11
¾
Karakterisasi ¾ XRD Pengukuran XRD menggunakan alat XRD7000, kemudian dihubungkan dengan program dikomputer. Puncakpuncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS. ¾
¾
¾
¾
Absorbansi, Reflektansi, Transmitansi Pengukuran Absorbansi, Reflektansi, dan transmitansi menggunakan alat Ocean Optics USB2000 kemudian dihubungkan dengan program komputer. Data keluaran dari program komputer merupakan nilai absorbansi, reflektansi, dan transmitansi kemudian dapat dibuat grafik menggunakan Microsoft Excel. I-V Pengukuran hubungan arus dan tegangan menggunakan alat Keithley, kemudian dihubungkan dengan program dikomputer. Data keluaran dari program komputer merupakan nilai arus dan tegangan, kemudian dapat dibuat grafik hubungan tegangan dan arus menggunakan Microsoft Excel. Dari grafik hubungan tersebut dapat diketahui karakteristik film tipis yang dibuat. Konstanta Dielektrik Pada karakterisasi ini, rangkaian yang digunakan adalah rangkaian pada Gambar 2.10. Dari rangkaian pengukuran ini ditentukan nilai kapasitansi (C) film. Sedangkan untuk penentuan besar konstanta dielektriknya dapat menggunakan persamaan 2.12. Konduktivitas Pengukuran nilai konduktivitas dan resistansi
menggunakan alat LCR meter. Dari alat tersebut didapatkan nilai konduktansi (G). Nilai resistansi didapatkan dari persamaan R = 1/G (3.1) sedangkan nilai konduktivitas dapat dicari dari persamanan
σ =
L RA
(3.2)
HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi XRD Prinsip kerja XRD secara umum terdiri dari tiga bagian utama, yaitu tabung sinar-X, tempat objek yang diteliti, dan detektor. Sinar X dihasilkan di tabung sinar X yang berisi katoda memanaskan filamen, sehingga menghasilkan elektron. Perbedaan tegangan menyebabkan percepatan elektron akan menembaki objek. Ketika elektron mempunyai tingkat energi yang tinggi dan menabrak elektron dalam objek sehingga dihasilkan pancaran sinar X. Objek dan detektor berputar untuk menangkap dan merekam intensitas refleksi sinar X. Detektor merekam dan memproses sinyal sinar X dan mengolahnya dalam bentuk grafik. Dasar dari prinsip pendifraksian sinar X yaitu difraksi sinar-X terjadi pada hamburan elastis fotonfoton sinar-X oleh atom dalam sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar-X dalam fasa tersebut memberikan interferensi yang konstruktif. Dasar dari penggunaandifraksi sinar-X untuk mempelajari kisi kristal adalah berdasarkan persamaan Bragg. Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X di jatuhkan pada sampel kristal,maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk hampir semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS[19].
14
Karakterisasi, Absorbansi Reflektansi, dan Transmitansi Alat yang digunakan pada pengukuran ini yaitu dengan Ocean Optics USB2000 dengan cara menembakkan alat tersebut kearah film, maka akan didapat Gambar. 4.5-4.7. Terlihat bahwa proses serapan film dengan semakin besar panjang gelombang maka semakin tinggi nilai absorbansinya. Sedangkan untuk reflektansi atau pemantulan yaitu terjadi atau muncul nilai reflektansi pada panjang gelombang 350 nm dengan semakin besar panjang gelombang nilai pemantulannya semakin menurun. Dan pada transmitansi atau penerusan terjadi pada panjang gelombang 350 nm dengan semakin besar panjang gelombang semakin kecil nilai transmitansinya.
