PEMBUATAN DAN KARAKTERITIK OFET BERBASIS FILM TIPIS CUPC DENGAN PANJANG UNTUK APLIKASI SENSOR GAS

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 hal. 87-93

87

PEMBUATAN DAN KARAKTERITIK OFET BERBASIS FILM TIPIS CUPC DENGAN PANJANG UNTUK APLIKASI SENSOR GAS Sujarwata Universitas Negeri Semarang

INTISARI Fokus utama dalam penelitian ini adalah pembuatan dan karakterisasi OFET berbasis film tipis CuPc dengan struktur battom-contact dan panjang channel 100 µm untuk aplikasi sensor gas. Karakterisasi OFET berbasis film tipis CuPc diperoleh bahwa daerah aktif untuk VDS adalah 2,79 V - 3,43 V dan kuat arus IDS dari 5,77 10-5 A - 0,0013 A. OFET akan aktif beroperasi hanya diperlukan tegangan VDS (2,79-3,43) dan dengan ukuran kecil (6,15) mm2 serta jarak antara S ke D 200 µm. Aplikasi sensor gas telah dilakukan penelitian, diperoleh bahwa OFET CuPc dapat mendeteksi dengan waktu respon (60 s) dan waktu pulih (30 s).Sedangkan mobilitas pembawa muatan pada daerah linier (μ = 0,033353 cm2 V-1s-1 ) dan daerah saturasi (μ = 0,012288 cm2 V-1s-1 ). Kata kunci : Film Tipis, waktu respon ,deposisi film tipis CuPc

I.

PENDAHULUAN

Bahan semikonduktor Phthalocyanine dan paduannya memiliki aspek potensi komersial dan menawarkan aplikasi yang lebih unggul dibanding dengan silikon. Bahan ini juga memperlihatkan kepekaan tinggi pada elektron akseptor gas dan absorbsi permukaan kristal (film tipis) diikuti oleh reaksi transfer muatan yang mempengaruhi generasi pembawa muatan dan peningkatan konduktivitas. Berdasarkan penelitian (Mirwa, dkk, 1995) phthalocyanine merupakan logam kompleks yang sesuai untuk peralatan sensor gas dan dapat mendeteksi gas NO2. Penelitian dan perhatian tentang transistor OFET (Organic Field Effect Transistor) berbasis CuPc sangat intensif sejak satu dasawarsa belakangan ini. Hal ini karena beberapa keunggulan OFET jika dibandingkan dengan transistor efek medan inorganik berbasis silikon, yakni suatu piranti elektronika yang ramah lingkungan, mudah dan murah dalam fabrikasi serta hemat dalam operasionalnya, sehingga terbuka peluang untuk menjadi dasar teknologi mikroelektronika masa depan. Tetapi, karena mobilitas pembawa muatan pada OFET ini umumnya masih rendah, maka perlu terus dilakukan perbaikan. Rendahnya mobilitas pembawa muatan ini antara lain disinyalir karena belum optimalnya sifatsifat material organik akibat dari masih banyaknya mekanime fisis baik pada material maupun piranti OFET yang belum bisa difahami hingga saat ini. OFET berbasis CuPc seperti yang diajukan dalam penelitian ini merupakan salah satu upaya untuk memperbaiki mobilitas pembawa muatannya. Selama beberapa tahun terakhir, unjuk kerja dari OFET secara kontinu telah mengalami perbaikan hingga mengarah kepada penerapan pada indutri. Dengan potensi yang sangat besar sebagai komponen elektronika masa depan yang sangat murah dan sebagai kartu cerdas (smart-card) misalnya, maka polimer yang dapat diproses dengan metode pelarutan (solution process) dapat sebagai pengganti teknologi silicon yang mahal (Henning Rost,2004). Pada umumnya, suatu transistor efek medan terdiri dari beberapa komponen dasar, yaitu bahan konduktor, bahan isolator, serta bahan semikonduktor. OFET merupakan jenis transistor dimana bahan semikonduktornya adalah bahan organic atau polimer. Namun, jika dibandingkan dengan transistor anorganik, mobilitas pembawa muatan OFET pada umumnya masih sangat rendah berkisar antara 10-5100 cm2V-1s-1 (Chadwick, 1986). Sebagai tambahan, beberapa saat yang lalu, material tersebut sedang dieksplorasi karakteristiknya antara lain sebagai sensor gas maupun sebagai material semikonduktor (Triyana dan Sudirman,1998). Karena masih rendahnya mobilitas, maka OFET belum bisa diterapkan secara baik, kecuali sebagai komponen pengendali pada layer display. Pada penelitian ini, material organik yang digunakan adalah CuPc(Copper Phthalocyanine). Penelitian tentang transistor efek medan organik atau organic field effect transistor (OFET) berbasis CuPc(Copper Phthalocyanine) sangat intensif sejak satu dasawarsa belakangan ini. Hal ini karena beberapa keunggulan OFET jika dibandingkan dengan transistor efek medan inorganik berbasis silicon, yakni suatu piranti elektronika yang ramah lingkungan, mudah dan murah dalam fabrikasi serta hemat dalam operasionalnya, sehingga terbuka peluang untuk menjadi dasar teknologi mikroelektronika masa depan. Phthalocyanine adalah suatu bahan yang belum banyak diteliti dan merupakan semikonduktor bahan celupan organik. Material Phtalocyanine stabil dengan panas secara alami dan cocok untuk deposition film tipis dengan sublimasi panas. Suatu tinjauan ulang tentang material ini telah dilaporkan olah (Leznoff dan Lever,1989). Material ini juga memberikan harapkan untuk photoconductive and photovoltaic ISSN 0853 - 0823

