KARAKTERISASI OPTIK DAN LISTRIK FILM Ba0.55Sr0.45TiO3 UNTUK APLIKASI SENSOR KADAR GULA DARAH
HADYAN AKBAR
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Juli 2014 Hadyan Akbar NIM G74100062
ABSTRAK HADYAN AKBAR. Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah. Dibimbing oleh IRZAMAN dan HERIYANTO SYAFUTRA. Telah berhasil dibuat film tipis Ba0.55Sr0.45TiO3 di atas substrat Silikon (100) tipe-p dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan spin coating berkecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik dalam kelarutan 1 M. Film tipis di annealing pada suhu 750 oC, 775 oC, 825 oC, 875 oC dan 925 oC selama 15 jam dengan laju kenaikan suhu 1.67 oC/menit. Hasil uji optik menunjukkan film BST dapat mengabsorbsi cahaya tampak sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah non-invasive. Analisis energi band gap menggunakan metode Tauc Plot diperoleh hasil nilai dalam rentang 2.843-3.169 eV. Hasil uji listrik memperlihatkan film BST umumnya bersifat dioda. Hasil SEM dari film BST dengan suhu annealing 750oC menunjukkan adanya ketakhomogenan pada morfologi permukaannya sehingga bersifat resistor. Hasil EDX menunjukkan bahwa komposisi penyusun pada BST tidak sepenuhnya sesuai dengan stokiometri.
Kata kunci: BST, EDX, sifat listrik, sifat optik, sensor kadar gula darah
ABSTRACT HADYAN AKBAR. Optical and Electrical Characterization of Ba0.55Sr0.45TiO3 Films For Blood Sugar Level Sensor Application. Supervised by IRZAMAN and HERIYANTO SYAFUTRA. Ba0.55Sr0.45TiO3 films had been successfully deposited on the substrate of ptype Silicon (100) using Chemical Solution Deposition (CSD) and spin coating method with 3000 rpm rotation speed for 30 seconds and 1 M solubility. Thin film was annealed at temperature of 750 oC, 775 oC, 825 oC, 875 oC and 925 oC for 15 hours with rate of temperature rise 1.67 oC/minute. Optical test results showed the BST films can absorb visible light, so it can be used for non-invasive blood sugar level sensors. Analysis of the band gap energy performed using the Tauc Plot method results with the range of 2.843-3.169 eV. Electrical test results demonstrated the BST films are diodes. SEM results of BST films showed a nonhomogeneous surface morphology. EDX results showed that the composition of the BST constituent is not fully in accordance with stoichiometry.
Keywords: BST, EDX, electrical properties, optical properties, blood sugar level sensor
KARAKTERISASI OPTIK DAN LISTRIK FILM Ba0.55Sr0.45TiO3 UNTUK APLIKASI SENSOR KADAR GULA DARAH
HADYAN AKBAR
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
Judul Skripsi : Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah Nama : Hadyan Akbar NIM : G74100062
Disetujui oleh
Dr Ir Irzaman, MSi Pembimbing I
Heriyanto Syafutra, MSi Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Akhiruddin Maddu, MSi Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang, penulis mengucapkan syukur kepada-Nya yang telah memberi rahmat dan karunia-Nya karena berkat-Nya penulis bisa menyelesaikan skripsi yang berjudul Karakterisasi Optik dan Listrik Film Ba0.55Sr0.45TiO3 untuk Aplikasi Sensor Kadar Gula Darah. Dalam penulisan skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak, oleh karena itu penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Ibunda Avi Rosyani, ayahanda Henry Sulistyadi, beserta keluarga besar yang selalu mendoakan dan mendukung penulis tanpa batas. 2. Dr Ir Irzaman, MSi sebagai pembimbing I dan Heriyanto Syafutra, MSi sebagai pembimbing II yang telah memberikan dukungan ilmu dan moral. 3. Seluruh staff dan dosen Fisika Institut Pertanian Bogor yang telah membantu penulis selama kuliah. 4. Dewi, Vivi, Ratna, Yuyun, Sinta, Habib, Kharis, Setiawan, Ryan, dan Kamil sebagai teman diskusi, serta pemberi semangat penulis. 5. Teman-teman fisika 47, adik-adik fisika 48 dan 49 yang telah memberikan dukungan kepada penulis. 6. Teman-teman kontrakan C29 Upay, Adam, Bayu dan Teteh Ani yang selalu membantu penulis. Selanjutnya, penulis menyadari bahwa skripsi ini jauh dari sempurna, maka dari itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun. Semoga skripsi ini bermanfaat. Bogor, Juli 2014 Hadyan Akbar