Gambar 4.5. Absorbansi terhadap panjang gelombang
Gambar 4.6. Reflektansi terhadap panjang gelombang
Gambar 4.7. Transmitansi terhadap panjang gelombang
Karakterisasi Arus-Tegangan Film Tipis Pengukuran kurva arus-tegangan (IV) menggunakan alat Keithley. Pengukuran tersebut dilakukan dengan dua perlakuan yaitu pada kondisi gelap dan kondisi terang disinari lampu neon 100 watt. Tegangan yang pada sumbu horizontal merupakan variabel bebas. Pada perlakuan yang dilakukan, tegangan yang diberikan sampai 10 V dengan interval 0,5 V. Data keluaran dari alat tersebut adalah nilai arus dan tegangan. Dari data tersebut dibuat hubungan antara tegangan dan arus menggunakan Microsoft Excel. Kurva yang diperoleh dari hubungan arus dan tegangan menunjukkan film tipis LT dan LNT yang ditumbuhkan pada substrat Si tipe-p memiliki sifat dioda akan tetapi pada film tipis LNT 7,5% bersifat sebagai resistor . Film tipis yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p, sedangkan lapisan tipis LT dan LNT merupakan semikonduktor tipe-n . Persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n dikenal dengan nama p-n junction [20]. Dengan adanya p-n junction, maka karakteristik dari film tipis yang dibuat sama dengan karakteristik dari dioda yang merupakan gabungan antara dua elektroda yaitu anoda dan katoda [21]. Tegangan yang menyebabkan arusnya mulai naik disebut dengan tegangan knee. Untuk bahan semikonduktor tertentu, mempunyai tegangan knee yang berbeda seperti bahan semikonduktor Silikon 0,7 V dan Germanium 0,3 V. Nilai tegangan knee berturut-turut untuk film tipis LT dan LNT dapat dilihat pada Gambar 4.7 sampai Gambar 4.10. Untuk film tipis LT murni didapatkan tegangan knee sebesar 3,5 V
15
sedangkan untuk film tipis LNT dengan doping 2,5% dan 5% didapatkan tegangan kneenya berturut-turut sebesar 1,5 V dan 4,5 V. Khusus untuk doping 7,5%, tidak didapatkan nilai tegangan knee . Hal ini karena kurva I-V yang dihasilkan berbentuk resistor sehingga jika diberi tegangan berapapun arusnya akan naik dan ini kemungkinan terjadi karena niobium merupakan bahan konduktor sehingga dengan semakin banyaknya pendadah niobium energi yang dihasilkan pada pita akseptor akan sama atau melebihi energi fermi yang dihasilkan dalam semikonduktor tipe –p tersebut dan mendekati pita konduksi sehingga dapat bersifat sebagai konduktor. Prinsip kerja I-V sendiri yaitu terjadi karena saat film tipis yang memiliki dua muatan yaitu positif dan negatif diberikan tegangan maka elektron dan hole akan menghasilkan arus. Adanya doping menyebabkan semakin banyaknya elektron bebas dan hole pada kristal [22]. Dengan banyaknya elektron bebas pada film tipis maka menyebabkan film tipis menjadi konduktif. Pemberian cahaya pada film tipis menyebabkan film tersebut menjadi lebih konduktif. Terjadinya sifat konduktif pada film tipis karena adanya energi foton yang diserap oleh elektron sehingga menyebabkan arusnya menjadi besar. Dari karakteristik IV yang dilakukan maka dapat diketahui bahwa film tipis yang dibuat mempunyai sifat sebagai dioda. Selain itu dengan adanya perbedaan kurva ketika diberikan cahaya dan tanpa cahaya, maka film tipis yang dibuat juga mempunyai sifat sebagai fotodioda.