88

Sujarwata / Sujarwata / Pembuatan Dan Karakteritik OFET Berbasis Film Tipis CUPC Dengan Panjang Untuk Aplikasi Sensor Gas

response, dimana riset keadaan arus telah ditinjau ulang oleh (Whitlock, 1898), (Law, 1993) dan (Martin, 1981). Material CuPc merupakan topik yang menarik untuk diteliti, sebab mempunyai kepekaan tinggi terhadap oksidasi gas. Pada penelitian ini akan dihasilkan film tipis CuPc yang ditumbuhkan di atas substrat Si. dengan metode penguapan hampa udara pada suhu ruang. Dari hasil penumbuhan film tipis CuPc digunakan sebagai landasan untuk pembuatan OFET. Selanjutnya hasil OFET CuPc dimanfaatkan untuk aplikasi sensor gas NO2. Sensor gas yang sudah terbentuk akan dimanfaatkan untuk mendeteksi adanya gas. II. METODE PENELITIAN II.1. Pembuatan OFET CuPc Penelitian ini menggunakan bahan organik berupa CuPc (Copper Phthalocyanine) berbentuk serbuk sebagai material aktif dalam pembuatan OFET . Penumbuhan film tipis CuPc di atas substrat Si/SiO2 menggunakan metode penguapan hampa udara.Proses penumbuhan film tipis menggunakan metode penguapan hampa udara meliputi beberapa tahapan antara lain : pada permulaan dilakukan preparasi sampel penelitian , proses evaporasi, dan pemasangan elektrode source(S), drain(D) dan Gate (G) dengan metode vacuum evaporator (VE) dan teknik lithography.

Gambar 1. Struktur molekul CuPc Pembuatan OFET berbasis CuPc dilakukan dengan membuat struktur bottom-contact seperti (Gambar 2). Adapun tahapan proses pembuatannya, sebagai berikut : mula-mula dilakukan pencucian substrat Si/SiO2 dengan etanol dalam ultrasonic cleaner. Untuk fabrikasi OFET dengan struktur bottom-contact dilakukan sebagai berikut : setelah pencucian substrat Si/SiO2 hingga bersih, kemudian dilakukan pendeposisian elektroda source/drain di atas lapisan SiO2 menggunakan bahan emas murni dengan metode litografi. Selanjutnya mendeposisikan penumbuhan film tipis CuPc.

Gambar 2. Skema konfigurasi OFET CuPc Cara penumbuhan film tipis CuPc, ebagai berikut : melakukan pemotongan substrat berukuran (1,5 mm x 4,1 mm) dan jarak antara S ke D adalah 200 µm dari S ke D, kemudian substrat dicuci dengan alat Ultrasonic Cleaner Model Core-Parmer. Material CuPc dengan massa 200 mg dimasukan dalam bell-jar (ruang evaporasi). Selanjutnya substrat yang telah dibersihkan dipasang pada holder tepat di atas boot yang telah berisi CuPc. Alat VE divakumkan sampai tekanannya turun menjadi 8x10-4 Pa (sekitar 4 jam). Proses evaporasi dilakukan dengan memberikan kuat arus tetap sebesar 45 A dan ditunggu hingga batas waktu yang telah ditentukan.