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
1
Tujuan Penelitian
1
Manfaat Penelitian
1
Ruang Lingkup Penelitian
1
Hipotesis
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
METODE
3
Bahan
3
Alat
3
Prosedur Analisis Data
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
7
Hasil Karakterisasi Optik (Metode Tauc Plot)
7
Karakterisasi Listrik (Teknik Moving Average dan Metode Werner)
8
SIMPULAN DAN SARAN
11
Simpulan
11
Saran
11
DAFTAR PUSTAKA
11
LAMPIRAN
13
RIWAYAT HIDUP
17
DAFTAR TABEL 1 2 3 4 5
Komposisi massa pada pembuatan BST Parameter listrik BST Perhitungan nilai energi band gap BST Perhitungan parameter listrik BST Komposisi atom penyusun BST menggunakan analisis EDX pada suhu annealing 875 oC
3 9 13 14 16
DAFTAR GAMBAR 1
Absorbansi gula darah dengan konsentrasi (1) 0 g/ml, (2) 0.5 g/ml, dan (3) 1 g/ml 2 Film BST setelah pembuatan kontak 3 Set-up alat uji optik 4 Set-up alat uji I-V 5 Grafik perbandingan koefisien absorbansi dan panjang gelombang 6 Penentuan energi band gap dengan menggunakan metode Tauc Plot 7 Grafik perbandingan tegangan terhadap arus 8 Hasil uji SEM dengan perbesaran 50 kali (kiri) dan 5000 kali (kanan) 9 Grafik bantuan perhitungan energi band gap 10 Grafik bantuan perhitungan Rs dan n 11 Grafik bantuan perhitungan Is dan Φb
2 4 5 5 7 8 8 9 13 14 15
DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3
Contoh perhitungan energi band gap BST pada suhu 775 oC Contoh perhitungan parameter listrik BST pada suhu 775 oC Contoh perhitungan stokiometri BST pada suhu 875 oC
13 14 16
PENDAHULUAN
Latar Belakang Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) memperkirakan jumlah pasien diabetes di seluruh dunia pada tahun 2013 sebesar 177 juta jiwa dan terus meningkat hingga 300 juta jiwa pada tahun 2025.1 Saat ini pemeriksaan penyakit diabetes bergantung pada pemantauan konsentrasi gula darah dengan metode invasive, yaitu pasien harus menusuk jari atau lengan untuk diambil sampel darah. Oleh karena itu diperlukan suatu alat pengukur kadar gula darah non-invasive dengan memanfaatkan suatu sensor yang dapat mendeteksi kadar gula darah secara akurat. BST atau Barium Strontium Titanat merupakan material fotodioda yang menarik untuk digunakan sebagai sensor cahaya pada alat ukur kadar gula darah non-invasive karena sifatnya yang merupakan material ferroelektrik. Material ferroelektrik banyak menarik perhatian para ahli fisika karena material ferroelektrik sangat menjanjikan terhadap perkembangan divais generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Selain itu, material ferroelektrik BST diharapkan memiliki energi yang besar karena nilai dielektriknya yang tinggi.2,3 Perumusan Masalah Berdasarkan sifat optik dan sifat listrik apakah film BST sesuai dengan karakter sensor yang dibutuhkan oleh alat ukur kadar gula darah non-invasive?
Tujuan Penelitian Mengetahui sifat optik, sifat listrik, serta analisis komposisi dan SEM film BST untuk aplikasi sensor kadar gula darah.
Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah dapat mengetahui apakah film BST dapat diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah berdasarkan sifat optik dan listriknya.
Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup penelitian ini dibatasi pada penentuan parameter optik menggunakan persamaan Tauc Plot dan parameter listrik menggunakan metode Werner.
2 Hipotesis Film BST mempunyai karakteristik komponen elektronik dioda yang mempunyai serapan pada panjang gelombang cahaya tampak yang dapat diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah.