Gambar 4.9. Kurva I-V LNT 2,5%
Gambar 4.10. Kurva I-V LNT 5%
Gambar 4.11. Kurva I-V LNT 7,5%
Gambar 4.8. Kurva I-V LT
16
Tabel 4.1. Nilai tegangan knee film tipis LT dan LNT Film tipis Tegangan knee LT 3,5 LNT 2,5% 1,5 LNT 5% 4,5 LNT 7,5% Tidak ada Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Tipis Perhitungan konstanta dielektrik dari film tipis LT dan LNT menggunakan rangkaian pada Gambar 2.1. Hasil keluaran osiloskop dari Gambar 2.12 akan menentukan nilai konstanta dielektrik yang didapat. Nilai konstanta dielektrik merupakan gambaran dimana material tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan. Dari gambar hasil keluaran pada osiloskop dapat dilihat bahwa kelengkungan pada sinyal kotak menunjukkan adanya penyimpanan muatan pada material tersebut (lihat hasil tampilan osiloskop pada Gambar 4.13 sampai Gambar 4.16). Pada gambar tersebut faktor yang mempengaruhi besarnya nilai konstanta dielektrik adalah banyaknya pendadah ferium oksida yang diberikan pada film tipis tersebut. Meninjau dari persambungan p-n yang terbentuk pada film tipis dan substrat, film tipis yang bertipe –n memiliki muatan negatif bebas serta ion positif statik sedangkan substrat memiliki muatan positif bebas dan ion negatif statik. Tepat pada daerah sambungan dan sekitarnya, terjadi difusi muatan bebas yaitu elektron menuju tipe–p dan hole menuju tipe–n. Peristiwa difusi tersebut disertai terjadinya rekombinasi, yaitu penggabungan elektron dan hole lalu hilang. Dengan rekombinasi ini, disekitar daerah sambungan tidak ada lagi muatan-muatan bebas, dan yang tertinggal hanyalah ion-ion statik; yaitu ionion dari atom donor dan akseptor. Daerah sambungan seperti ini disebut dengan lapisan deplesi. Karena daerah deplesi mengandung muatan positif statik pada salah satu sisi dan muatan negatif pada sisi lain, maka timbul medan listrik pada daerah deplesi tersebut dan ini dapat dipandang sebagai keping sejajar [23]. Dengan demikian daerah deplesi memiliki nilai kapasitansi. Selain itu, karena hole dalam tipe–p lebih tinggi konsentrasinya daripada hole dalam tipe–n
maka mereka berdifusi dari daerah tipe–p ke tipe–n dan proses ini juga terjadi pada elektron akan tetapi tidak terjadi terus menerus. Jika hole meninggalkan daerah tipe–p dan hilang ke dalam daerah tipe–n karena berekomendasi, sebuah akseptor akan diionisasikan menjadi negatif dalam daerah tipe-p membentuk ruang negatif. Hal yang sama terjadi pada elektron yang meninggalkan muatan ruang positif pada daerah tipe–n, ini membangkitkan medan listrik yang mulai dari ruang bermuatan positif, berakhir pada ruang bermuatan negatif. Medan listrik ini menghambat hole untuk berdifusi dari daerah tipe–p ke tipe–n, juga demikian pada elektron terhambat berdifusi dari tipe–n ke tipe –p [24]. Dari Tabel 4.2 dibawah terlihat bahwa konstanta dielektrik akan meningkat seiring dengan besarnya ketebalan film. Ini disebabkan doping niobium akan menambah konsentrasi pembawa muatan positif yang menyebabkan medan listrik dalam daerah deplesi berkurang dan menurunkan nilai kapasitansi, sehingga dengan semakin besarnya ketebalan film tipis menyebabkan nilai konstanta dielektriknya bertambah besar. Pada film tipis LT nilai dielektrik terbesar terjadi pada LNT yang didadah niobium sebanyak 2,5%. Hal ini disebabkan ketebalan pada LNT 2,5% lebih besar daripada LT 0% ataupun yang didadah niobium sebanyak 5% dan 7,5%.
