ISSN 0216 -3128
Suryadi,dkk.
39
PENENTUAN TETAPAN KOPLING ELEKTROMEKANIK LAPISAN TIPIS ZoO UNTUK ARAH SEJAJAR PERMUKAAN Suryadi, Widdi Usada, Wirjoadi, Tono Wibowo P3TM -BATAN
ABSTRAK PENENTUANTETAPANKOPLING ELEKTROMEKANIKLAPISAN TIPIS2nO UNTUK ARAH SElAJAR PERMUKAAN. Telah dilakukanpembuatan.lapisantipis 2nO pada substrat gelas dengan mengunakan metodesputtering.Hasil yang didapat menunjukkan.lapisan yang didapat mempunyaiorientasi sumbuc tegak lurus permukaan.Ditunjukkan dengan teramatinyapuncak (002)yang sangat dominan pada kurva XRD. Telahpula diukur tetapankopling elektromekaniknya, dengannilai rerata 0,44 :1:0,08.
ABSTRACT DETERMINATION OF THE ELECTROMECHANICALCONSTANTOF 2nO THIN FILM FOR THE PARALLELDIRECTIONTO THESURFACE.2nO thinfilm on glass substrateby sputteringmethodshas been made. Result shown that the thin film had orientation of C axis perpendicular to the surface as indicated by the (002)peak ofXRD. Theelectromechanical coupling constanthad also beenmeasuredwith the averagevalue of0.44.:to.OB.
yang dicangkokkan), sehingga dapat digunakan sebagai filter gelombang elektromagnet
PENDAHULUAN L
aPisan
padat
ketebalan
tipis
beberapa
(thin mikr.on,
solid pada
film)
dengan
saat ini telah
menjangkau semua bidang kehidupan dan makin banyak diteliti orang. Sekarang bahan lapisan tipis secara luas telah digunakan untuk membuat piranti elektronika, sel surya, lapisan tip is superkonduktor. Seorang pakar dari Amerika Ohring pemah mengungkapkan tentang pentingnya teknologi lapisan tipis sebagai berikut
3. Oalam bentuk kristal, ZnO mempunyai tahanan listrik yamg tidak linear, sehingga dapat digunakan sebagai varistor. Oi dalam makalah ini akan ditentukan tetapan kopling elektromekanik pada arah sejajar pennukaan lapisan tipis.
TATA KERJA Pers;apanSubstrat Subtrat dibuat dari bahan gelas preparat yang dipotong-potong dengan ukuran I cm x 2 cm. Substrat tersebut dicuci dengan deterjen dan alkohol menggunakan ultrasonic cleaner, ditimbang dan kemudian dimasukan dalam pembungkus plastik.
PembuatanLapisan Tipis ZnO Pembuatan iapisan tip is ZnO dilakukan menggunakan metode sputtering DC dengan skema peralatan seperti ditampilkan pada Gambar I. Target ZnO dipasang pada katode substrat diletakkan pada anode. Pada proses deposisi, jarak anode dan katode 2 cm., beda tegangan anode dan katode 2,5 kV, pendeposisian dilakukan dengan menggunakan beberapa macam target, ZnO, ZnO+AI.
Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Junl 2002
*I" -
ISSN0216-3128
40
Suryad;.dkk.
Sisrem Pr.nrllngln Matching
Katup ~
MfC
Imp~danc~
-Variabel'-"
"'i~<~i~]:;j~)4"
I
'"
~
~augt
@
Regul~lor
DC rRF
>4, Katup
,--. \
-=-
.
Sistem PemaRas
Utama f
"=;='"
ru-
~
---
KaluP
lQj Pompa
Pompa
""'"
Alltsri
Gambar 1. Skemasistemdeposisisputtering
Bahan lapisan tipis yang telah dihasilkan dengan menggunakan teknik sputtering DC, dinalisis struktur mikro dan orientasi dari sumbu kristal dari lapisan tipis ZnO dilakukan masingmasing dengan menggunakan SEM daDXRD. Juga dilakukan pengukuran tegangan lapisan tipis sebagai fungsi frekuensi, dengan menggunakan generator
Sebelum melakukan pengukuran, akan ditinjau kesetaraan (analogi) antara sistem mekanik dan sistem listrik. Hukum gerak dalam mekanik dapat dinyatakan,i2)
dv
fungsi.
d2x
F=m
SEM dan XRD.
