PKMI-3-5-1
KARAKTERISTIK MORFOLOGI DAN OPTIK FILM TIPIS TiO2:Co YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE MOCVD DI ATAS SUBSTRAT SILIKON Iing Mustain Jurusan pendidikan Fisika, Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung ABSTRAK Telah dilakukan karakterisasi film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan metode MOCVD di atas substrat silikon dengan temperatur penumbuhan yang bervariasi. Karakterisasi meliputi morfologi, karakteristik optik, kekristalan, dan sifat kemagnetan dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM), Photoluminescence (PL), X-Ray diffractometer (XRD), dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa morfologi film sangat dipengaruhi oleh temperatur penumbuhan yang digunakan. Morfologi film terbaik terjadi pada film yang ditumbuhkan dengan temperatur 450oC, yang ditandai dengan butiran kristal yang tersebar merata dan kompak membentuk ketebalan film yang merata. Pola pertumbuhan butiran berbentuk kolumnar. Kehadiran atom-atom Co dalam film ditandai dengan adanya pergeseran nilai celah pita energi dari celah pita energi bahan dasarnya TiO2. Sampel film TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan temperatur penumbuhan 450oC memiliki orientasi kristal tunggal dengan struktur kristal anatase pada bidang (213). Film ini menunjukkan sifat ferromagnetik yang tergolong bahan magnet lunak (soft magnetic) yang ditandai dengan nilai koersifitas sekitar 100 Oersted. Kata kunci: Morfologi, Opik, MOCVD, TiO2:Co, temperatur penumbuhan PENDAHULUAN Adanya kendala dalam transport listrik pada sistem persambungan semikonduktor/sumber spin (logam feromagnetik) pada struktur piranti spintronik merupakan salah satu alasan dikembangkannya semikonduktor magnetik yang dikenal dengan Dilute Magnetic Semiconductor (DMS) sebagai pengganti bahan logam feromagnetik. Dengan menggunakan DMS, maka sistem persambungan semikonduktor/sumber spin (DMS) pada piranti spintronik akan memiliki kualitas baik karena keduanya sama-sama merupakan bahan semikonduktor sehingga akan memiliki konduktivitas listrik yang hampir sama. Dengan hampir samanya nilai konduktivitas listrik antara bahan semikonduktor dan bahan sumber spin, maka nilai efisiensi injeksi arus spin dari sumber spin dapat ditingkatkan, bahkan hingga nilai optimumnya (Flederling, R., 1999; Chambers, S. A., 2003) Semikonduktor magnetik dapat diperoleh dengan cara mendadah bahan semikonduktor dengan suatu elemen magnetik (Matsumoto, Y., 2001). Pengembangan DMS terutama diarahkan pada pencarian bahan yang memiliki temperatur curie yang tinggi (high temperature curie). Hal ini dilakukan dengan harapan divais spintronik yang dikembangkan nantinya dapat dioperasikan pada temperatur ruang (300 K). Pada awalnya, penelitian intensif dilakukan terhadap bahan semikonduktor GaAs yang didadah unsur Mn (GaAs:Mn) (Ohno, Y., 1999). Akan tetapi DMS ini memiliki temperatur curie di bawah temperatur kamar, yaitu sekitar 110 K. Sehingga bahan ini dinilai kurang manjanjikan untuk aplikasinya.