TINJAUAN PUSTAKA Barium Strontium Titanat (BST) Material BST merupakan salah satu material thin film ferroelektrik yang memiliki sifat opto-electric.4 Jika film BST diberikan cahaya, maka film tersebut akan menjadi lebih konduktif.5 Sifat konduktif ini dapat muncul karena energi foton dari luar diserap oleh elektron. Pada pita valensi, sebagian elektron yang tidak terikat dapat bereksitasi menuju pita konduksi dan menghasilkan arus listrik. Difusi elektron tersebut dapat mempersempit celah antara pita valensi dan pita konduksi, sehingga saat dikenai cahaya, film BST dapat mencapai tegangan knee lebih cepat dan memiliki arus yang lebih besar.4,5 Dengan adanya perubahan tersebut, film BST memiliki respon yang baik terhadap cahaya dan dapat berfungsi sebagai divais fotodioda.6,7 Divais fotodioda banyak diteliti sebagai fotodetektor seperti pada pembuatan sensor kadar gula darah. Perubahan spektrum absorbansi gelombang elektromagnetik akibat peningkatan konsentrasi gula pada plasma darah yang berada pada panjang gelombang 415 nm, 542 nm, dan 575 nm ditunjukkan pada Gambar 1.8 Fotodioda Fotodioda merupakan sensor cahaya semikonduktor yang dapat mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik.9 Cahaya yang dapat dideteksi oleh fotodioda ini yaitu cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu, sampai dengan sinar-x.10 Cahaya yang dikenakan pada fotodioda mengakibatkan terjadinya pergeseran foton yang menghasilkan pasangan electron-hole di kedua sisi dari sambungan, yang biasa disebut sambungan p-n. Jika sebuah sambungan p-n dibias maju dan diberi cahaya, maka pertambahan arus menjadi sangat kecil, sedangkan jika sambungan p-n dibias mundur, arus akan bertambah cukup besar.11
Gambar 1 Absorbansi gula darah dengan konsentrasi (1) 0 g/ml, (2) 0.5 g/ml, dan (3) 1 g/ml
3
METODE Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bubuk Barium Asetat [Ba(CH3COO)2, 99%], Strontium Asetat [Sr(CH3COO)2, 99%], Titanium Isopropoksida [Ti(C12O4H28), 99%], pelarut 2-metoksietanol [H3COCH2CH2OH, 99%], substrat Si (100) tipe-p, substrat kaca preparat, aquabides, HF (asam florida), dan alumunium foil. Alat Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, spin coater, mortar, mikrometer pipet, gelas ukur Iwaki 10 ml, pemanas (furnace) NaberthermTM, solder, pinset, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petris, tissue, isolasi, I-V meter Keithley 2400, spektroskopi VIS-NIR Ocean Optics USB2000, monokromator. Prosedur Analisis Data Pembuatan Film BST Pembuatan film diawali dengan penyiapan substrat silikon sebagai media tumbuh film BST. Pertama, pemotongan silikon tipe-p sesuai dengan ukuran dan bentuk substrat yang dibutuhkan. Kedua, pembuatan cairan pencuci yakni mencampurkan larutan HF 5% dan aquades dengan perbandingan 1:5. Ketiga, substrat dicuci dengan mencelupkannya kedalam cairan pencuci selama 10 detik. Keempat, substrat dibersihkan menggunakan aquades dan dikeringkan dengan tisu. Langkah berikutnya adalah menyiapkan larutan BST yakni dengan menyiapkan pelarut, 2-metoksietanol, dan menimbang massa Barium asetat, Strontium asetat, Titanium isopropoksida. Titanium isopropoksida bersifat cair dan mudah mengental sehingga pada proses penimbangan diakhirkan. Komposisi massa yang dibutuhkan ditunjukkan pada Tabel 1. Larutan didapat dengan memasukkan Barium asetat, Strontium asetat dan pelarut kedalam cairan Titanium isopropoksida. Terakhir, larutan disonikasi selama 1 jam untuk mendapatkan larutan yang homogen denga kelarutan 1 M. Tabel 1 Komposisi massa pada pembuatan BST Bahan Massa Barium Asetat 0.2109 g Strontium Asetat 0.1391 g Titanium Isopropoksida 0.4271 g 2-metoksi etanol 1.5 ml (
) +
( +
) + ( O
)+ (1)
4 Tahap berikutnya adalah penumbuhan film BST pada substrat silikon menggunakan metode Chemical Solution Deposition, CSD, atau disebut juga dengan spin coating. Pertama, substrat ditempelkan pada bagian tengah spin coater menggunakan double tip. Selanjutnya setengah atau sepertiga bagian subtrat ditutupi isolasi agar pada proses ini bagian tersebut tidak terlapisi film BST. Setelah itu teteskan tiga tetes larutan BST 1 M kebagian substrat yang tidak dilapisi isolasi. Beberapa saat kemudian spin coater dinyalakan selama 30 detik. Kecepatan putar spin coater yang dipakai 3000 rpm. Setelah 30 detik, spin coater dimatikan. Satu menit kemudian 3 tetes larutan BST diteteskan kembali dan selanjutnya spin coater pun dinyalakan kembali untuk selang waktu yang sama. Proses ini dilakukan sebanyak 3 kali untuk setiap sampel. Tahap terakhir dari proses penumbuhan film BST adalah dengan memanaskan substrat yang sudah dilapisi larutan BST pada 5 variasi suhu yaitu 750 oC, 775 oC, 825 oC, 875 o C dan 925 oC. Tahap pemanasan sampel merupakan tahapan penting. Kegagalan pada proses ini dapat menyebabkan sampel rusak dan pembuatan sampel harus diulangi dari awal. Bahkan perlakuan yang berbeda dapat mempengaruhi kualitas sampel. Pada tahap pemanasan ini digunakan pemanas Furnace NaberthermTM. Laju kenaikan suhu yang dipakai 1,67 oC/menit. Setelah mencapai suhu yang diinginkan, suhu dijaga konstan selama 15 jam. Sesudah itu suhu dibiarkan turun selama 14,5 jam. Pembuatan Kontak Pembuatan kontak di atas permukaan substrat silikon dan diatas film tipis BST dilakukan di Laboratorium MOCVD Departemen Fisika FMIPA Institut Teknologi Bandung ditunjukkan pada Gambar 2. Karakterisasi Optik (Metode Tauc Plot) Pengukuran nilai absorbansi dilakukan dengan spektroskopi VIS-NIR Ocean Optics USB2000 dengan data keluaran berupa besar absorbansi terhadap nilai panjang gelombang. Set-up karakterisasi optik ditunjukkan pada Gambar 3. Sumber cahaya yang digunakan adalah cahaya polikromatis. Penentuan energi gap didapat dengan mengolah data absorbansi. Adapun analisanya adalah dengan memplot hubungan koefisien absorpsi terhadap energi foton yang diberikan ke sampel melalui persamaan Tauc Plot.12