Gambar 4.12. Input awal sinyal kotak
17
Gambar 4.13. Kurva kapasitor LT
Gambar 4.16. Kurva kapasitor LNT 7,5% Tabel 4.2. Nilai konstanta dielektrik film Ttipis LT dan LNT Film Ketebalan Konstanta Tipis Dielektrik (μm) LT 0,3 45,2 LNT 3,0 68,7 2,5% LNT 2,1 47,9 5% LNT 2,4 63,3 7,5%
Gambar 4.14. Kurva kapasitor LNT 2,5%
Gambar 4.15. Kurva kapasitor LNT 5%
Karakterisasi Konduktivitas Listrik Film Tipis Pengukuran nilai konduktivitas listrik film tipis dilakukan dalam 5 kondisi yang berbeda yaitu gelap (0 watt), dengan lampu 25 watt, 50 watt, 75 watt dan 100 watt. Adapun hasil perhitungannya dapat dilihat pada Tabel 4.3. Secara umum nilai konduktivitas ordenya ialah 10-5 S/cm yang berarti dapat dikatakan bahwa film tipis yang kita buat merupakan suatu material semikonduktor. Dari tabel diketahui bahwa nilai konduktivitas listrik meningkat seiring dengan kenaikan intensitas cahaya. Peningkatan konduktivitas ini dikarenakan tereksitasinya elektron pada pita valensi ke pita konduksi [19]. Elektron pada pita konduksi bebas bergerak dibawah pengaruh medan listrik sehingga semakin banyak elektron tereksitasi ke pita konduksi akibat disinari cahaya yang menyebabkan arus akan meningkat dengan demikian konduktivitas listriknya juga meningkat [24]. Adapun untuk data nilai konduktivitas masing-masing film tipis dapat dilihat pada Tabel 4.3 dan Lampiran 4.
18
Gambar 4.17 menunjukkan kurva konduktivitas listrik film tipis LT dan LNT sebagai fungsi dari intensitas cahaya. Kurva konduktivitas tersebut menunjukkan konduktivitas relatif stabil sebagai fungsi intensitas cahaya dan penambahan dopan niobium akan meningkatkan nilai konduktivitas. Secara umum penambahan doping niobium akan meningkatkan konduktivitas listrik film tipis seperti terlihat pada Gambar 4.18. Peningkatan konduktivitas listrik akibat penambahan doping niobium terjadi karena atom trivalent memiliki tiga elektron pada pita valensi sedangkan ion silikon memiliki empat elektron valensi dengan demikian ada ikatan kovalen yang kosong (hole). Kekurangan elektron ini menyebabkan semikonduktor menjadi tipe – p. Selain itu, jika semikonduktor intrinsik (semikonduktor yang dibuat dengan metode khusus untuk meningkatkan kemurniannya setinggi mungkin, sehingga hasilnya bisa dianggap sebagai semikonduktor murni) didoping dengan sejumlah kecil atom trivalent, maka setiap atom doping akan mengkontribusikan tiga elektron dan menyisakan satu hole pada ikatan kovalen. Zat pendoping seperti ini disebut akseptor atau ketidakmurnian tipe –p. Penambahan akseptor pada semikonduktor intrinsik akan menimbulkan tambahan tingkat energi sedikit diatas pita valensi. Kecilnya selisih tingkat energi pita valensi dan pita konduksi menyebabkan banyaknya elektron naik ke pita konduksi, meninggalkan hole pada pita valensi yang menjadi carrier terbesar pada suatu bahan semikonduktor sehingga nantinya akan meningkatkan nilai konduktivitas listrik film tipis LT dan LNT. Table. 4.3 Konduktivitas listrik Film tipis LT 0% 2,5% 5% 7,5%
Konduktivitas Listrik (nS/cm) 0Watt 25Watt 50Watt 75Watt 618 1685 2899 3998
615 1694 2875 3998
620 1693 2773 4000
608 1685 2648 3990
Gambar 4.17. Konduktivitas listrik setiap film tipis terhadap variasi intensitas cahaya.
Gambar
4.18. Konduktivitas doping niobium
terhadap
KESIMPULAN Dari hasil yang didapatkan berdasarkan eksperimen yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa Doping niobium yang diberikan akan merubah tegangan knee untuk setiap film tipis dan penambahan niobium sebanyak 5% akan merubah karakteristik film tipis menjadi dioda. Konstanta dielektrik meningkat terjadi pada pendadah niobium 2,5%. Dari kurva arustegangan film tipis LT dan LNT, film tipis yang ditumbuhkan bersifat sebagai fotodioda dan pada LNT 7,5% bersifat sebagai resistor. Nilai konduktivitas listrik film tipis meningkat seiring dengan kenaikan intensitas cahaya menunjukkan bahwa film tipis LT dan LNT yang dibuat merupakan material semikonduktor. Sifat absorbansi, reflektansi, dan transmitansi LT dan LNT terjadi pada sinar UV.