PengukuranKopling Elektromekanik Pengukuran tetapan kopling dilakukan dengan mmggunakan metode resonansi. Yaitu dengan mengukur frekuensi resonansi dan anti resonansi lapisan tipis karena diberi teganganbolakbalik dari luar. Tetapan elektromekanik lapisan tipis kemudian dicari dengan menggunakan cara analogi dinamik.
(2)
d7
HASIL DAN PEMBAHASAN Pertama akan ditinjau prinsip analog elekrtomekanik untuk menentukan tetapan kopling lapisan tip is ZnO, dan kemudian ditinjau hasil foto
(1)
F=mdi
dx
(3)
V=""d"":;"
Suatu sistem mekanik yang bergetar (berubah secara harrnonis terhadap waktu), maka posisi dapat dinyatakan merupakan fungsi harrnonis da\am waktu ~4)
% = %0 fi""
v = dx
= j{IJxej."
'= voej."
= j{IJx
dt
Besaran mekanika
yang
lain kemudian
dinyatakan.
Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002
(5) dapat
ISSN0216-3128
Suryadi,dkk.
41
--~
Persamaangerak Newton dapat dituliskan dv J"" -dt -,",Va
ej"'" = jwv
F = jmmv
(6)
(7)
Sistemelastisyang memenuhihukum Hooke dapat dinyatakan F = kX
(8)
F=X
(9)
C I
(10)
k=C
k dinamakansebagaikekakuan (stiffness),sebagai penambahangaya persatuanpanjang,sedangkanC dinamakan "Compliance", pertambahanpanjang persatuan gaya. Gabungandari persamaan(5) dan(9), didapat :
--
Kopling elektromekanik menunjukkan kaitan antara gejala mekanik dan gejala listrik yang timbul sebagai sebab dan akibat dalam medium piezoelektrik. Besaran kopling elektromekanik tidak dapat diukur secara langsung, tetapi dengan mengamati akibat yang ditimbulkannya. Gejala resonansi dan anti resonansi hila cuplikan (lapisan tipis ZnO) diusik dengan suatu generator tegangan bo\ak-balik. Mekanisme peristiwa resonansi anti resonansi dapat dimodelkan dengan suatu getaran mekanik atau dengan analogi rangkaian listrik. Dalam laporan ini telah dicoba dengan menggunakan pendekatan getaran mekanik dan kaitan antara gejala mekanik dan listrik pada medium piezoelektrik. Persamaan getaran mekanik yang digunakan ialah persamaan getaran suatu dimensi. Da\am hat ini, hanya satu arah getar saja yang dipandang dominan. Batasan ini berlaku untuk lapisan tip is yang mempunyai lebar dan tebal jauh lebih kecil dibanding dengan panjang cuplikan. Perubahan lebar dan tebal cuplikan, kalau ada dapat diabaikan. Kaitannya gejala mekanik dan listrik dapat diyatakan(J.4)
v
(11)
F=--;;-
(i,j = 1,2,3) (16)
Di = L (8/}E) +d/j1} Untuk sistem mekanik yang mempunyai gaya gesek, maka
F = rv
Si = ~L.. ( d../)).E.
+ ST. /))
)
(12) E = medan listrik
r dinamakan koefisien gesekan.
D = geser listrik (electric displacement)
Oari hukum Ohm dapat dituliskan
T = stress S
v = j(J) Li
(13)
v = Ri
(14) (15)
v=j{J)C
L induktansi; C kapasitansi; R resistan. Dengan membandingkan persamaan (7), (11),'{12) dan (13-15) maka akan didapat kesetaraan(analogi)
= strain
Kopling elektromekanik merupakan besaran yang menunjukkan perbandingan perubahan S (6S) dan perubahan E (/lE). Cuplikan mempunyai panjang yang jauh lebih besar dibanding lebar dan tebal, maka cuplikan dapat dianggap sebagai suatu batang. Akan dibedakan dua hal; Batang dengan medan listrik tegak lurus pada panjang batang.
tan( 2j; ;rIa
-+ I
m-.L -+ R
KZ
~
)
-I
~
Jika fa = fr + 6.f clan -7- = « I. maka
(18)
2.
