sebagai bahan pelarut [6]. Setelah bahan-bahan dicampur, larutan digetarkan pada ultrasonik model branson selama 1 jam. Setelah itu larutan disaring untuk mendapatkan larutan yang bersifat homogen.

3.3.2 Persiapan substrat Si tipe-p

Substrat yang digunakan adalah substrat Si (100) tipe-p. Kebersihan substrat

sebagai tempat penumbuhan film perlu diperhatikan agar film dapat tumbuh dengan baik dan merata. Substrat dipotong membentuk segi empat dengan ukuran 1 cm x 1 cm dengan menggunakan mata intan. Substrat Si(100) yang telah dipotong kemudian dicuci dengan metanol, aseton, asam florida dan aquades.

3.3.3 Proses penumbuhan film

Substrat yang telah dibersihkan diletakkan di permukaan piringan reaktor spin coater yang telah di tempel dengan isolasi ditengahnya, kemudian di permukaan atas substrat diteteskan larutan LiNbO3

sebanyak 1 tetes, lalu substrat didiamkan selama 3 detik. Kemudian dilakukan pemutaran reaktor spin coater dengan putaran 3000 rpm selama 30 detik. Proses selanjutnya adalah annealing, yaitu pemanasan substrat dengan menggunakan furnace model vulcan 3-310 pada suhu tinggi yakni pada suhu 900°C untuk subtrat Si (100) selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam yang bertujuan untuk mendifusikan larutan lithium niobate (LiNbO3) dengan

substrat. Hasil penumbuhan film LiNbO3

dapat dilihat pada Gambar 3.1.

3.3.4 Proses annealing

Proses pemanasan substrat yang telah di tumbuhi film LiNbO3 pada suhu tinggi

atau proses annealing dilakukan dengan menggunakan furnace model vulcan 3-310. Substrat Si (100) tipe-p di annealing pada suhu 900°C. Proses annealing dilakukan secara bertahap. Proses annealing dapat dilihat pada Gambar 3.2. Pemanasan dimulai pada suhu ruang 280C kemudian dinaikkan hingga suhu annealing 900oC. Setelah kenaikan suhu selama proses 8 jam kemudian pemanas disesuaikan dengan suhu annealing secara konstan selama proses 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace

Substrat Si tipe p

LiNbO3 tipe n

Gambar 3.1 Hasil penumbuhan film LiNbO3 di permukaan substrat Si

(17)

cooling sampai didapatkan ruang selama 12 jam.

Tahapan seperti pada Gambar

Gambar 3.2 Proses annealing

3.3.5 Proses Metalisasi dan Pembuatan Kontak pada

Setelah dilakukan proses

proses selanjutnya adalah persiapan pembuatan kontak yang meliputi proses penganyaman film menggunakan

foil. Tahap selanjutnya metalisasi dengan bahan alumi

teknik evaporasi. Bahan kontak yang dipilih adalah aluminium 99,999%. Setelah kontak terbentuk, maka proses selanjutnya adalah pemasangan kawat tembaga pada kontak yaitu dengan cara memasang kawat deng aluminium menggunakan pasta perak. Selanjutnya, dilakukan penyinaran dengan lampu pijar 100 watt selama kurang lebih 1 jam di permukaan sampel yang telah ditempeli dengan pasta perak

bertujuan untuk mengeringkan pasta per sehingga kawat dapat menyatu

aluminium di permukaan sampel sehingga terbentuklah kontak, untuk memudahkan proses karakterisasi film LiNbO

Gambar 3.3 Alat metalisasi film

900o C

280 C

sampai didapatkan kembali suhu pada Gambar 3.2.

annealing

.