ISSN 0853 - 0823

Sujarwata / Pembuatan Dan Karakteritik OFET Berbasis Film Tipis CUPC Dengan Panjang Untuk Aplikasi Sensor Gas

89

Gambar 3. OFET dengan struktur battom-contact II.2. Karakterisasi OFET Parameter untuk karakterisasi OFET, seperti : mobilitas pembawa muatan ,perbandingan on/off , tegangan ambang(threshold voltage) .Adapun cara untuk melakukan karakterisasi OFET dan mengukur mobilitas pembawa muatan OFET dengan struktur battom-contact adalah sebagai berikut : a) Karakterisasi OFET, elektroda source dihubungkan ke grounded, sedangkan elektroda gate dan drain masing-masing dihubungkan dengan panjar mundur. Untuk menentukan grafik karakteristik OFET, maka arus dari source ke drain (ID ) diukur dengan memvariasi tegangan drain ( VD ) untuk setiap nilai tegangan gate (VG ). b) Untuk menentukan mobilitas pembawa muatan diperlukan data-data, sebagai berikut : IDS , V(DS) , V(T) , Ci, VGS, L dan W. Setelah data lengkap dimasukkan dalam persamaan :

Dimana L dan W masing-masing adalah panjang dan lebar suatu channel dan Ci adalah kapasitansi per satuan luas material isolator.Sedangkan µ adalah mobilitas pembawa muatan dan VT adalah tegangan ambang. Tegangan ambang (VT) dapat ditentukan dengan grafik VDS versus (IDS)1/2 dengan nilai VDS = VGS. Untuk menentukan grafik karakteristik OFET, maka arus dari source ke drain (ID ) diukur dengan memvariasi tegangan drain ( VD ) untuk setiap nilai tegangan gate (VG ). II.3. Aplikasi Sensor Gas OFET berbasis CuPc diuji kinerjanya di laboratorium untuk mendeteksi adanya gas. Uji coba kinerja OFET sebagai sensor gas , meliputi : kesensitifan terhadap pendeteksian, waktu respon dan waktu pulih. Adapun cara untuk karakterisasi adalah sebagai berikut : OFET aditempatkan dalam glass chamber yang atasnya ditutup oleh metalik dilindungi oleh pernis. Gas uji/udara bebas dimasukan ke glass chamber melalui saluran secara bergantian dengan interval waktu tertentu. Kuat arus elektrik diukur dengan suatu elektrometer ( El Kahfi 100) . Elektrometer ini dikendalikan oleh suatu perangkat lunak agar dapat merekam saat dilakukan pengukuran IDS dan VDS , selanjutnya data diolah pada personal computer(PC) agar dapat diamati dan datanya dapat direkam .Tegangan dapat diterapkan, baik secara terus-menerus atau pada jangka pendek, bergantung pada hasil eksperimen yang diharapkan. Data yang diperoleh dibuat grafik antara IDS dan VDS dengan berbagai nilai VG dan grafik ini merupakan karakteristik OFET. III.

HASIL DAN PEMBAHASAN

III.1. Hasil pembuatan OFET dan karakterisasi Konfigurasi devais OFET mempunyai komponen utama, yaitu : source,drain, gate elektroda, lapisan dielektrik dan lapisan semikonduktor. OFET yang dibuat mempunyai struktur bottom-contact ,panjang channel 200 µm dan lebar 1 mm. Hasil dari karakterisai OFET berbasis film tipis CuPc dapat dilihat pada (Gambar 4).Tegangan pada gate dibuat bervariasi,yaitu : -3 V; -1,5 V; 0 V; 1,5 V dan 3 V,sedangkan tegangan yang diterapkan pada S dan D adalah 3 volt.

ISSN 0853 - 0823

90


VGS=3 V VGS=1,5 V VGS= 0 V VGS=- 1,5 V VGS=- 3 V

Gambar 4. Karakteristik OFET Untuk analisis pada daerah aktif dari OFET, hanya menganalisis untuk tegangan pada gate (VG) = 0 volt , pada (Gambar 5 ).