Gambar 2 Film BST setelah pembuatan kontak
5
Gambar 3 Set-up alat uji optik ( dengan ( )
)
(2) ( )
Penentuan energi gap dilakukan dengan cara membuat grafik hubungan (hv) dan hv memakai nilai koefisien absorpsi () dan nilai eksponen (n) yang didapat dari langkah sebelumnya. Dari grafik tersebut, dicari nilai gradien maksimum antara dua data terdekat, kemudian dicari persamaan garisnya. Dari persamaan garis tersebut didapatkan nilai energi gap. n
Karakterisasi Listrik (Teknik Moving Average dan Metode Werner) Karakterisasi I-V merupakan suatu cara untuk menentukan sebuah piranti elektronik memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda. Karakterisasi ini dilakukan menggunakan I-V meter dengan set-up seperti Gambar 4. Keluaran dari karakterisasi ini adalah grafik arus terhadap tegangan, dimana terdapat variasi keadaan gelap dan terang. Penentuan parameter elektronik diawali dengan melicinkan data hasil pengukuran I-V menggunakan teknik moving average menggunakan lima titik data. Selanjutnya untuk menentukan turunan dI/dV digunakan metode approksimasi polinomial kuadrat terkecil bertitik lima melalui persamaan dibawah ini.13 ( ) ( ( ) )( (3) )
Gambar 4 Set-up alat uji I-V
6 Kemudian untuk turunan di dekat ujung-ujung bekalan data ditentukan melalui persamaan dibawah ini [16]. ( ) ( ( ) )( (4) ) ( ) ( ( )
( )
( (
)(
(
(
)
)
)(
(
)
)(
)
(5) )
(6) )
(7)
Selanjutnya nilai turunan dI/dV digunakan sebagai nilai konduktansi, G, untuk penentuan nilai hambatan seri menggunakan Metode Werner. Hambatan seri, Rs, menyatakan material limbak (bulk material) dalam semikonduktor dan kontak ohmik. Konduktansi, Gp, merupakan konduktansi paralel. Kedua parameter ini dianggap tidak bergantung pada tegangan yang diberikan.14 Penentuan nilai hambatan seri, Rs, diawali dengan membentuk grafik hubungan G/I dengan G pada pemberian tegangan bias maju. Selanjutnya dari grafik tersebut dicari persamaan garis lurus yang mewakili semua data. Berdasarkan Metode Werner, persamaan garis lurus tersebut menunjukkan persamaan konduktasi pada persamaan dibawah ini. (8) Dengan demikian nilai gradien pada persamaan garis lurus yang didapat sama dengan nilai Rs/n, dan nilai perpotongan terhadap sumbu G/I, sama dengan nilai /n. Selanjutnya penentuan nilai Rs di dapat melalui persamaan (9) dengan m dan c berturut-turut adalah gradien dan titik perpotongan terhadap sumbu vertikal dari persamaan garis lurus yang diperoleh. Kemudian faktor idealitas, n, dapat ditentukan melalui persamaan (10) -19 dengan = q/kT dengan q adalah muatan elektron (1.6 x 10 C), k adalah konstanta Boltzman (1.38 x 10-23 J/K) dan T adalah suhu dalam Kelvin. Nilai Rs yang sudah didapatkan dengan Metode Werner kemudian digunakan untuk mengkoreksi data tegangan melalui persamaan (11) dengan Vd, V dan I berturut-turut adalah tegangan hasil koreksi, data tegangan hasil pengukuran dan data arus hasil pengukuran. Selanjutnya nilai Vd dan I digunakan untuk membuat grafik Vd terhadap ln (I). Grafik Vd terhadap ln (I) selanjutnya digunakan untuk menentukan nilai arus saturasi, Is dengan cara mencari persamaan garis lurus yang mewakili data tersebut. Persamaan garis lurus yang didapat mewakili persamaan berikut (12) Faktor idealitas, n, diperoleh dari gradien garis tersebut. Nilai n dapat diperoleh melalui persamaan (13)
7 dengan m adalah nilai gradien persamaan garis. Selanjutnya penentuan potensial penghalang, b, didapat dari persamaan emisi termoionik Φ ( ) ( ( Φ Φ
Φ
)
Φ
) ( (
) )
(14)
dengan A* adalah konstanta richardson termodifikasi untuk silikon tipe-p, A adalah luas kontak. Dalam penentuan potensial penghalang ini digunakan nilai konstanta Richardson A*, luas kontak A, dan suhu T, secara berturut-turut 32 A.cm-2.K-2, 0.0225 cm2 dan 300 K.15
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Karakterisasi Optik (Metode Tauc Plot) Absorbansi merupakan ukuran seberapa banyak cahaya yang dapat diserap oleh sampel. Gambar 5 menunjukkan nilai koefisien absorbansi untuk masingmasing variasi suhu. Masing-masing BST dengan suhu annealing yang berbeda dapat mengabsorbsi cahaya pada panjang gelombang cahaya tampak walaupun tidak spesifik pada panjang gelombang tertentu, sehingga sampel dapat diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah non-invasive walaupun sensitivitasnya masih relatif kecil.Secara umum, BST memiliki nilai koefisien absorbansi lebih besar dari 104 cm-1. Ini menunjukkan bahwa BST mengalami jenis transisi tidak langsung.