Proses Metalisasi dan ontak pada Film

Setelah dilakukan proses annealing, proses selanjutnya adalah persiapan pembuatan kontak yang meliputi proses nggunakan aluminium adalah proses bahan aluminium dengan kontak yang dipilih nium 99,999%. Setelah kontak maka proses selanjutnya adalah kawat tembaga pada kontak, cara memasang kawat dengan menggunakan pasta perak. Selanjutnya, dilakukan penyinaran dengan lampu pijar 100 watt selama kurang lebih 1 sampel yang telah ditempeli dengan pasta perak. Hal ini bertujuan untuk mengeringkan pasta perak sehingga kawat dapat menyatu dengan sampel sehingga tuk memudahkan proses karakterisasi film LiNbO3.

Alat metalisasi film

3.3.6 Karakterisasi

a. Karakterisasi konduktivitas dan resistansi listrik

Pengukuran nilai konduktivitas dan resistansi menggunakan alat LCR meter. Dari alat tersebut didapatkan nil konduktansi (G). Nilai resistansi didapatkan dari persamaan

R= 1/G

Keterangan: R adalah resistansi (ohm), G konduktansi (S).

sedangkan nilai konduktivitas dapat dicari dari persamanan

RA L

=

σ

Keterangan: σ adalah konduktivitas listrik (S/m L adalah jarak antar kontak (m), A adalah luas

kontak (m2_{), R adalah resistansi (ohm}

Gambar 3.4. Rangkaian untuk menghitung konstanta dielektrik film LiNbO3

Keterangan: R adalah resistansi (ohm) kapasitansi film (Farad), V adalah tegangan adalah luas kontak (m2

), VR adalah

resistansi ( volt) dan VC adalah tegangan pada kapasitansi (volt)).

b. Karakterisasi arus-tegangan menggunakan I-V meter

Pengukuran hubungan arus dan tegangan menggunakan alat I-V meter. Data keluaran dari alat I-V meter merupakan nilai arus dan tegangan, kemudian dibuat hubungan tegangan dan arus menggunakan microsoft excel. hubungan arus dan tegangan (I

7

konduktivitas dan

n nilai konduktivitas dan tansi menggunakan alat LCR meter. didapatkan nilai tansi didapatkan (3.1) resistansi (ohm), G adalah sedangkan nilai konduktivitas dapat

(3.2) alah konduktivitas listrik (S/m),

), A adalah luas ), R adalah resistansi (ohm atau 1/S).

untuk menghitung

3

(ohm), C adalah tegangan film (m), A adalah tegangan pada adalah tegangan pada

tegangan I-V V meter

Pengukuran hubungan arus dan V meter. Data V meter merupakan nilai

(18)

dan gelap dapat diketahui karakteristik film yang dibuat bersifat dioda, resistansi atau kapasitansi.

c. Karakterisasi sifat optik absorbansi dan reflektansi

Alat yang digunakan, yaitu

spektrofotometer model ocean optics DT-mini-2. Karakterisasi sifat optik absorbansi dan reflektansi dilakukan untuk mengetahui tingkat absorbansi, reflektansi dan energy gap film. Energy gap diperoleh dengan cara menentukan energy gap film LiNbO3

berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi pada Gambar 4.3-4.6 [33].

d. Karakterisasi konstanta dielektrik

Pada karakterisasi ini digunakan rangkaian seperti pada Gambar 3.1. Dari rangkaian pengukuran ini ditentukan time constant dan nilai kapasitansi film sedangkan penentuan besar konstanta

dielektriknya dapat menggunakan

persamaan 3.3.

(3.3)

Keterangan: ɛ adalah konstanta dielektrik, C

adalah kapasitansi film (Farad), d adalah

ketebalan film (m), A adalah luas kontak (m2_),_ɛ

0

adalah permitivitas ruang hampa (8,85 x 10-12

F/m).

Permitivitas relatif ɛ menunjukkan sifat kemampuan polarisasi dan menyimpan energi.

e. Karakterisasi XRD

Karakterisasi XRD dilakukan untuk menentukan model struktur kristal film yang telah dibuat, lalu dari hasil pengujian dapat digunakan untuk mencari indeks miller dan parameter kisi struktur kristal film. Sistem kristal trigonal adalah sistem kristal yang hanya dimiliki titik kelompok yang memiliki lebih dari satu sistem kisi terkait dengan kelompok ruang mereka: kisi heksagonal dan rhombohedral kedua muncul. Dalam sistem rhombohedral, kristal digambarkan oleh vektor yang sama panjang, dua di antaranya adalah ortogonal . Sistem rhombohedral dapat dianggap sebagai sistem kubik membentang sepanjang tubuh diagonal a = b = c;. α = β = γ ≠ 90 ° [14].

