PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216
ANALISIS SPEKTRUM INFRAMERAH DAN STRUKTUR PERMUKAAN FILM TIPIS KARBON AMORF TERHIDROGENASI (a-C:H) YANG DITUMBUHKAN DENGAN REAKTOR DC PECVD
Putut Marwoto Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Semarang Kampus Sekaran, Gunungpati Semarang 50229 email:
[email protected]
Samsudi Sakrani dan Bakar Ismail Jabatan Fizik Fakulti Sains Universiti Teknologi Malaysia 81310 UTM Skudai Johor Bahru Malaysia
Abstrak Film tipis karbon amorf terhidrogenasi (a-C:H) telah ditumbuhkan dengan reaktor DC PECVD dengan menggunakan campuran 2 sccm gas CH4 dan 3 sccm gas argon di atas substrat kaca korning pada suhu kamar dengan kondisi yang berbeda-beda. Struktur film yang ditumbuhkan telah dianalisis dengan menggunakan spektrometer FTIR dan scanning electron microscope. Dari hasil kajian diperoleh bahwa terdapat hubungan antara struktur ikatanr hibrida dan ikatan hidrogen dengan struktur permukaan film a-C:H. Kata kunci: karbon amorf terhidrogenasi, reaktor DC PECVD, spektrum inframerah
Pendahuluan Film karbon amorf terhidrogenasi (a-C:H) telah menarik perhatian karena dapat diaplikasikan pada berbagai bidang seperti teknik mesin, kimia dan elektronik [1]. Film jenis ini dapat mempunyai konsentrasi ikatan hibrida sp3 yang tinggi sehingga dapat bersifat seperti intan (diamond-like/DLC)[2]. Film a-C:H dapat ditumbuhkan dengan reaktor plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) [1,3]. Penumbuhan a-C:H di dalam reaktor PECVD dapat menghasilkan film yang mempunyai ketahanan kimia dan kekerasan mikro yang tinggi, koefisien friksi yang rendah dan transparan untuk sinar inframerah [4]. Film a-C:H biasanya ditumbuhkan pada pada suhu kamar [5,6,7]. Struktur film a-C:H melibatkan ikatan hibrida sp3, sp2 dan sp1, dan berbagai ragam ikatan C-H [7]. Ragam getaran ikatan tersebut secara kualitatif dapat diobservasi dengan menggunakan spektrometer inframerah [7,8] sedangkan struktur permukaan film dapat diobservasi dengan scanning electron microscope (SEM) [7,9,10] Dalam studi yang dilakukan, sebuah reaktor PECVD konvensional untuk menumbuhkan film tipis a-C:H telah dirancangbangun di Laboratorium Film Tipis, Jabatan Fizik, Universiti Teknologi Malaysia [5,6]. Dalam paper ini akan dilaporkan kajian tentang mikrostruktur film a-C:H dengan menggunakan spektrometer inframerah dan SEM.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-10-1
Eksperimen
Gambar 1. Skema reaktor DC PECVD
Dalam eksperimen digunakan reaktor dengan skema seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Film ditumbuhkan pada substrat kaca korning yang diletakkan pada elektroda yang dibumikan. Sebelumnya, substrat dicuci secara berturut-turut dengan larutan trikloroitelen (30 menit), aseton (30 menit) dan metanol (30 menit) menggunakan alat pembersih ultrasonik. Substrat kemudian dibilas dengan aquades dan dikeringkan sebelum dimasukkan ke dalam reaktor. Sebagai sumber gas telah digunakan campuran 2 sccm gas metana dengan 3 sccm gas argon. Reaktor telah divakumkan hingga 0,01 torr dengan pompa vakum mechanical rotary sebelum gas dialirkan ke dalam reaktor. Penguraian gas menjadi plasma dilakukan dengan catu daya DC bervoltan tinggi yang dilaraskan pada 1.5 kV. Sebelum film ditumbuhkan, dilakukan pencucian substrat menggunakan plasma argon selama 10 menit. Dalam eksperimen telah ditumbuhkan 3 sampel dengan parameter pertumbuhan seperti pada Tabel 1. Seluruh sample ditumbuhkan pada suhu kamar selama 4 jam. Spektrum inframerah sampel dikarakterisasi dengan menggunakan peralatan FT-Raman Perkin-Elmer 1600 untuk mengetahui ragam getaran inframerah sampel. Sampel diobservasi dalam ragam getaran stretching (2700 cm-1 – 3200 cm-1) [7] pada suhu kamar dengan resolusi 4 cm-1. Untuk mengobservasi morfologi permukaan film telah digunakan SEM model Philips XL. Tabel 1. Kondisis pertumbuhan sampel
Sampel Sampel-1 Sampel-2 Sampel-3
Tekanan (torr) 0.1 0.1 0.06
Jarak Elektroda (cm) 2.5 4.0 2.0
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