Gambar 5 Grafik perbandingan koefisien absorbansi dan panjang gelombang
8
Gambar 6 Penentuan energi band gap dengan menggunakan metode Tauc Plot Penentuan energi band gap menggunakan metode Tauc Plot dapat dilihat pada Gambar 6. Energi band gap pada suhu annealing 750 oC, 775 oC, 825 oC, 875 oC dan 925 oC berturut-turut adalah 2.963 eV, 3.024 eV, 3.022 eV, 2.843 eV, dan 3.169 eV. Arti fisis dari nilai tersebut adalah energi yang diperlukan untuk mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Secara keseluruhan, suhu annealing berpengaruh terhadap energi band gap. Hal ini diduga karena adanya energi termal yang menyebabkan perubahan energi eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Contoh perhitungan energi band gap BST pada suhu 775 o C terlampir pada Lampiran 1. Karakterisasi Listrik (Teknik Moving Average dan Metode Werner)
Gambar 7 Grafik perbandingan tegangan terhadap arus
9 Karakteristik listrik dari BST pada suhu annealing 775 oC, 825 oC, 875 oC dan 925 oC menunjukkan sifat dioda. Hasil ini berbeda dengan hasil penelitian Irzaman et al16 yang menyatakan semuanya bersifat resistor. Hal ini dimungkinkan perbedaan proses pencucian substrat yang dilakukan. Pada penelitian Irzaman et al pencucian dilakukan selama 30 detik, sedangkan pada penelitian ini dilakukan selama 10 detik. Lama waktu pencucian memungkinkan terjadinya reaksi antara HF dan silikon seperti yang terjadi pada proses pengikisan.17 Khusus untuk suhu annealing 750 oC menunjukkan sifat resistor, hal ini dimungkinkankarena kontak aluminium menempel di bagian yang tidak ditumbuhi BST. Hal ini didukung oleh hasil uji SEM yang menunjukkan bahwa BST yang tumbuh tidaklah homogen, terdapat bagian-bagian yang tidak terlapisi BST. Parameter listrik didapat dari analisi kurva I-V menggunakan metode Werner. Pada suhu annealing 750 oC, kurva menunjukkan sifat resistor dengan nilai hambatan sebesar 26.32 Ω. Sedangkan untuk suhu annealing 775 oC, 825 oC, 875 oC dan 925 oC dilakukan analisis sifat dioda. Nilai Rs digunakan untuk mengkoreksi nilai tegangan pada kurva I-V. Nilai n merupakan faktor idealitas dari dioda. Nilai n yang semakin mendekati 1 menunjukkan semakin ideal suatu dioda. Nilai Is menunjukkan arus saturasi, yaitu arus yang mengalir sebelum mencapai tegangan barrier. Arus saturasi cenderung meningkat dengan bertambahnya suhu annealing. Nilai Φb menunjukkan nilai tegangan barrier atau pembatas jumlah elektron yang berdifusi masuk ke pita konduksi. Dioda yang dibias maju akan dapat menghantarkan arus sepenuhnya setelah melewati tegangan barrier ini. Nilai tegangan barrier cenderung meningkat dengan bertambahnya suhu annealing, akan tetapi perubahan nilainya tidak begitu signifikan. Contoh perhitungan parameter listrik BST pada suhu 775 oC terlampir pada Lampiran 2. Tabel 2 Parameter listrik BST Suhu Annealing (oC) 750 775 825 875 925
R (Ω) 26.32 -
Rs (Ω) 307.03 4451.57 1386.21 1669.62
n 8.52 27.53 7.97 4.44
Is (μA) 0.45 2.02 8.05 5.03
Φb (eV) 0.56 0.64 0.61 0.62
Gambar 8 Hasil uji SEM BST untuk suhu annealing 750 oC dengan perbesaran 50 kali (kiri) dan 5000 kali (kanan)
10 Bentuk permukaan sampel BST dengan suhu annealing 750 oC dapat terlihat pada Gambar 3. Dari kedua gambar tersebut disimpulkan bahwa sampel yang dibuat tidak homogen, ditandai dengan adanya retakan-retakan pada permukaan. Selain itu terdapat pecahan gelembung larutan BST yang tidak tersebar merata pada proses spin coating berlangsung. Tabel 3 Komposisi atom penyusun BST menggunakan analisis EDX Nama Unsur