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Film yang dibuat merupakan

persambungan antara dua buah

semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p, sedangkan lapisan LiNbO3 merupakan semikonduktor

tipe-n [34]. Persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n dikenal dengan nama p-n junction [35]. Dengan adanya p-n junction, maka film yang dibuat sama dengan karakteristik dari dioda.

Sifat optik, sifat listrik, dan struktur film pada waktu annealing 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam pada molaritas 0,5 M, 1 M, 2 M masing-masing menunjukkan hasil yang berbeda. Perbedaan ini mengindikasikan adanya pengaruh lama annealing terhadap film dan juga pengaruh molaritas terhadap film.

4.1 Sifat Optik Film

Alat yang digunakan dalam

karakterisasi sifat optik film LiNbO3, yaitu

spektrofotometer. Dalam spektrofotometer fenomena yang terjadi merupakan interaksi sampel dengan panjang gelombang yang dibangkitkan dari sumber. Panjang gelombang yang digunakan yaitu panjang gelombang cahaya tampak. Karakterisasi ini dilakukan untuk mengetahui tingkat absorbansi dan reflektansi film yang dihasilkan pada panjang gelombang cahaya tampak.

Setelah dilakukan karakterisasi diperoleh kurva hubungan absorbansi dengan panjang gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1. Dari kurva tersebut dapat dilihat film LiNbO3 pada

molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam menyerap cahaya paling banyak pada panjang gelombang 570-600 nm (warna kuning) dan paling rendah pada panjang gelombang 450-500 nm (warna biru). Film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 22 jam menyerap cahaya paling banyak pada panjang gelombang 450-500 nm dan 570-600 nm sedangkan paling rendah pada panjang gelombang 500-550 nm (warna hijau) dan 620-750 nm (warna merah). Film LiNbO3 pada molaritas 1 M

(19)

9

annealing 22 jam, kurva absorbansi yang diperoleh hampir membentuk garis lurus horizontal, artinya tingkat absorbansinya hampir sama untuk setiap panjang gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1.

Selain pengukuran absorbansi juga dilakukan pengukuran terhadap besar reflektansi film. Kurva reflektansi yang dihasilkan merupakan kebalikan dari absorbansi. Jadi dapat disimpulkan bahwa film LiNbO3 pada molaritas 0,5 M dan

waktu annealing 15 jam paling banyak mereflektansi cahaya daripada film LiNbO3

pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam, film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan

waktu annealing 22 jam serta film LiNbO3

pada molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam karena tingkat absorbansinya paling rendah. Perbedaan absorbansi ini mungkin disebabkan oleh jarak atom pada kristal film dari setiap sampel berbeda-beda.

Tabel 4.2 menunjukkan nilai indeks bias dan energy gap film. Indeks bias dapat dicari dengan menggunakan persamaan 2.2, sedangkan energy gap diperoleh dengan memplotkan kurva (αhν)2 terhadap energi, dengan E = , ( keterangan: α adalah koefisien absorbansi, h adalah konstanta planck 4,136 x 10-15 eV.s, ν adalah frekuensi, c adalah kecepatan cahaya 2,998 x 108 m/s, dan λ adalah panjang gelombang dalam satuan meter). Pada Gambar 4.3-4.6 dapat dilihat pengaruh lama annealing film terhadap sifat optiknya. Film LiNbO3

dengan molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam memiliki persen reflektansi dan indeks bias paling besar, sedangkan film dengan molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam memiliki persen reflektansi dan indeks bias paling kecil, artinya semakin lama proses annealing dilakukan dan semakin besar molaritas maka film LiNbO3 memiliki indeks bias yang

semakin kecil dan energy gap film meningkat.