~
(19)
fr
Batang dengan medan listrik sejajar batang, didapat K2 =£
27£;cot(fi)
Rangkaianekivalen lapisantipis ZnO dapat dinyatakandenganrangkaianseri-paralelRLC.
Rl
Ll
rAv~r
-~-
Cl
-II-
(20)
Konfigurasipengukuranimpedansi
-~I-
Co
Gambar 4. Rangkaianekivalen. Co = kapasitan lapisan tipis RI = menunjukkan kehilangan tenaga karena
gesekan L 1 = menunjukkan kelembaman lapisan tipis CI = menunjukkan kebalikan dari kekakuan kristal
Gambar 2. Rangkaianuntukmengukurtetapan kop/ing e/ektromekanikpada arah tegak.
Gambar 5. Kurva resonansi-antiresonansi.
Gambar 3. Diagram untukpengukurantetapan kopling untuk arah longi-
tudinal.
Gambar 2 menunjukkan rangkaian untuk tetapan kopling elektromekanik pada arah tegak lurus permukaan lapisan tip is. Pada Gambar 3 ditunjukkan diagram untuk pengukuran tetapan kopling pada arah longitudinal. L, lapisan tipis ZoO, K, penjepit S, sumber tegangan RF, pada diagram tidak ditunjukkan alat ukur arus daD tegangan
Rangkaian ekivalent tersebut mempunyai frekuensi resonansi (fr) dan anti resonansi (fa). Dengan mengetahui kurva hubungan antara frekuensi dan admitansi (seperimpedansi) sistem, maka dapat ditentukan frekuensi resonansi, serta anti resonansinya(5).
fr = 21f~
1
(digunakan osiloskop).
Prosiding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
(21
(22)
=..Q
Gambar 6. Hubunganantarafrekuensidan impedansi.
1200
1- R-5a Kohm =;l I~R=3.5 Mohm II 800
~
..Q
600 400 200 0 40
42
44
46
48
50
51
52
frequensi
54
56
58
60
62
64
66
(MHz)
Gambar 7. Hubunganantarafrekuensidan impedansi
Berdasar kurva resonansi dapat ditentukan tetapan kopling elektromagnet. Tabel 1 menunjukkan hasil perhitungan faktor kopling dari beberapacuplikan. Kurva hubungan frekuensi daD impedansi hasil pengukuran sangat berbeda dengan kurva teoritisnya. Hal ini disebabkan karena, sambungan antara lapisan tipis dengan alat ukur sangat resistif (besaran R sangat dominan), selain itu pengaturan frekuensi diatur secara manual sehingga sangat sulit
memastikan titik resonansi dan anti resonansinya. Dalam penelitian ini hanya diukur frekuensi resonansi dan anti resonansi pada arah sejajar permukaan, karena kegagalan dalam pembuatan lapisan multi-layer dengan menggunakan cara sputtering, karena lapisan tip is yang dihasilkan menunjukkan adanya hubungan singkat antara penghantar dibawah lapisan ZoO dengan lapisan logam di atasZoO.
Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Peneiitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
Ada satu cuplikan dengan pengotor AI (Gambar. 8), temyata ada satu puncak resonansi pada frekuensi 30 MHz. Hal ini mungkin disebabkan adanya sumbangan dari elektron dari AI. Foto SEM dibuat untuk dua lapisan tipis ZnO dengan bahan ZnO mumi llan bahan ZnO yang
didoping AI. Untuk bahan ZnO murni menghasilkan lapisan yang lebih tebal dan butiran yang lebih besar dibandingkan dengan bahan ZnO yang didoping AI seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 dan Gambar 10.
