Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 21 November 2015 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
ANALISISIS ENERGY GAP DAN INDEKS BIAS FILM TIPIS Ba0,5Sr0,5TiO3 DIDADAH Ga2O3 BERDASARKAN METODE REFLEKTANSI YADDI ARRUAN BONGA 1*, JOHANSAH LIMAN 2, ADE KURNIAWAN 3, ETI ROHAETI 4, IRZAMAN 5 1*
Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik dan Ilmu Komputer, Universitas Kristen Krida Wacana, Jakarta. 2 Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik dan Ilmu Komputer, Universitas Kristen Krida Wacana, Jakarta. 3 Asisten Lab. Fisika Material Elektronik Departemen Fisika FMIPA IPB, Bogor. 4 Staf Pengajar Departemen Kimia FMIPA IPB, Bogor. 5 Staf Pengajar Departemen Fisika FMIPA IPB, Bogor. Abstrak. Telah berhasil dibuat film tipis Barium Stronsium Titanat (BST), dengan fraksi molar Ba0,5 dan Sr0,5 (Ba0,5Sr0.5TiO3) yang didadah Galium Oksida (Ga2O3) sebanyak 0%, 5% dan 10% di atas substrat Si(100) tipe-p, menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD) berbantukan spin coating berkecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik dalam kelarutan 1 M. Film tipis di annealing pada suhu 850oC selama 22 jam. Analisis sifat optik dilakukan dengan menggunakan alat Ocean Optics USB4000 pada rentang panjang gelombang cahaya tampak (350-790 nm). Perhitungan energy gap dan indeks bias diturunkan dari hasil reflektansi, sampel film tipis BST yang didadah dengan 0% menghasilkan energy gap 1,7 eV dan indeks bias 1,5 pada rentang panjang gelombang 729 nm yang peka terhadap spektrum warna merah, untuk sampel film tipis BST yang didadah dengan 5% menghasilkan energy gap 2,02 eV dan indeks bias 1,9 pada rentang panjang gelombang 613 nm yang peka terhadap spektrum warna jingga, untuk sampel film tipis BST yang didadah 10% menghasilkan energy gap 1,654 eV dan indeks bias 1,4 pada rentang panjang gelombang 748 nm yang peka terhadap spektrum warna merah. Kata kunci: Ba0.5Sr0.5TiO3 , Ga2O3, CSD, energy gap, indeks bias. Abstract. A thin film Barium Strontium Titanate with a fraction molar of Ba0.5 and Sr0.5 (Ba0.5Sr0.5TiO3) doped by Galium Oxide (Ga2O3) as 0%, 5% and 10% on substrate Si(100) p-type using the Chemical Solution Deposition (CSD), spin coatings speed 3000 rpm for 30 seconds in its solubility of 1 M have been successfully made. The thin film in annealed in furnace at temperature 850oC for 22 hours. Analysis of the optical properties is done by the using Ocean Optics USB4000 range of wavelengths visible light (350-790 nm). The calculating of energy gap and refractive index are derived from the measured reflectance. The result of thin film without dope produced energy gap 1.7 eV and refractive index 1.5 at wavelength of 729 nm, this is sensitive to red light spectrum; the thin film with 5% dope produced energy gap 2.02 eV and refractive index 1.9 at wavelength of 613 nm, this is sensitive to orange light spectrum; the thin film with 10% dope produced energy gap 1.654 eV and refractive index 1.4 at wavelength of 748 nm, this is sensitive to red light spectrum. Keywords: Ba0.5Sr0.5TiO3 , Ga2O3, CSD, energy gap, refractive index.