Panjang gelombang cahaya tampak ditabelkan dalam Tabel 4.1 [27].

Tabel 4.1 Spektrum panjang gelombang cahaya tampak

Spektrum Panjang gelombang (nm)

Ungu 380 - 450 Biru 450 - 495 Hijau 495 - 570 Kuning 570 - 590 Jingga 590 - 620 Merah 620 - 750

Tabel 4.2 Indeks bias dan energy gap film LiNbO3 Film LiNbO3 pada molaritas (M) dan waktu annealing (jam) Indeks bias Energy gap Eg (eV) 0,5 ; 15 1,93 2,54 1 ; 15 1,64 3,12 1 ; 22 1,31 2,97 2 ; 22 1,60 3,19 Panjang gelombang (nm) 400 500 600 700 800 900 A b s o rb a n s i (a .u ) 0 1 2 3 4 5

Gambar 4.1 Hubungan absorbansi dan panjang gelombang

Gambar 4.2 Hubungan reflektansi dan panjang gelombang

Film LiNbO3 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam

Film LiNbO3 1 M, pada waktu annealing 15 jam

Film LiNbO2 M, pada waktu annealing 22 jam

Film LiNbO3 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam

(20)

10

Energi (eV) 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 0 5e+11 1e+12 1e+12 2e+12 3e+12 3e+12

Gambar 4.3 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam. Energi (eV) 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 0,0 5,0e+12 1,0e+13 1,5e+13 2,0e+13 2,5e+13 3,0e+13 3,5e+13

Gambar 4.4 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 1 M, pada waktu annealing 15 jam. Energi (eV) 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 0 1e+12 2e+12 3e+12 4e+12 5e+12 6e+12

Gambar 4.5 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 1 M, pada waktu annealing 22 jam. Energi (eV) 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 0 5e+11 1e+12 1e+12 2e+12 3e+12 3e+12

Gambar 4.6 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 2 M, pada waktu annealing 22 jam.

4.2 Konstanta Dielektrik

Konstanta dielektrik (ε) film dicari dengan menggunakan rangkaian seperti pada Gambar 3.1 dengan cara memberikan tegangan masukkan berupa sinyal kotak dari generator dengan frekuensi 20 kHz dan hambatan yang digunakan, yaitu 10 kΩ, sedangkan tegangan yang diberikan, yaitu 1 volt, 3 volt dan 5 volt. Sinyal keluaran yang dihasilkan tampak pada osiloskop seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.8, Gambar4.9, dan Gambar 4.10. Dari sinyal keluaran tersebut dicari time constant (τ) untuk mendapatkan nilai kapasitansi dan konstanta dielektrik film. Time constant (τ) itu sangat mempengaruhi nilai kapasitansi yang selanjutnya juga mempengaruhi konstanta dielektrik film.

Terdapat perbedaan sinyal keluaran pada osiloskop sebelum dan sesudah film

dipasang. Sebagai contoh, pada Gambar 4.8 (a) dan Gambar 4.8 (b) terlihat perbedaan antara sinyal keluaran pada osiloskop sebelum dan sesudah film dipasang. Pada Gambar 4.8 (a) sinyal pada osiloskop masih berbentuk kotak sedangkan pada Gambar 4.8 (b) ada perubahan pada peak sinyal berupa pemotongan sinyal berupa lengkungan karena pada saat itu terjadi pengisian atau pengosongan muatan. Peristiwa pengisian

atau pengosongan muatan ini

mengindikasikan film dapat menyimpan muatan seperti halnya kapasitor.

Dalam penelitian ini variasi tegangan yang digunakan yaitu, 1 volt, 3 volt dan 5 volt. Konstanta dielektrik (ε) yang diperoleh ketika diberikan tegangan berbeda menghasilkan ε yang berbeda.

Eg

=2,54 eV

Eg

=3,12 eV

Eg

=2,97 eV

(21)

11

Dari data yang diperoleh nilai ε semakin kecil ketika tegangannya ditingkatkan hal ini sesuai dengan persamaan 4.1 [38].