Gambar 9;. Hasi/ Photo SEM keteba/an /apisan tipis ZnO dengan bahan target ZnO murni dengan perbesaran 6000 ka/i.
Prosidlng Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002
Suryadi,dkk.
ISSN0216-3128
4i"
Gambar 10. Hasil PhotoSEM ketebalanlapisan tipis ZnD denganbahan targetZnD yangdidoping Al denganper-besaran6000 kali.
Dengan menggunakan target ZnO+AI, didapat butiran yang lebih kecil, mengakibatkan resistansi lapisan tipis mengecil.
Gambar II.
Hasil XRD yang dihasilkan sumbu C yang dengan hasil yang
menunjukkan lap[san tipis ZnD selalu menunjukkan orientasi tegak lurus permukaan, sesuai ditunjukkan pada Gambar 13.
Slruklur mikro /apisan lipis 2nO dengan bahan target 2nO murni dengan perbesaran 6000 kG/i.
Prosldlng Pertemuan dan Presentasl IImiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
Gambar 12. Struktur mikro lapisan tipiS'ZnO dengan bahan target ZnO yang didoping Al dengan perbesaran 10000 kali.
Gambar 13. Strukturkristallapisan tipis ZnD,hasil XRD.
KESIMPULAN Berdasar hasil rota XRD, dapat disimpulkan lapisan tip is ZnO yang terbentuk selalu mempunyai orientasi sumbu C tegak lurus permukaan. Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa kristal akan membentuk susunan yang paling mampat.
2 Pengukuran frekuensi resonansi-antiresonansi perlu dilakukan dengan menggunakan cuplikan dengan ketebalan yang bervariasi, sehingga dapat dibandingkan frekuensi resonansiantiresonansi yang didat>at. Sehingga dapat
ditentukan pola getar yang terjadi. 3. Nilai kopling elektro mekanik yang didapat belum dapat dibandigkan dengan data yang acta. data yang telah acta untuk bulk bukan lapisan tipis.
UCAP AN TERIMA
KASIH
Para penulis mengucapkan terima knsih kepada J. Karmadi dan Bambang Siswanto ata~ segala bantuannya dalam mempersiapkan peralatan dalam melaksanakan penelitian ini.
-Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Juni 2002
2. 4.
Suryadi,dkk.
ISSN 0216 -3128
47
-
DAFT AR PUSTAKA OHRING, M.; The Materials Science of Thin Films,AcademicPress,I~c., 1992. MERHAUT, J.; Theory of Electro-acoustics, Mc Graw-Hill, New York, 1981. 3
5
.Sambungan lapisan tipis dengan alat ukur yang kurang baik sehingga menimbulkan derauyang besar. .Perubahan frekuensi dikerjakan .\"ecara manual,hat ini juga akan memberisumbangan ralat.
WANG, S.; Solid StateElectronic,Mc G.rawHill, New York, 1966.
Yunanto
MASON, W.P.; Physical Acoustics,Vol I-part A, AcademicPress,New York, 1964.
-Tetapan kopling dengan literatur?
PAGE, L., ADAMS, N.I.; Principles of Electricity, D. van Nostrand Company, Inc. 1958.
-Pengamatan
XRD
0,44 apakah sudah sesuai apakah ada hubungannya
dengan tetapan kopling.
Suryadi
TANYAJAWAB
-Sampai saar ini be/urn dapat menemukan acual1 yang memuat tetapan kop/ing untuk /api.\'an lipis. Tetapan kop/ing sangat dilentukan o/eh leba/ /apisan tipis yang bersangkutan.
Feri A
0,08 terlalubesar,apapenyebabnya? Ra1at 044
,
-Pengujian XRD unluk meyakinkan bah11Jayang lerbentuk betu/-betu/ krista/. karena lelapa/1 kop/ing e/ektromekanik hanya dimi/iki o/eh krista/ yang lidak mempunyai pusal inver,\'i. antara lain ZnO.
Suryadi -Ralat yang didapat cukup besar,hat ini terutama disebabkan karena :
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 27 Junl 2002