Komposisi Atom Berdasarkan Stokiometri (%)
Komposisi Atom Berdasarkan EDX (%)
750 oC Barium Strontium Titanium Oksigen Silikon Rubidium
5.68 4.65 10.33 30.98 -
5.68 1.24 6.25 33.43 49.92 3.48
Ba0.55Sr0.12Rb0.34Ti0.61O3.24
775 oC Barium Strontium Titanium Oksigen Silikon Rubidium
5.38 4.40 9.78 29.35 -
5.38 1.87 2.92 26.34 58.65 4.84
Ba0.55Sr0.19 Rb0.49 Ti0.30 O2.69
825 oC Barium Strontium Titanium Oksigen Silikon Rubidium
2.72 2.23 4.95 14.83 -
2.72 0.25 1.26 22.84 68.29 4.64
Ba0.55 Sr0.05 Rb0.94 Ti0.25 O4.62
875 oC Barium Strontium Titanium Oksigen Silikon Karbon Rubidium
7.58 6.20 13.78 41.35 -
7.58 0.56 0.13 46.94 37.38 5.90 1.52
Ba0.55 Sr0.04 Rb0.11 C0.43Ti0.01 O3.41
12.68 5.73 0.13 54.98 7.36 19.12
Ba0.55 Sr0.24 C0.83Ti0.01 O2.38
925 oC Barium 12.68 Strontium 10.37 Titanium 23.05 Oksigen 69.16 Silikon Karbon *Komposisi Barium digunakan sebagai acuan
Tabel 3 menunjukkan komposisi atom penyusun dari BST. Komposisi atom penyusun BST berdasarkan EDX tidak sesuai dengan stokiometri. Komposisi atom berdasarkan hasil uji EDX secara umum lebih kecil dibandingkan dengan stokiometri serta timbulnya pengotor berupa rubidium dan karbon. Hal ini
11 dikarenakan adanya unsur yang menguap pada saat pembuatan sampel BST. Penguapan pada proses annealing ini mengakibatkan konsentrasi dari masingmasing unsur mengalami pengurangan, sehingga wajar jika terdapat perbedaan antara hasil perhitungan stokiometri dengan hasil yang ditunjukkan pada karakterisasi EDX. Secara umum, setiap sampel BST terdapat pengotor Rubidium. Timbulnya unsur Rubidium dimungkinkan berasal dari bahan dasar penyusun BST, karena bahan Barium asetat, Strontium asetat dan Titanium isopropoksida yang digunakan tidak 100% murni. Pada sampel dengan suhu annealing 875 oC dan 925 oC terdapat unsur karbon. Timbulnya unsur karbon diduga berasal dari gugus asetat yang telah menguap kemudian bereaksi kembali pada suhu tinggi (875 oC dan 925 oC). Contoh perhitungan stokiometri BST pada suhu 875 oC terlampir pada Lampiran 3.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Hasil uji optik menunjukkan film BST dapat mengabsorbsi cahaya tampak sehingga dapat diaplikasikan sebagai sensor kadar gula darah non-invasive. Hasil uji listrik berupa faktor Rs, n, Is, dan tegangan barrier memperlihatkan film BST umumnya bersifat dioda. Hasil SEM dari film BST dengan suhu annealing 750 oC menunjukkan adanya ketakhomogenan pada morfologi permukaannya serta memperlihatkan masih banyaknya permukaan silikon yang tidak tertumbuhi BST, sehingga mengakibatkan sampel tersebut bersifat resistor. Hasil EDX menunjukkan bahwa komposisi penyusun pada BST tidak sepenuhnya sesuai dengan stokiometri. Hal ini dikarenakan adanya unsur yang menguap pada saat pembuatan sampel. Saran Berdasarkan uji listrik, grafik I-V menunjukkan masih adanya noise, sehingga mengurangi sensitivitas dari sampel, sehingga perlu dilakukan penelitian ulang dengan perlakuan yang lebih baik. Selain itu diperlukan uji analisis XRD dan EDX kembali untuk mengetahui asal unsur rubidium dan karbon yang terbentuk pada sampel BST serta untuk memperoleh sampel BST yang stokiometri.
DAFTAR PUSTAKA 1 2
World Health Organization. 1994. Prevention of Diabetes Milletus. Penerjemah, Arisman. Jakarta: Hipokrates. Enhassari E, Parviz A, Ozaee K, Abyaneh HH. Synthesis and Characterization of Barium Strontium Titanate (BST) Micro/Nanostructures Prepared by Improved Methods. Int J Nano Dim 2011; 2: 85-103.