(4.1)

Keterangan: d adalah ketebalan film (m), adalah kapasitansi (coulomb/volt atau farad), ε adalah konstanta dielektrik (F/m), A adalah luas kontak (m2_).

Nilai ε semakin kecil ketika tegangannya ditingkatkan mengakibatkan penurunan kapasitansi. Oleh karena itu penurunan kapasitansi menjadikan nilai konstanta dielektrik film semakin kecil.

Tabel 4.3 Nilai konstanta dielektrik film LiNbO3 Film LiNbO3 pada molaritas (M) dan waktu annealing (jam) Ketebalan film (x 10-6 m) Konstanta dielektrik V= 1 volt V= 3volt V= 5volt 0,5 ; 1 0,442 10,3 9,0 7,6 1 ; 8 0,608 18,7 13,1 12,5 1 ; 15 1,888 50,1 48,4 40,4 2 ; 22 2,157 54,6 51,7 44,3

Tabel 4.3 dapat dilihat ada peningkatan konstanta dielektrik (ε) film pada tegangan 1 volt, 3 volt dan 5 volt jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar. Dalam penelitian ini ε paling besar dimiliki oleh film pada waktu annealing 22 jam dan molaritas 2 M dan ε paling kecil dimiliki oleh film pada waktu annealing 1 jam dan molaritas 0,5 M. Hal ini disebabkan oleh ketebalan film yang semakin meningkat.

4.3 Arus-Tegangan (I-V)

Pengukuran I-V film dilakukan dalam kondisi gelap dan kondisi disinari dengan intensitas cahaya 405 lux. Hasil pengukuran I-V menunjukkan film yang telah dibuat peka terhadap cahaya karena terjadi pergeseran kurva dari gelap ke terang ketika diberikan tegangan dari -10 volt hingga +10 volt.

Arus yang dihasilkan film pada kondisi terang lebih besar daripada kondisi gelap karena pemberian cahaya pada film mengakibatkan film tersebut menjadi lebih konduktif. Terjadinya sifat konduktif pada film karena adanya energi foton dari luar

yang diserap oleh elektron yang dipengaruhi oleh kondisi terang dan kondisi gelap. Pada kondisi ini, energi foton memiliki kencenderungan memberikan energi cukup bagi difusi elektron, sehingga peningkatan difusi ini mengakibatkan terjadinya rekombinasi elektron dan hole lebih banyak [39-41].

Dari karakterisasi I-V yang telah dilakukan dapat dikatakan bahwa film yang telah dibuat bersifat fotodioda.

Dari karakterisasi I-V didapat bahwa waktu annealing 22 jam adalah waktu annealing terbaik dibandingkan dengan waktu annealing yang lain, yaitu waktu annealing 1 jam, waktu annealing 8 jam dan waktu annealing 15 jam. Kriteria film LiNbO3 yang memperlihatkan waktu

annealing yang terbaik 22 jam yaitu kurva I-V terang dan kurva I-V gelap yang berbentuk dioda.

4.4 Konduktivitas Listrik

Nilai konduktivitas listrik bahan material yang saya teliti menunjukkan material bersifat semikonduktor. Besarnya nilai konduktivitas listrik berbanding terbalik dengan resistansinya. Konduktivitas listrik meningkat jika resistansi bahan material menurun [41].

Dalam penelitian ini pengukuran konduktivitas listrik film menggunakan LCR meter model HIOKI 3522-50. Dari hasil pengukuran didapatkan nilai seperti dalam Tabel 4.4. Nilai konduktivitas listrik film meningkat jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar. Film pada waktu annealing 1 jam dan molaritas 0,5 M memiliki konduktivitas listrik paling kecil daripada film pada waktu annealing 8 jam dan molaritas 1 M, molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam serta molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam.