PKMI-3-5-2
Pencarian bahan baru untuk kepentingan ini terus dilakukan, dan akhirakhir ini bahan semikonduktor oksida TiO2 yang didadah unsure Cobalt (TiO2:Co) ditemukan menunjukkan sifat feromagnetisme pada temperatur ruang (Matsumoto, Y., 2001). Tentunya penemuan ini memberikan kemajuan yang signifikan dalam pengembangan bahan DMS selanjutnya. Sifat fisis bahan TiO2:Co dalam bentuk film tipis sangat dipengaruhi oleh metode dan kondisi penumbuhannya. Film TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan metode PLD (pulsed laser deposition) pada tekanan parsial tinggi (>10-6 Torr) tidak menunjukka efek anomali, sementara penumbuhan pada tekanan parsial yang lebih rendah menghasilkan film dengan kekosongan oksigen tinggi, yang dapat menyebabkan peningkatan nilai resistivitas bahan (Hong, N. H., 2003). Penumbuhan film TiO2:Co dengan MBE (molecular beam epitaxy) menghasilkan kluster-kluster logam Co yang berukuran beberapa puluh nanometer yang menghasilkan pulau-pulau berkonduktivitas listrik tinggi (Yang, J. S., 2003). Salah satu metode penumbuhan film tipis semikonduktor yang akhir-akhir ini banyak dipergunakan adalah MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition). Metode ini memiliki beberapa keunggulan terutama dalam hal menghasilkan film yang memiliki ketebalan merata dan sangat tipis, bahkan hanya beberapa monolayer saja, kemudahan dalam pengaturan persen dadahan, dan kemudahan dalam penumbuhan struktur multilapisan. Sehingga dengan menggunakan MOCVD, persen dadahan Co pada semikonduktor TiO2 akan sangat mudah dikontrol. Parameter kunci dalam penumbuhan bahan semikonduktor dengan MOCVD adalah temperatur penumbuhan, laju alir sumber2sumber metalorganik, dan tekanan reaktor (Razeghi, M., 1995) Dalam makalah ini dipaparkan tentang kebergantungan karakteristik film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan MOCVD terhadap temperatur penumbuhan. Karakteristik film TiO2:Co yang ditinjau meliputi karakteristik kekristalan, morfologi, sifat optik dan respon magnetiknya. METODE PENDEKATAN Film tipis TiO2:Co ditumbuhkan dengan metode MOCVD di atas substrat silicon (100) dengan metode MOCVD vertikal, menggunakan parameter penumbuhan seperti ditunjukkan pada tabel 1. Sumber metalorganik yang digunakan adalah Cairan Titanium (IV) Isoproxide [Ti{OCH(CH3)2}4] 99,99 % dan serbuk Tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5 heptanedionato) cobalt (III), Co(TMHD)3 99%, dan gas oksigen sebagai sumber O. Serbuk Co(TMHD)3 dilarutkan dalam pelarut Tetrahydrofuran (THF,C4H8O) dengan konsentrasi 0,2 mol per liter. Hasil larutan dan bahan cair Ti{OCH(CH3)2}4 kemudian dicampur dengan perbandingan tertentu dan kemudian dimasukkan ke dalam bubbler yang dihubungkan dengan ruang reaksi dengan sistem pempipaan. Bubbler dipanaskan untuk menguapkan bahan. Uap bahan dialirkan dari bubbler ke ruang reaksi dengan dibonceng oleh gas Argon (Ar). Tekanan uap dalam bubbler dikendalikan dengan suatu katup pengendali. Tekanan awal ruang reaksi divakum hingga 10-2 Torr. Gas O2 dilairkan ke ruang reaksi ketika proses penumbuhan berlangsung. Skema sistem reactor MOCVD vertikal yang digunakan untuk penumbuhan film TiO2:Co diperlihatkan pada gambar 1.