Tegangan Operasi (kV) 0.40 0.54 0.98 G-10-2
Hasil dan Pembahasan
1 % T
2
3
3200
3100
3000
cm-1
2900
2800
2700
Gambar 2. Spektrum inframerah film a-C:H untuk masing-masing sampel. Spektrum inframerah untuk ketiga sampel yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 2. Pada gambar tersebut tampak pita serapan yang tajam dalam selang 2800-3000 cm-1 dengan puncak ~ 2936 cm-1 untuk sampel1. Puncak dapat ditafsirkan sebagai superposisi pita-pita serapan 2955 cm-1 (sp3 CH3 taksimetri), 2920 cm-1 (sp3 CH2 taksimetri dan sp3 CH), 2885 cm-1 yang lemah (sp3 CH3 tak simetri) dan 2990 – 3000 cm-1 (sp2 CH aromatik) [7]. Menurut Robertson (2002)[7], dalam reaktor PECVD konvensional, jumlah ikatan hibrida sp3 berhubungan dengan konsentrasi atom hidrogen.dalam film a-C:H. Atom hidrogen akan berikatan dengan ikatan C=C dalam film, sehingga dapat mengubah ikatan sp2 C menjadi ikatan sp3 =CH2 dan ≡ CH. Sampel-2 mempunjukkan pita serapan yang relatif lebih lemah dalam selang 2800-3000 cm-1 dibandingkan dengan sampel-1. Pita serapan tersebut juga masih merupakan superposisi pita-pita serapan ikatan sp3 CH3 taksimetri, sp3 CH2 taksimetri dan sp2 CH aromatik seperti pada sampel-1. Namun, puncak pita serapan tersebut telah bergeser pada ~ 2950 cm-1. Hal ini dapat terjadi karena pita serapan ~ 2990 – 3000 cm-1 (sp2 CH aromatik) yang semakin kuat. Sampel-3 menunjukkan pita serapan dalam yang paling lemah. dibandingkan dengan kedua sampel lainnya untuk selang 2800-3000 cm-1. Melemahnya pita serapan tersebut menunjukkan bahwa sampel mempunyai jumlah ikatan hibrida sp3 dan ikatan C-H yang relatif rendah [7]. Rendahnya kandungan hidrogen terjadi karena terbebasnya ikatan hidrogen dalam film [8,11]. Tenaga tumbukan ion Ar yang tinggi (lihat Tabel 1) selama proses pertumbuhan film dapat melemahkan dan membebaskan ikatan hidrogen pada film [10].
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-10-3
(a) sampel-1
(b) sampel-2
(c) sampel-3 Gambar 3. SEM untuk masing-masing sampel a-C:H.
Struktur permukaan sampel yang diobservasi dengan SEM pada masing-masing sampel ditunjukkan pada Gambar 3. Permukaan sampel-1 dan sampel-2 memperlihatkan terbentuknya aglomerasi [10]. Terbentuknya aglomerasi semakin meningkat pada sampel-2. Struktur ini mirip dengan morfologi film karbon yang mempunyai struktur nanokluster [12]. Permukaan yang terlihat menonjol pada sampel-2 kemungkinan berhubungan dengan bertambahnya jumlah ikatan sp2 yang membentuk kluster, sebab volume yang ditempati oleh ikatan sp2 adalah jauh lebih besar dibandingkan dengan volume yang ditempati oleh ikatan sp3 [13]. Di samping itu, lemahnya tenaga tumbukan partikel dengan substrat karena jarak elektroda yang cukup jauh kemungkinan juga dapat menyebabkan terbentuknya struktur tersebut. JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-10-4
Sampel-3 memperlihatkan terbentuknya void dengan diameter ~ 100 nm pada permukaan film. Struktur tersebut mirip dengan hasil eksperimen Helmich, et.al (1998) [9]. Terbentuknya void kemungkinan diakibatkan oleh tumbukan antar partikel bertenaga tinggi, khususnya ion Ar+ dalam plasma. Seperti telah disinggung di atas, tumbukan ion argon bertenaga tinggi selama proses pertumbuhan film dapat melemahkan dan membebaskan ikatan hidrogen pada film. Hal ini dapat mengurangi jumlah hidrogen dalam film dan meningkatkan unit C=CH2 sehingga menghasilkan film dengan ketumpatan tinggi [14]. Menurut Rusli et.al (1996) [15], pada tegangan operasi yang tinggi terjadi pemutusan ikatan C-H yang berlebihan sehingga menghasilkan film yang lebih keras.. Berkurangnya ikatan hidrogen dalam film dapat menyebabkan berkurangnya jumlah ikatan sp3 dan terbentuknya ikatan berjuntai dan kecacatan pada permukaan film a-C:H [16]. Dari spektrum inframerah (Gambar 2) dapat dilihat bahwa pada sampel-3 terjadi penyusutan pita serapan 2800-3000 cm-1 secara drastis. Kesimpulan Dari hasil eksperimen dapat disimpulkan bahwa pita serapan inframerah dalam selang 2800-3000 cm-1 berhubungan dengan struktur permukaan film. Film