Tabel 4.4 Nilai konduktivitas film LiNbO3

berdasarkan perbedaan waktu annealing dan molaritas Molaritas (M) dan waktu annealing (jam) Konduktivitas listrik (x 10-3 S/m) 0,5 ; 1 1,49 1 ; 8 2.05 1 ;15 2,27 2 ; 22 6,66

(22)

yaitu film pada waktu annealing

memiliki konduktivitas paling besar serta berdasarkan perbedaan molaritas.

Besarnya ukuran butir

konduktivitas listrik film, hal ini sesuai dengan persamaan 4.2 [44].

σ=L.e2.N.(2π.m.k.T)-1/2exp(-E/k.T

Keterangan: σ adalah konduktivitas listrik (S/m), adalah energi (J), L adalah ukuran panjang butir (m), adalah konsentrasi pembawa muatan (m

(a)

(b)

(c)

annealing 22 jam onduktivitas paling besar serta berdasarkan perbedaan molaritas.

Besarnya ukuran butir mempengaruhi konduktivitas listrik film, hal ini sesuai E/k.T) (4.2)

adalah konduktivitas listrik (S/m), E adalah ukuran panjang butir (m), N adalah konsentrasi pembawa muatan (m-3

).

Berdasarkan literatur suatu bahan material dikatakan bersifat semikonduktor jika nilai konduktivitas listriknya berkisar antara 10-8 S/cm sampai 103 S/cm [45]. Dari data nilai konduktivitas listrik film yang diperoleh dapat dikatakan bahwa film ini merupakan bahan material semikonduktor karena nilai konduktivitas listrik didapatkan berkisar dalam konduktivitas listrik semikonduktor seperti yang

ditunjukkan dalam Tabel

(d)

(e)

Gambar 4.7 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 1 volt a) Sinyal keluaran sebelum

film dipasang.

b) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 1 jam

dipasang

c) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 8 jam

dipasang

d) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 15 jam

dipasang

e) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 22 jam

dipasang

12

Berdasarkan literatur suatu bahan material dikatakan bersifat semikonduktor jika nilai konduktivitas listriknya berkisar S/cm [45]. Dari data nilai konduktivitas listrik film yang diperoleh dapat dikatakan bahwa film ini merupakan bahan material semikonduktor karena nilai konduktivitas listrik yang berkisar dalam konduktivitas r seperti yang

ditunjukkan dalam Tabel 4.4.

Gambar 4.7 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 1 volt

Sinyal keluaran sebelum keluaran setelah film

1 jam annealing keluaran setelah film 8 jam annealing keluaran setelah film

(23)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

a) Sinyal keluaran sebelum film dipasang.

b) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 1 jam annealing dipasang

c) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 8 jam annealing dipasang

d) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 15 jam

dipasang

e) Sinyal keluaran setelah f 1 M dan 22 jam dipasang

13

Sinyal keluaran pada osiloskop Sinyal keluaran sebelum

keluaran setelah film annealing keluaran setelah film

annealing keluaran setelah film

jam annealing keluaran setelah film

(24)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

a) Sinyal keluaran sebelum film dipasang.

b) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 1 jam annealing dipasang

c) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 8 jam annealing dipasang

d) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 15 jam

dipasang

e) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 22 jam annealing dipasang

14

Sinyal keluaran pada osiloskop Sinyal keluaran sebelum

keluaran setelah film annealing keluaran setelah film

annealing keluaran setelah film

jam annealing keluaran setelah film

(25)

Gambar 4.10 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 0,5 M, waktu annealing 15 jam

Gambar 4.11 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 1 M, waktu annealing 15 jam

4.5 Hasil Karakterisasi XRD

Gambar 4.14 pada halaman menunjukkan pola difraksi sinar

yang dihasilkan. Puncak-puncak difraksi yang terbentuk mengindikasikan partikel film memiliki distribusi orientasi kristal. Dari puncak-puncak difraksi terse

ditentukan indeks miller (h k l

menganggap struktur kristal LiNbO merupakan struktur rhombohedral

Difraksi tiap film terjadi pada bidang (2 0 0) hal ini disebabkan oleh banyaknya bidang pendifraksi pada bidang (2 0 0) yang memiliki parameter kisi yang sama dengan jarak yang berdekatan, sehingga

gelombang yang mengalami difraksi tidak terlalu berbeda fase dan cenderung konstruktif [37]. Pada Gambar 4.1 dapat dilihat intensitas difraksi terendah terjadi pada bidang (110) bahkan pada