PKMI-3-5-3
Tabel 1. Parameter penumbuhan film tipis TiO2:Co diatas substrat silikon Parameter deposisi penumbuhan Temperatur penumbuhan Temperatur bubbler (Tb) Tekanan uap bahan campuran (Pb) Laju aliran gas O2 Laju aliran gas Ar Tekanan total penumbuhan (PT) Waktu penumbuhan
#1 400 oC 50 oC 260 Torr 60 sccm 100 sccm 2 Torr 2 jam
Sampel #2 #3 o 450 C 500 oC o 50 C 50 oC 260 Torr 260 Torr 60 sccm 60 sccm 100 100 sccm sccm 2 Torr 2 Torr 2 jam
2 jam
#4 550 oC 50 oC 260 Torr 60 sccm 100 sccm 2 Torr 2 jam
Karakteristik kekristalan film diinvestigasi dari pola difraksi sinar-X hasil karakterisasi XRD (X-ray diffractometer) menggunakan radiasi Cu Kα (λ = 1,54056 A) merek Philips tipe PW3710. Ketebalan dan morfologi permukaan film dianalisis dari hasil pencitraan SEM (scanning electron microscope) tipe Jeol JSM 6360LA. Sifat optik diwakili oleh nilai celah pita energi optik bahan yang ditentukan berdasarkan hasil pengukuran PL (photoluminescence), dan sifat magnetic film diuji dengan sistem VSM (vibrating sample magnetometer). MFC
Pencampur Gas
Jalur pipa Yang dipanaskan
MFC
Jarum Katup Manometer
Heater Ti,Co Katup Throttle
Pompa Rotary
Ar
Bubbler
Filter Pompa Root Blower
Gambar 1. Skema reaktor MOCVD vertikal
HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil penumbuhan film tipis TiO2:Co dengan metode MOCVD diatas substrat silikon pada temperatur yang berbeda diperoleh empat sampel film
O2
PKMI-3-5-4
dengan masing-masing temperatur penumbuhan 400oC, 450 oC, 500 oC, dan 550 oC. Morfologi film tipis TiO2:Co untuk masing-masing temperatur penumbuhan ditunjukkan oleh gambar 2. Dari keempat bentuk morfologi film TiO2:Co, sampel yang ditumbuhkan dengan temperatur penumbuhan 450 oC memiliki morfologi paling baik yang ditandai dengan ketebalan film yang seragam, batas butiran kristal tampak jelas dan pola pertumbuhan yang membentuk kolumnar, serta butiran-butiran kristal tersebar dengan sangat rapat tanpa membentuk pori.
(a)
(c)
(b)
(d)
Gambar 2. Potret SEM penampang lintang film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan pada masing-masing temperatur (a) 400 0C, (b) 450 0 C, (c) 500 0C, (d) 550 0C
Karakeristik optik film tipis TiO2:Co ditunjukkan oleh gambar 3. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa keempat sampel film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan memiliki karakteristik optik yang relatif sama. Puncak intensitas PL terjadi pada panjang gelombang 4440 Å, besar panjang gelombang ini bersesuaian dengan nilai celah pita (Eg) sekitar 2.79 eV. Masuknya Co pada matriks TiO2 telah memperkecil nilai celah pita energi basisnya (TiO2) yang bernilai sekitar 3,10 eV. Hasil karakteristik optik ini dapat dipastikan bahwa film TiO2:Co telah terbentuk. Dari hasil ini juga tampak bahwa variasi temperatur penumbuhan tidak mempengaruhi nilai Eg bahan. Pola difraksi sinar-x dari sampel film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan pada temperatur penumbuhan 450oC ditunjukkan pada gambar 4. Tampak bahwa orientasi kekristalan bahan sudah mengarah pada orientasi kristal tunggal yaitu orientasi bidang anatase (213). Hal ini menunjukkan bahwa butiran penyusun film tumbuh ke sat arah orientasi tertentu yaitu arah bidang (213). Hasil ini sesuai dengan hasil potret SEM penampang lintang sampel ini yang menunjukkan
PKMI-3-5-5
bentuk butiran penyusun film yang secara umum seragam. Dengan tumbuhnya struktur kristal anatase, sangat menguntungkan dari segi kepemilikikan mobilitas pembawa muatan yang lebuh tinggi jika disbanding dengan struktur rutile. Grafik PL Film Tipis TiO2 :Co Si (400)
In te n s ity (a .u .)