12 3
4 5 6
7
8
9
10
11
12 13
14 15
16
17
Singh SB, Sharma HB, Sarma HNK, Phanjoubam S. Structural and optical properties of Barium Strontium Titanate (Ba0.5Sr0.5TiO3) Thin Films. Ferroelectrics Letters 2006; 33: 83-90. Setiawan C. 2013. Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Larutan Glukosa Berbasis Film Barium Stronsium Titanat (BST). [skripsi]. Bogor: IPB. Huriawati F. 2009. Sintesis Film BST Didadah Niobium dan Tantalum serta Aplikasinya sebagai Sensor Cahaya. [tesis]. Bogor: IPB. Arief A, Irzaman, M. Dahrul, H. Syahfutra. Uji Arus-Tegangan Film Tipis Br0.5Sr0.5TiO3 dengan Pendadah Niobium Penta Oksida sebagai Sensor Cahaya. Prosiding Seminar Nasional Fisika 2010. hlm 205-212. Irzaman, Syahfutra H, Darmasetiawan H, Hardhienata H, Erviansyah R, Huriawati F, Akhiruddin, Hikam H, Arifin P. Electrical Properties of Photodiode Ba0.25Sr0.75TiO3 (BST) Thin Film Doped with Ferric Oxide on p-type Si (100) Substrate Using Chemical Solution Deposition Method. Atom Indonesia 2011; 37(3):133-138. A. N. Bashkatov, D. M. Zhestkov, É. A. Genina, dan V. V. Tuchin. Immersion Clearing of Human Blood in the Visible and Near-Infrared Spectral Regions. Optics and Spectroscopy 2005; 98 (4): 638–646. Sugiarti H. 2010. Pemrograman Informasi Lahan Parkir Berbasis Mikrokontroler ATMEGA8535 dengan Menggunakan BASCOM-AVR. Medan: Departemen Fisika USU. Piyoh YI, Shanti M, Setiawan A. 2012. Perancangan dan Pengujian Sistem Pengukuran Sinar UV dari Intensitas Matahari. Salatiga: Universitas Kristen Satya Wacana. Irzaman, A. Fuad, D. Rusdiana, H. Saragih, T. Saragi, M. Barmawi. 2001. Spectral Response of Al/Si Photodiode as IR Sensor. Bandung: Departemen Fisika ITB. Joshi GP, Saxena NS, Mangal R, Mishra A and Sharma TP. 2003. Band gap determination of Ni-Zn ferrites. Bull Mater Sci. 26(4):387 – 389. Scheid F. 1992. Teori dan Soal-Soal Metode Numerik. Silaban P, penerjemah. Jakarta : Erlangga. Terjemahan dari Theory and Problems of Numerical Analysis. 259 – 291. Aubry V and Meyer F. 1994. Schottky Diode with High Series Resistance: Limitations of Forward I - V methods. J Appl Phys. 76(12): 7973 – 7984. Rancasa, Endang. 2013. Karakterisasi Sifat Optik dan Sifat Listrik Barium Strontium Titanat (BST) sebagai Fotodetektor Cahaya Hijau. [tesis]. Bogor : IPB. Irzaman, Syafutra H, Rancasa E, Nuayi AW, Nurrahman TG, Nuzulia NA, Supu I, Sugianto, Tumimomor F, Surianty, Muzikarno O, Masrur. 2013. The effect of Ba/Sr ratio on electrical and optical properties of BaxSr1xTiO3 thin film semiconductor. Ferroelectric. 445:4-17. Muñoz EC, Heyser CA, Schrebler RS, Henriquez RG and Marotti RE. 2011. Photoelectrochemical reduction of nitrate ions on porous silicon and different silicon modified electrodes. J Chil Chem Soc. 56: 781 – 785.