M dan waktu annealing -2.00E-03 -1.00E-03 0.00E+00 1.00E-03 2.00E-03 3.00E-03

-5.00E+010.00E+005.00E+01

A r u s (A ) Tegangan (V) -1.00E-04 0.00E+00 1.00E-04 2.00E-04 3.00E-04 4.00E-04 5.00E-04

-5.00E+010.00E+005.00E+01

A ru s (A ) Tegangan (V)

ubungan arus dan tegangan gelap molaritas 0,5 M, pada

ubungan arus dan tegangan gelap molaritas 1 M, pada

Gambar 4.12 Hubungan arus dan tegangan ( I-V) terang dan gelap molaritas 1 M, waktu annealing 22 jam

Gambar 4.13 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 2 M, waktu annealing 22 jam

Karakterisasi XRD

pada halaman 16 menunjukkan pola difraksi sinar-X film puncak difraksi yang terbentuk mengindikasikan partikel film memiliki distribusi orientasi kristal. puncak difraksi tersebut dapat h k l) dengan menganggap struktur kristal LiNbO3

rhombohedral.

film terjadi pada bidang (2 0 0) hal ini disebabkan oleh banyaknya bidang pendifraksi pada bidang (2 0 0) yang parameter kisi yang sama dengan jarak yang berdekatan, sehingga gelombang-gelombang yang mengalami difraksi tidak terlalu berbeda fase dan cenderung ]. Pada Gambar 4.1 dapat dilihat intensitas difraksi terendah terjadi idang (110) bahkan pada molaritas 2 15 jam tidak

terdapat bidang (110), hal ini disebabkan oleh difraksi sinar X yang terjadi berupa interferensi destruktif sehingga gelombang

yang dihamburkan akan saling

menghilangkan. Hal lain yang mengakibatkan bidang (110) tersebut hilang yaitu pada bidang tersebut hanya terdapat sedikit bidang pendifraksi.

Indeks miller yang diperoleh dapat digunakan untuk menentukan parameter kisi LiNbO3 dalam struktur trigonal [

Perbedaan dari empat substrat dibuat adalah pada tingginya intensitas difraksi. Secara keseluruhan i

difraksi tertinggi dimiliki oleh film pada molaritas 2 M dan waktu annealing jam. Sedangkan intensitas difraksi yang paling rendah dimiliki oleh film

pada molaritas 0,5 M dan waktu

15 jam. Oleh sebab itu dapat dikatakan bahwa film LiNbO3 pada molaritas

dan waktu annealing 15 jam [0, 0, 0] Curren t_1 (1) [0, 0, 0] Current _1 (1) [0, 0, 0] Current _1 (1) -4.00E-03 -2.00E-03 0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03

-5.00E+010.00E+005.00E+01

A r u s (A ) Tegangan (V) [0, 0, 0] Curren t_1 (1) [0, 0, 0] Curren t_1 (1) -1.00E-03 -5.00E-04 0.00E+00 5.00E-04 1.00E-03

-5.00E+010.00E+005.00E+01

A r u s (A ) Tegangan (V) Terang Gelap Gelap Terang

15

Gambar 4.12 Hubungan arus dan tegangan gelap molaritas 1 M, pada

Gambar 4.13 Hubungan arus dan tegangan gelap molaritas 2 M, pada

terdapat bidang (110), hal ini disebabkan oleh difraksi sinar X yang terjadi berupa interferensi destruktif sehingga gelombang

yang dihamburkan akan saling

menghilangkan. Hal lain yang bisa mengakibatkan bidang (110) tersebut hilang, yaitu pada bidang tersebut hanya terdapat Indeks miller yang diperoleh dapat digunakan untuk menentukan parameter kisi