VGS= 0 V

Active Region Saturation Region Breakdown Region

VDS (V) 2,79 s/d 3,43 3,42 s/d 9

IDS (A) 1,49 10-4 s/d 1,51 10-4 0,00151

9≥

0,00151

Gambar 5. Karakteristik dari OFET untuk tegangan gate (VG)= 0 V Karakterisasi OFET berbasis film tipis CuPc diperoleh bahwa daerah aktif untuk VDS adalah (2,79 V-3,43 V) dan kuat arus IDS (0,577 µ A-1,51 µA). Sedangkan untuk daerah saturasi OFET pada tegangan VDS dari 3,43 V sampai dengan 9 V dan ini merupakan daerah cut off. OFET akan aktif beroperasi hanya diperlukan tegangan VDS ( 2,79 V - 3,43 V) dan dengan ukuran sangat kecil (1,5 mm x 4,1 mm) serta jarak antara S ke D hanya 200 µm, sehingga bersifat mobile. III.2. Mobilitas pembawa muatan (µ) Hasil eksperimen untuk menentukan mobilitas pembawa muatan FET CuPc dengan parameter panjang channel(jarak antara elektrode source(S) dan drain(D) dan memvariasi tegangan pada gate (G). Transisitor konvensional OFET biasanya menggunakan teknologi film tipis (Gambar.?).dan digunakan lapisan aktif.Ketika tegangan gate diaplikasikan , maka arus akan mengalir antara D dan S ,ini merupakan prinsip kerja dari transistor efek medan (FET). Untuk transisitor ini ,IGFET(isolated gate field effect transistor) merupakan teori yang valid.teori ini dikemukakan oleh Ihantola dan Moll sertaKennedy dan Murley .Teori ini untuk menentukan kuat arus(IDS) yang mengalir dengan persamaan sebagai berikut : .…………………………… (1) Dimana : µ adalah mobilitas pembawa muatan, Ciµ =kapasitansi insulator per unit area, L=panjang channel , VGS = tegangan antara G dan S dan VT = tegangan ambang(threshold). Untuk menentukan mobilitas pembawa muatan pada daerah linier (µi) ,digunakan persamaan(1), sedangkan untuk menentukan tegangan ambang(VT) dengan grafik antara (IDS)1/2 vs VGS. ISSN 0853 - 0823


91

Dalam menentukan mobilitas pembawa muatan (µ), ada dua daerah yang harus dicari ,yaitu daerah linier dan saturasi.Untuk daerah linier,digunakan persamaan dari ( Kennedy dan Murley) , sebagai berikut :

..……….…………….. (2) Untuk menentukan mobilitas pembawa muatan pada daerah saturasi digunakan persamaan(1) dan (2) pada daerah saturasi ,sehingga mobilitas pembawa muatan adalah :

………………..……………………(3) Evaluasi untu menentukan “m” tidak lain adalah gradien dari grafik (IDS)1/2 dengan VGS, hal ini mobilitas pembawa muatan pada daerah saturasi. Hasil eksperimen untuk menentukan mobilitas pembawa muatan denga variasi panjang saluran OFET adalah sebagai berikut : Menentukan mobilitas pembawa muatan pada daerah saturasi menggunakan metode grafis , sebagai berikut :

IDS(A)

VGS(volt)