1. Pendahuluan Perkembangan ilmu pengetahuan teknologi semakin marak dan berkembang. Salah satu penelitian terhadap material ferroelectric banyak menarik perhatian *
email:
[email protected] FM-1
F
FM-2
Yaddi Arruan Bonga, dkk
para ahli fisika karena material ferroelectric ini sangat menjanjikan terhadap perkembangan device generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Sifat-sifat bahan ferroelectric dapat difabrikasi sesuai kebutuhan serta mudah diintegrasikan dalam bentuk devais [1]. Barium Titanat (BaTiO3) merupakan salah satu material ferroelectric yang sering digunakan untuk aplikasi di bidang elektronik [2]. Barium Stronsium Titanat (BST) adalah material yang memiliki karakteristik konstanta dielektrik yang tinggi dan kebocoran arus rendah [3]. Pembuatan BST dapat menggunakan peralatan yang cukup sederhana, dengan biaya yang murah dan mampu dilakukan dengan waktu yang relatif singkat [4]. Dalam aplikasinya, pembuatan BST dapat dilakukan dengan menggunakan teknik diantaranya Chemical Solution Deposition (CSD), Pulsed Laser Deposition (PLD), Sputtering dan Metallo Organic Chemical Deposition (MOCVD) [5,6]. Pada makalah ini, hasil pembuatan film tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 (BST) yang diteteskan di atas substrat silikon tipe-p dilakukan dengan menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD) yang diikuti dengan proses spin coating pada kecepatan 3000 rpm selama 30 detik dan proses annealing pada suhu 850oC selama 22 jam. Tujuan dari penelitian ini yaitu untuk menganalis energy gap dan indeks bias dari film tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 (BST) tanpa dan dengan didadah Ga2O3 di atas substrat Si(100) tipe-p menggunakan metode CSD (Chemical Solution Deposition). 2. Metode Penelitian Alat dan Bahan Alat dan bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini yaitu neraca analitik model Sartonius BL6100, Ultrasonikator Branson 2510, spin coater, Furnace Vulcan TM-3000, Spektroskopi UV-Vis Ocean Optics USB4000, potongan substrat Si(100) tipe-p, aqua bidest, Barium Asetat [Ba(CH3COO)2], Stronsium Asetat [Sr(CH3COO)2], Titanat Oksida [TiO2], Galium Oksida [Ga2O3] dan 2-Metoksietanol [(H3COCH2CH2OH)]. Pembuatan Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 Larutan Ba0,5Sr0,5TiO3 diperoleh dengan pencampuran bahan-bahan kimiawi menurut penyetaraan reaksi sebagai berikut: 0,5Ba(CH3COO)2 + 0,5Sr(CH3COO)2 + TiO2 + O2 Ba0,5Sr0,5TiO3 + CO2 + H2O Prosedur penimbangan (menggunakan neraca analitik model Sartonius BL6100) bahan-bahan yang berasal dari hasil penyetaraan persamaan reaksi kimiawi dilakukan untuk memperoleh larutan 1 M. Berdasarkan hasil perhitungan, maka komposisi bahan-bahan yang dibutuhkan, antara lain: a. Barium Asetat [Ba(CH3COO)2] dengan massa sebesar 0,3193 gr. b. Stronsium Asetat [Sr(CH3COO)2] dengan massa sebesar 0,2571 gr. c. Titanat Oksida [TiO2] dengan massa sebesar 0,1997 gr. d. Galium Oksida [Ga2O3] dengan massa sebesar 0 gr (sebagai pendadah 0%), massa sebesar 0,0260 gr (sebagai pendadah 5%) dan massa sebesar 0,0521 gr (sebagai pendadah 10%). e. 2-Metoksietanol [(H3COCH2CH2OH)] sebanyak 2,5 ml.
Analisis Energy Gap dan Indeks Bias Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 Didadah.....