[36]. substrat yang dibuat adalah pada tingginya intensitas Secara keseluruhan intensitas film LiNbO3

(26)

16

struktur kristal paling baik daripada sampel yang lain, karena semakin tinggi puncak intensitas difraksi menunjukkan semakin banyaknya jumlah bidang pendifraksi yang seragam dalam orientasi bidang yang sama [38]. Perbedaan lainnya, yaitu adanya pergeseran sudut difraksi pada bidang (110). Pada penelitian ini bidang (110) untuk LiNbO3 terjadi pada 2θ = 31,61

o

(film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan waktu

annealing 15 jam) sedangkan peneliti lain memperoleh sudut difraksi bidang (110) untuk LiNbO3 yaitu 2θ = 31,99

o

. Pada film LiNbO3 dengan molaritas 0,5 M dan waktu

annealing 15 jam bidang (110) terjadi pada 2θ = 33,74o, sudut difraksi ini mendekati sudut difraksi untuk 2-metoksietanol [H3COOCH2CH2OH, 99.9%], yaitu 2θ =

33,10o, sedangkan pada film LiNbO3 dengan

molaritas 1 M, dan waktu annealing 15 jam bidang (110) terjadi pada 2θ = 30,90o, sudut difraksi ini mendekati sudut difraksi lithium asetat [(LiO2CH3), 99,9%], yaitu 2θ = 31,15

o

[36]. Pergeseran sudut difraksi film karena adanya pengaruh lama waktu annealing.

Film pada waktu annealing 8 jam memunculkan bidang (110). Ketika waktu annealing 8 jam memunculkan bidang (110) LiNbO3 dan ketika lama annealing

ditingkatkan menjadi 15 jam memunculkan bidang (110) untuk lithium asetat [(LiO2CH3), 99,9%]. Sedangkan film pada

waktu annealing 22 jam tidak terdapat bidang (110) seperti yang telah dijelaskan sebelumnya.

Besar parameter kisi dapat dilihat pada Tabel 4.6 yang diperoleh dengan metode analitik (dapat dilihat pada Lampiran 3). Dari tabel tersebut dapat dilihat film LiNbO3

pada molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam pada suhu 900OC memiliki parameter kisi dan intensitas difraksi paling besar dibanding film yang lainnya. Dalam penelitian ini parameter kisi a dan b setiap sampel berkisar dari 4,008 - 4,203 Å dan parameter kisi c dari 4,017 - 4,214 Å. Sedangkan dalam JCPDS- International Centre for Diffraction Data (ICDD) dipaparkan bahwa parameter a, b dan c adalah 3,977 Å [36]. 2 Theta 0 20 40 60 80 100 Sampel A Sampel B Sampel C Sampel D

Gambar 4.14 Pola difraksi sinar-X film LiNbO3

Ket: a) film pada molaritas2 M dan waktu annealing 22 jam;

b) film pada molaritas 1 M dan waktu annealing 22 jam;

c) film pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam;

d) film pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam.

Tabel 4.5 Taksiran sudut difraksi dan indeks miller film LiNbO3

Sudut difraksi (2θ)

Indeks miller

( h k l )

Molaritas (M) dan waktu annealing (jam) 0,5 ; 15 1 ; 15 1 ; 22 2 ; 22 33,74* 31,61 30,90** - ( 1 1 0 ) 38,12 38,33 37,98 37,97 ( 1 1 1 ) 44,49 44,03 44,52 44,49 ( 2 0 0 ) 64,84 64,40 64,82 64,80 ( 2 2 0 ) 77,80 77,54 77,88 77,89 ( 3 1 1 )

Keterangan:* = sudut difraksi ini mendekati sudut difraksi untuk 2-metoksietanol [H3COOCH2CH2OH, 99.9%]. ** = sudut difraksi ini mendekati sudut difraksi lithium asetat [(LiO2CH3), 99,9%].

- = tidak ada sudut.

Tabel 4.6 Parameter kisi film LiNbO3