dengan konsentrasi ikatan sp3 dan konsentrasi hidrogen yang tinggi mempunyai struktur permukaan dengan aglomerasi relatif lebih rendah dibandingkan film yang mempunyai konsentrasi ikatan sp3 dan konsentrasi hidrogen yang lebih rendah. Terbentuknya void pada film a-C:H disebabkan oleh terbebasnya ikatan hidrogen pada permukaan film akibat tumbukan ion bertenaga tinggi pada permukaan film. Daftar Pusaka [1] Hong, J., Goullet, A., and Turban, G., (2000), ‘Optical characterization of hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) thin films deposited from methane plasma”, Thin Solid Films, Elseiver, 364, pp. 144-149. [2] Gilkes, K.W.R., Sands, H.S., Batchelder, D.N., Milne, W.I., Roberson, J., (1998), ‘Direct observation of sp3 bonding in tetrahedral amorphous carbon UV Raman spectroscopy’, Journals of Crystalline Solids, 227-230 pp. 612-618. [3] Cheng, Y. H., Yu, Y.P., Xiao,J.G., Xie, X.L., Tay, C.S., Lau, B.K.., and Shi, S.P., (2000), ‘On the mechanism of a-C;H films by plasma enhanced chemical vapor deposition,’, Surface and Coating Technology, Elseiver, 135, pp. 27-33. [4] Thiery, F., Valee,C., Pauleau, Y., Gaboriau,F., Lacoste, A., Arnal, Y., Pelletier, J., (2002), ‘Characterization of amorphous hydrogenated carbon films deposited from CO-C2H2 mixtures in a distributed ECR plasma reactor’, Surface and Coating Technology, Elseiver, 151-152, pp. 165-169. [5] Putut. Marwoto, Suriani Abu Bakar, Samsudi Sakrani, Bakar Ismail dan M. Khairi Saidin, (2003), ‘Struktur Film Tipis karbon Amorf Terhidrogenasi Yang Ditumbuhkan Dengan Teknik DC-PECVD’, Makalah disampaikan pada Seminar Nasional Fisika Fissika-2003 di Universitas Negeri Semarang, [6] Bakar Ismail, Suriani Abu Bakar, Samsudi Sakrani, M. Khairi. Saidin and Putut Marwoto, (2003), ‘ A Correlation between the structural and optical properties of hydrogenated amorphous carbon thin films deposited by a DC PECVD methods‘, Paper presented during Symposium on Advances in Fundamental Science Research,, Johor Bahru. [7] J. Robertson, (2002), ‘Diamond-like amorphous carbon’, Material Science and Engineering, Elseiver, R 37, pp 129-281.
[8] Y.O. Cho, J.M. Cho, W.J. Jun, O.H. Cha, E.K. Suh, K.H. Yu, S.C. Yu, J.K. Lee, (2002), ‘ Spin density in hydrogenated amorphous carbon films – different originations’, Diamond and Related Materials, Elseiver, 11, pp. 1848-1853. [9] ] Helmich, A., Jung, T., Kielhorn, A., Riblan, M. (1998). “CVD processes by hollow cathode glow discharge.” Surface and Coating Technology. 98. 1541 – 1546. [10] Sarangi,D., Panwar, O.S., Kumar, S. and Bhattacharyya, R., (2000) ‘Characterization studies of diamond-like carbon films grown using a saddle-field fast-atom-beam source’, J. Vac. Sci. Techol. A, American Vacuum Society, 18(5) , pp. 2302-231. JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK G-10-5 UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
[11] Lacerda, R.G., Stolojan, V., Cox, D.C., Silva, S.R.P., Marques, F.C. (2002)’Structural characterization of hard a-C:H films as a function of the methane pressure’, Diamond and Related Materials, Elseiver, 11, pp. 990-984. [12] Chen, C.W. and .Robertson,J., (1998). “Nature of disorder and localization in amorphous carbon.” Journal of Non-Crystalline Solids. 227 – 230. 602 – 606. [13] Helmich, A., Jung, T., Kielhorn, A., Riblan, M. (1998). “CVD processes by hollow cathode glow discharge.” Surface and Coating Technology. 98. 1541 – 154. [14] Bouree, J.E., Godet. C., Drevillon, B., Etemadi, R., Heitz, T., Cernogora., J., Fave, J.L,.(1996). “Optical and luminescence properties of polymer-like a-C:H films deposited in dual-mode PECVD reactor.” Journal of Non-Crystalline Solids. 198 – 200. 623 – 627. [15] Rusli, Robertson, J., Amaratunga, G.A.J., (1997). “ Photoluminescence in hydrogenated amorphous Carbon.” Diamond and Related Materials. 6. 700 – 703. [16] Robertson, J., (1997). “Electronic structure of diamond-like carbon.” Diamond and Related Materials. 6. 212 – 218.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-10-6