(IDS)1/2

0.00133

-3

0.036469165

0.00161

-1.5

0.040124805

0.00171

0

0.041352146

0.0026

-1.5

0.050990195

0.003

3

0.054772256

Gambar 6. Grafik untuk menentukan VT pada saat dikenai gas CO Dari grafik dapat dapat ditentukan bahwa “ m ‘ yang merupakan gradien( m = 0,001) dengan demikian mobilitasnya dapat dihitung. Tegangan ambang VT = - 39 volt.Nilai C persatuan unit area = 0,329217 10-4 F cm-2 ( Ihantola dan Moll ). Untuk panjang channel (L) = 200 µm dan lebar (W) = 1 mm. Dengan persamaan (3), diperoleh bahwa nilai mobilitas pembawa muatan (µ) pada daerah saturasi = 0,012288 cm2 V-1s-1. Untuk menentukan mobilitas pembawa muatan pada daerah linier dengan persamaan (1), didapatkan µ = 0,03393 cm2 V-1s-1 . III.3. Aplikasi Sensor Gas Jika permukaan lapisan tipis dari piranti sensor dikenai suatu gas ,maka akan terjadi perubahan kekonduksian listrik terhadap perubahan waktu pengamatan,ini merupakan prinsip kerja sensor gas. Sensor gas yang memanfaatkan struktur transistor FET berbasis lapisan tipis CuPc dapat mendeteksi adanya beberapa gas, antara lain : gas buang kendaraan bermotor, CO dan NH3. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa konduktivitas tinggi dari sensor gas pada saat dikenai NH3 . Dalam makalah ini, hanya akan dilaporkan sensor gas pada saat dikenai oleh gas CO,sebagaimana terlihat pada Gambar.7. Penelitian ini dilakukan dengan cara menyuntikkan gas uji yang volumenya 1cc ke dalam tabung uji(chamber),kemudian diukur kuat arus diantara S dan D. Volume tabung gas uji adalah 1,411246 x 105 cc, tegangan VDS yang diaplikasikan ( 3 ± 0,05),tegangan gate(VG) = 0 V dan tegangan pada S(VS) = 0 V. Perbandingan antara volume gas uji dengan volume udara pada tabung uji adalah 1 : 1, 1,411246 x 105 = 7,08503 10-6. s

ISSN 0853 - 0823

1

92


Dari grafik konduktivitas OFET yang teramati, terlihat bahwa sensor gas akan mulai mendeteksi gas CO saat 15 detik pertama hingga 90 detik .Setelah 90 detik sensor gas masih mendeteksi gas CO, namun konduktivitasnya menurun sampai dengan 135 detik.Setelah 135 detik konduktivitasnya sensor gas naik secara tajam sampai dengan 150 detik, kemudian turun hingga 210 detik. Setelah 210 detik sensor gas masih mendeteksi gas hingga mencapai 240 detik, konduktivitasnya turun hingga ke detik 270. Berdasarkan data penentuan waktu respon optimal dari grafik di atas (Gambar.7), diperoleh waktu respon( respon time ) yang adalah 135 detik, sedangkan waktu pulih (recovery time ) adalah berkisar 15 detik. Waktu respon yang diukur adalah waktu sensor mulai merespon adanya gas CO hingga masih berlangsung.Waktu respon ,yaitu terjadinya transfer massa antara gas CO dengan CuPc dalam membentuk senyawa baru. Sedangkan waktu pulih adalah waktu dimana sensor gas sudah tidak merespon adanya gas CO hingga sensor mulai merespon lagi adanya gas . Hasil eksperimen dengan cara mengisi tagung gas uji untuk udara dan gas CO secara bergantian dengan interval waktu 15 detik dapat dilihat pada (Gambar 7).Hasil pengamatan diperoleh bahwa perubahan konduktivitas sensor gas, semakin lama makin naik dengan interval waktu 15 detik.

(a)

(b)