FM-3
Hasil pencampuran bahan-bahan Ba0,5Sr0,5TiO3 tanpa dan dengan didadah Ga2O3 beserta 2,5 ml 2-Metoksietanol sebagai pelarutnya akan menghasilkan tiga jenis variasi larutan, yaitu Ba0,5Sr0,5TiO3 + 0% Ga2O3 (larutan Ba0,5Sr0,5TiO3 tanpa didadah Ga2O3), Ba0,5Sr0,5TiO3 + 5% Ga2O3 dan Ba0,5Sr0,5TiO3 + 10% Ga2O3. Prosedur pencampuran dari ketiga jenis variasi larutan ini diaduk menggunakan Ultrasonikator model Branson 2510 selama 90 menit agar diperoleh larutan yang homogen. Penumbuhan Film Tipis dan Proses Annealing Proses penetesan dari larutan yang telah homogen dilakukan dengan menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD). Substrat Si(100) tipe-p yang telah ditetesi oleh larutan Ba0,5Sr0,5TiO3 (tanpa dan dengan didadah Ga2O3) diputar menggunakan alat spin coater dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Proses penetesan dan pemutaran substrat Si(100) tipe-p dilakukan sebanyak tiga kali tetesan dengan waktu jeda selama satu menit di setiap penetesan. Film tipis yang telah melewati proses Chemical Solution Deposition (CSD), selanjutnya di-annealing menggunakan Furnace VulcanTM-3000 pada temperatur 850C selama 22 jam. Karakterisasi Optik Film Tipis BST Pengujian sifat optik berupa nilai reflektansinya dilakukan untuk mengamati spektrum pemantulan cahaya dari film tipis BST. Sumber cahaya yang digunakan adalah cahaya tampak, sedangkan alat yang digunakan dalam pengujian ini adalah Spektroskopi UV-Vis Ocean Optics USB4000. Analisis nilai reflektansinya berupa perhitungan nilai energy gap dan indeks bias. Energy gap diperoleh dengan membuat plotting hubungan antara:
* (
)+
terhadap hv
Ekstrapolasi dilakukan pada kurva yang memiliki gradien tertinggi dan memotong sumbu hv. Nilai yang memotong sumbu hv merupakan nilai energy gap. Metode ini dikenal dengan metode reflektansi. Sedangkan, indeks bias diperoleh melalui persamaan: n=
√ √
[4]
3. Hasil dan Pembahasan Gambar 1, Gambar 2 dan Gambar 3 menunjukkan nilai dari karakterisasi reflektansi ( vs Reflektansi (%)), indeks bias dan energy gap film tipis berbahan Ba0,5Sr0,5TiO3 tanpa dan dengan didadah Ga2O3. Hasil dari pengujian dan perhitungan berdasarkan metode reflektansi terangkum dalam Tabel 1.
F
FM-4
Yaddi Arruan Bonga, dkk
(a)
(b)
(c) Gambar 1. Ba0,5Sr0,5TiO3 + 0% Ga2O3: (a) vs Reflektansi (%) (b) Indeks bias (c) Energy gap
(a)
(b)
(c) Gambar 2. Ba0,5Sr0,5TiO3 + 5% Ga2O3: (a) vs Reflektansi (%) (b) Indeks bias (c) Energy gap
Analisis Energy Gap dan Indeks Bias Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 Didadah.....
(a)
FM-5
(b)
(c) Gambar 3. Ba0,5Sr0,5TiO3 + 10% Ga2O3: (a) vs Reflektansi (%) (b) Indeks bias (c) Energy gap
Tabel 1. Hubungan variasi unsur pendadah, indeks bias, energy gap, panjang gelombang dan spektrum warna Bahan Ba0,5Sr0,5TiO3 + 0% Ga2O3 Ba0,5Sr0,5TiO3 + 5% Ga2O3 Ba0,5Sr0,5TiO3 + 10% Ga2O3
Indeks bias 1,5 1,9 1,4
Energy gap (eV) 1,7 2,02 1,654
Panjang gelombang (nm) 729 613 748
Spektrum warna Merah Jingga Merah
4. Kesimpulan Film tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 (BST) yang ditumbuhkan di atas substrat Si(100) tipe-p dengan metode CSD menggunakan pendadah yang bervariasi yakni 0%, 5%, 10%, telah berhasil dibuat. Hasil analisis menggunakan metode reflektansi menghasilkan rentang panjang gelombang 450 sampai 750 nm dengan indeks bias 1,4 sampai 1,9 dan energy gap 1,654 eV sampai 2,02 eV. Ucapan Terima Kasih Studi ini merupakan hasil kerjasama antara FMIPA-IPB Bogor sebagai penyedia fasilitas laboratorium beserta material untuk pembuatan film tipis dengan Universitas Kristen Krida Wacana sebagai penyedia dana.