13
LAMPIRAN Lampiran 1 Contoh perhitungan energi band gap BST pada suhu 775 oC (
)
dengan ( ) Tabel 3 Perhitungan nilai energi band gap BST Panjang Gelombang (nm) Absorbansi α (cm-1) 394.52 394.72 394.93 395.13 395.34
( hʋ = (
0.311 0.317 0.299 0.295 0.284
)
14737.30453 15021.62551 14168.66255 13979.11523 13457.86008
(2) ( )
(αhʋ)½ (eV.cm-1) ½ 0.977255441 0.995604527 0.938572436 0.925547568 0.890562317
= 14737.305 cm-1
(
) ( ) (
) )
= 3.142 eV
(αhʋ)½ = (14737.30453 x 3.1423) ½ = 0.977 (eV.cm-1) ½ Lakukan hal yang sama untuk setiap panjang gelombang. Setelah selesai, plot grafik hʋ terhadap (αhʋ)½
Gambar 9 Grafik bantuan perhitungan energi band gap Setelah itu tentukan gradien terbesar, kemudian carilah persamaan garisnya. Bandingkan persamaan tersebut dengan persamaan (2) y = -8.197x + 24.79 Sehingga Eg =
= 3.024 eV
14 Lampiran 2 Contoh perhitungan parameter listrik BST pada suhu 775 oC Tabel 4 Perhitungan parameter listrik BST V (V) I (A) G (A/V) 1.77E-02 5.80E-06 -0.000308887 4.68E-02 3.22E-06 -3.14457E-05 6.90E-02 2.80E-06 0.000179893 9.88E-02 1.63E-05 0.000316523 1.27E-01 2.60E-05 0.000341124
G/I (V-1) -53.2276 -9.76246 64.25979 19.3925 13.12232
Vd (V) 0.015965 0.045781 0.068163 0.093743 0.119182
ln (I) -12.0571 -12.6458 -12.7861 -11.023 -10.5576
Ambil data I-V bias maju, kemudian carilah nilai G dengan menghitung nilai dI/dV. Setelah nilai G didapat, carilah nilai G/I. Plot grafik G terhadap G/I. G/I 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
G
0 0
0.001
0.002
0.003
0.004
Gambar 10 Grafik G vs G/I untuk membantu perhitungan Rs dan n Persamaan garis dari grafik y = -1393x + 4.537 dibandingkan dengan persamaan (8) (8) (15) Dengan β =
=(
(
) ) (
= 38.65 C/J
)
Dengan membandingkan persamaan dari grafik dengan persamaan (15), disimpulkan bahwa = 4.537 n=
=
= 8.52
15
= 307.03 Ω
Rs =
Nilai Rs digunakan untuk mengkoreksi nilai tegangan berdasarkan persamaan (11) Vd = V – I Rs (11) Vd = 1.77x10-2 – (5.8x10-6)x (307.03) = 0.016 eV Setelah nilai Vd didapat, plot grafik Vd terhadap ln (I) 0
Vd 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
-2 -4 -6 -8 -10 -12 -14
ln (I) Gambar 11 Grafik Vd vs ln (I) untuk membantu perhitungan Is dan Φb Persamaan garis yang didapat dari grafik y = 4.209x -10 dibandingkan dengan persamaan (12) (12)
Dengan membandingkan persamaan dari grafik dengan persamaan (12) disimpulkan bahwa ln Is = -10 Is = e-10 = 0.45 μA Nilai Φb didapat dari persamaan (14) (
Φ (
Φb = (1.38x10-23) x (300) x ln (
)
(
)
(
) )
) = 0.56 eV
(14)
16
Lampiran 3 Contoh perhitungan stokiometri BST pada suhu 875 oC Tabel 5 Komposisi atom penyusun BST menggunakan analisis EDX pada suhu annealing 875 oC Nama Unsur
Komposisi Atom Berdasarkan Stokiometri (%) Barium 7.58 Strontium 6.20 Titanium 13.78 Oksigen 41.35 Silikon Karbon Rubidium *Komposisi Barium digunakan sebagai acuan
Fraksi mol Sr =
x 0.56 = 0.04
Fraksi mol Rb =
x 1.52 = 0.11
Fraksi mol C =
x 5.90 = 0.43
Fraksi mol Ti =
x 0.13 = 0.01
Fraksi mol O =
x 46.94 = 3.41
Komposisi Atom Berdasarkan EDX (%) 7.58 0.56 0.13 46.94 Ba0.55 Sr0.04 Rb0.11 C0.43Ti0.01 O3.41 37.38 5.90 1.52
Ba0.55 Sr0.04 Rb0.11 C0.43 Ti0.01 O3.41
17
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 24 Januari 1993 dari pasangan Henry Sulistyadi dan Avi Rosyani sebagai anak pertama dari dua bersaudara. Penulis menyelesaikan pendidikan sekolah dasar pada tahun 2004 di SD Negeri Cempaka Baru 05 Jakarta, kemudian penulis melanjutkan pendidikan di SMP Negeri 216 Jakarta (2004-2007). Setelah itu, penulis melanjutkan pendidikan di SMA Negeri 77 Jakarta (2007-2010). Penulis diterima di Institut Pertanian Bogor Jurusan Fisika pada tahun 2010 melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai Asisten Praktikum Mata Kuliah Fisika TPB (2013-2014) dan Asisten Responsi Termodinamika (2013-2014) Departemen Fisika FMIPA serta Mata Kuliah Wood Science 1 (2014) Departemen THH Fakultas Kehutanan. Penulis juga merupakan tentor di Bimbingan Belajar TPB Katalis IPB (2012-2014) dan menjadi guru les privat SMA (2011-2012) di berbagai tempat. Selain itu penulis pernah mengikuti Pekan Kreatifitas Mahasiswa (PKM) dan berhasil didanai oleh DIKTI yaitu PKM-Penelitian pada tahun 2014. Penulis juga pernah menjadi presenter pada Simposium Nasional Ilmu dan Pembelajaran Sains (SNIPS 2013) dan Seminar Nasional Sains dan Pendidikan MIPA (SEMIRATA 2014).