Gambar 7. (a) Grafik perubahan konduktiviats terhadap waktu yang bernilai (posisitif/negatif) (b) Grafik perubahan konduktiviats terhadap waktu (posisitif) Dari grafik perubahan konduktivitas yang teramati (Gambar 8(b)), terlihat bahwa sensor mendeteksi adanya gas dapat diamati dengan jelas, baik waktu respon maupun waktu pulihnya.Sensor merespon adanya gas permulaan(waktu respon) memerlukan waktu 30(waktu respon) detik dan dan sensor aktif selama 60 detik.Setelah sensor tidak merespon (pasif) adanya gas CO selama 15 detik (waktu pulih).Kemudian sensor merespon gas lagi selama 60 detik,selanjutnya pasif lagi sekitar 30 detik. Pada kurva ketiga sensor merespon adanya gas selama 45 detik dan kembali pasif selama 30 detik.Pada kurva terakhir sensor gas merespon adanya gas CO selama 60 detik. Dari grafik (Gambar 8.) dapat ditentukan berdasarkan respon waktu optimum adalah 60 detik sedangkan waktu pulihnya hanya 30 detik.Dengan demikian waktu respon(60 s) sensor gas CO lebih lama dari pada waktu pulihnya(30 s), sehingga sensor ini layak untuk digunakan. Waktu respon yang diukur adalah waktu sensor mulai merespon adanya gas CO hingga masih berlangsung.Waktu respon ,yaitu terjadinya transfer massa antara gas CO dengan CuPc dalam membentuk senyawa baru. Sedangkan waktu pulih adalah waktu dimana sensor gas sudah tidak merespon adanya gas CO hingga sensor mulai merespon lagi adanya gas . IV. KESIMPULAN Karakterisasi OFET berbasis film tipis CuPc diperoleh bahwa daerah aktif adalah (2,79 V - 3,43 V). Ukuran transistor OFET sangat kecil (6,15) mm2 dan jarak S ke D 200 µm, sehingga bersifat mobile. Aplikasi sensor gas telah dilakukan penelitian, diperoleh bahwa OFET CuPc dapat mendeteksi dengan waktu respon (60 s) dan waktu pulih (30 s).Sedangkan mobilitas pembawa muatan pada daerah linier (µ = 0,033353 cm2 V-1s-1 ) dan daerah saturasi (µ = 0,012288 cm2 V-1s-1 ). Sensor gas ini mempunyai waktu respon lebih besar dari pada waktu pulih dan mendeteksi gas hanya beberapa detik (kurang dari 15 s), sehingga layak untuk digunakan.

ISSN 0853 - 0823


V.

93

DAFTAR PUSTAKA

Chadwick,A.V, Dunning,P.B.M and Wright,J.D,1986, Application of organic solids to chemical sensing.Mol.Crys,Liq. Crys, 134, 137-153. Dimitrakopoulos,C.D And J. Mascaro,D.J., 2001, Organic thin-film transistors: A advances, IBM J. Res. & Dev., 45, 11.

review of recent

Dogo,S.,Blanc,J.P. C. Maleysson and Pauly,A, 1992 ,Interaction of NO~ with copper phthalocyanine thin films. 11: Application to gas sensing, Thin Solid Films, 219 (1992) 251. Henning Rost, Jürgen Ficker, Juan Sanchez Alonso, Luc Leenders, Iain McCulloch, 2004, Air-stable all-polymer field-effect transistors with organic electrodes, Synthetic Metals 145, 83–85. Electron,7(1964)(423-430) Ihamtola,H.K.J. and Moll,J.L.,1964,Design Theory of a Surface Field Effect Transisitor,Solid State Kennedy ,D.P. and Murley,P.C.,1973,Steady State Mathematical Theory for the Insulated Gate Firld Effect Transisitor,IBMJ Res.Dev,17(1)(1973).1-11 Leznoff, A.B.P. Lever,1989, Phthalocyanines, Properties and Applications 1–3 VCH Law,K.Y.,1993, Organic photoconductive materials — recent trends and developments, Chem. Rev. 93_1993.449–486. Mirwa,A., Friedrich,M, Hofman,A, 1995, Sensors and Actuator B24-25,596 M. Martin,M, J.J. Andre, J. Simon, 1981,Organic solar-cells based on metallophthalocyanine semiconductors, Nouv. J. Chim. 5- 485–490. Newton,M.I.,Strarke,T.K.H., Mr.Willis, G.McHale, 2000, NO2 detection at room Temperatur with copper phthalocyanine thin film devices,Sensor and Actuators B 67_ 307-311 Triyana,K. Dan Sudirman,R,. 1998, Fabrikasi sensor gas dengan polianilin, Laporan penelitian anggaran rutin UGM M.A.K 5250, Nomor: 25/J01.P2/KU/98 Whitlock,J.B., P. Panayotatos, G.D. Sharma, M.D. Cox, R.R. Sauers, G.R. Bird1993, Investigations of materials and device structures for TANYA JAWAB Anonim • Bagaiman respon alat dengna waktu hirup CO selama 30s ,padahal jika kita menghirup selama 15s ternyata kita keracunan ? Sujarwata • Ternyata yang bergantung pada respon alat dengan ppm nya

ISSN 0853 - 0823

PEMBUATAN DAN KARAKTERITIK OFET BERBASIS FILM TIPIS CUPC DENGAN PANJANG UNTUK APLIKASI SENSOR GAS

Recommend Documents