F
FM-6
Yaddi Arruan Bonga, dkk
Daftar Pustaka 1. R. Dewi Karakterisasi Mikrostruktur Material Feroelektrik Ba0.8Sr0.2TiO3 (BST) dengan Variasi Suhu Annealing, Jurnal Fisika Indonesia 53, (XVIII), Agustus 2014. 2. D. F. Saputri dan S. Hadiati, Pengaruh Doping Strontium pada Lapisan Tipis BaZr0,20Ti0,80O3, JURNAL FISIKA DAN APLIKASINYA, Vol. 9, No. 2, JUNI 2013. 3. Irzaman, Studi Fotodioda Film Tipis Semikonduktor Ba0.6Sr0.4TiO3 Didadah Tantalum, Jurnal Sains Materi Indonesia, 10 (1), hal. 18-22, 2007. 4. J. Liman, B. Harsono, T. T. Rohman, U. Trimukti, M. Khalid, E. Rohaeti, Irzaman. Uji Sifat Optik Film Tipis Ba0,55Sr0,45TiO3 di atas substrat corning glass 7059, diterima di Jurnal Fisika Indonesia, 2015. 5. Y. Xin, R. Wei S. Peng W. Xiaoqing, and Y. Xi, Enhanced tunable dielectric properties of Ba0.5Sr0.5TiO3/Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7 Multylayer thin films by A sol-gel proces, thin solid films, Vol. 520, No. 2, pp. 789-792, 2011. 6. Umar, Faanzir, A.W. Nuayi, R Siskandar, H. Syafutra, H Alatas, dan Irzaman, uji sifat optik pada film tipis Ba0.55Sr0.45TiO3, prosiding simposium Nasional Inovasi dan Pembelajaran Sains (SNIPS), ITB Bandung, hal. 280-284, 2013. 7. J. Liman, B. Harsono, A. Kurniawan, J. Iskandar, E. Rohaeti, Irzaman, Penumbuhan Film Tipis Ba0.5Sr0.5TiO3 di atas Substrat Si (100) Type-p dengan Metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan Analisis Sifat Optik, to be Published in Prosiding LINOF 2015, Pusat Penelitian Fisika-LIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015. 8. B. Harsono, J. Liman, A. Kurniawan, J. Iskandar, E. Rohaeti, Irzaman, Penumbuhan Film Tipis Ba0.5Sr0.5TiO3 di atas Substrat Corning Glass 7059 dengan Metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan Analisis Sifat Optik, to be Published in Prosiding LINOF 2015, Pusat Penelitian FisikaLIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015. 9. J. Liman, B. Harsono, A. Kurniawan, E. Rohaeti, Irzaman, Making Photodiode Based on Ba0.5Sr0.5TiO3 Thin Film on Type-p Si (100) Substrat with Chemical Solution Deposition (CSD) Method, to be Published in International Conference on Science, Technology and Interdisciplinary Research 2015 (IC STAR-2015), Bandar Lampung, 21-23 September 2015. 10. B. Harsono, J. Liman, A. Kurniawan, J. Iskandar, E. Rohaeti, Irzaman, Ba0.5Sr0.5TiO3 Based Photodiode Application as Light Sensor for Automatic Lighting Control Switch, to be Published in International Conference on Science, Technology and Interdisciplinary Research 2015 (IC STAR-2015), Bandar Lampung, 21-23 September 2015.