(d) Intensitas (a.u)
(c) (b)
A(213)
(a) 30 4000
4500
5000
5500
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
2 Theta (derajat)
6000
Panjang Gelombang (Angstrom)
Gambar 3. Grafik intensitas PL (a.u) Gambar 4. Pola XRD film tipis terhadap panjang gelom-bang TiO2:Co yang ditumbuhkan (Å) untuk setiap sampel yang pada temperatur 450oC ditumbuhkan pada temperatur penum-buhan : (a) 400oC, (b) 450oC, (c) 500 oC, dan (d) 550 oC Hasil pengujian sifat kemagnetan film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan pada temperatur 450oC ditunjukkan dengan kurva histerisis magnetisasi pada gambar 5. Dari kurva histerisis magnetisasi tersebut dapat ditentukan medan koersif sekitar 100 Oe, magnetisasi remanen sekitar 350 emu/cm3 dan faktor demagnetisasi nya sekitar 0.394. Berdasarkan nilai-nilai karakteristik kemagnetan ini, maka film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan tergolong pada magnet lunak (soft magnetic). Munculnya sifat kemagnetan bahan ini sekali lagi menunjukkan bahwa unsur magnetik Co telah masuk pada matrik TiO2, karena awalnya bahan TiO2 ini 7 bukan merupakan bahan magnetik.
3
3
M(x10 )(emu/cm)
3 2
10 8
1
6 4 2 0
0
-2 -4
-1
-6 -8 -10
-2
-3
-2
-1
0
1
2
3
H ( x10 2 ) ( O e )
-3 -12
-8
-4
0
4
8
12
3
H (x10 )(O e)
Gambar 5. Kurva Histerisis Magnetisasi Antara Medan koersif (Hc) Terhadap Magnetisasi Remanen (Mr) Pada Film Tipis TiO2:Co Yang Ditumbuhkan Pada Temperatur 450oC. KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis data yang diperoleh dari berbagai hasil karakterisasi bahan TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan MOCVD pada temperature penumbuhan bervariasi, maka dapat disimpulkan bahwa :
PKMI-3-5-6
1. Karakteristik film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan metode MOCVD secara umum dipengaruhi oleh temperatur penumbuhan yang digunakan. Morfologi film tipis terbaik terjadi pada sampel yang ditumbuhkan dengan temperatur penumbuhan 450 OC. 2. Pergeseran nilai pita energi TiO2:Co dari celah pita energi bahan dasarnya TiO2 menunjukkan bahwa atom Co telah terinkorporasi kedalam matrik TiO2. Variasi temperatur penumbuhan tidak mempengaruhi nilai celah pita energi optik bahan secara signifikan. 3. Struktur kekristalan film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan temperatur penumbuhan 450oC adalah anatase dengan orietasi kristal tunggal pada bidang (213). Film ini menunjukkan sifat feromagnetik yang tergolong magnet lunak (soft magnetic), yang ditandai dengan nilai medan koersifnya sekitar 100 Oe. DAFTAR PUSTAKA Flederling, R., Keim, M., Reuscher, G., Ossau, W., Schmidt, G., Waag, A., & Molenkamp, L. W., Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode, Nature 402, 788 (1999) Chamber, S. A., & Yoo, Y, K., New materials for spintronic, MRS Bulettin 28, 706 (2003) Hong, N. H., Sakai, J., Prellier, W., & Hassini, A., Co distribution in ferromagnetic rutile Co-doped TiO2 thin film grown by laser ablation on silicon substrate, Appl. Phys. Lett. 83, 3129 (2003) Matsumoto, Y., Murakami, M., Shono, T., Hasegawa, T., Fukumura, T., Kawasaki, M., Ahmet, P., Chikyow, T., Koshihara, s., & Koinuma, H., Room-temperature ferromagnetism in transparent transition metal-doped titanium dioxide, Science 291, 854 (2001) Ohno, Y., Young, D. K., Beschoten, B., matsukura, F., Ohno, H., & Awschalom, D. D., Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor heterostructure, Nature 402, 790 (1999) Razeghi, M., “ The MOCVD Challenge Volume 2: A Survey of GaInAsP-GaAs for photonic and electronic device application,” Institute of Physics Publishing , pp. 29-42, Philadelphia, Pennsylvania (1995) Yang, J. S., Kim, D. H., Bu, S. D., Noh, T. W., Park, S. H., Khim, Z. G., Lyo, I. W., & Oh, S. J., Surface structures of a Co-doped anatase TiO2 (001) film investigated by scanning tunneling microscopy, Appl. Phys. Lett. 82, 3080 (2003)
PKMI-3-5-7
