.:>
PENGUKURAN DENGAN STM PADA PERMUKAAN LAPISAN TIPIS POLIMER TOLUEN (CP sCH.J YANG DIDEPOSITKAN PADA BAHAN KONDUKTOR SILIKON (SJI R.H. Arjadi2 dan L.A. Astuti3
.>
ABSTRAK PENGUKURAN DENGAN STM PADA PERMUKAAN LAPISAN TIPIS POLIMER TOLUEN (C6HSChl) YANG DIDEPOSITKAN PADA BAHAN KONDUKTOR SILIKON (8;). Scanning tunneling microscope (STM) adalah alat yang cukup potensial untuk mempelajari tentang ilmu permukaan (Surface science). alat ini dapat menghasilkan gambar (topography) dari permukaan dengan kwalitas yang baik. Makalah ini merupakan penjelasan singkat tentang pengukuran permukaan polimer lapisan tipis toluen (C6H5Ch3) yang didepositkan pada bahan konduktor Silicon (S;). Metoda yang digunakan dalam pembuatan topographi permukaan tersebut adalah dengan cara mengukur arus yang timbul antara jarum pengukur (needle probe) dengan permukaan sample pada arus yang konstan.
ABSTRACT THE STM MEASUREMENT OF POLIMERIZATION TOLUENE (C6HSChj) THIN FILMS SURFACE DEPOSITED ON CONDUCTING SUBSTRATES SILICON (S;). The scanningtunneling microscope(STM) is a powerful tools for surfacesciencestudy. this instrumentcan producean imageof a surfaceat high resolution.This paperis brief discussion of the surface measurement of polymerizationtoluene (C6HjCh3Jthin films surfacedepositedon conductingsubstratesSilicon (S;). The metodeusedis to measuredthe currenttunnel of the needleprobeto the samplesurfacegap at a constanttunnelcurrent.
KEY WORD
Topography,STM; ToluenSurfaceScience.
PENDAHULUAN Scanning tunneling microscope (STM) adalah salah satu alat yang cukup potensial untuk mempelajari tentang permukaan suatu bahan (surface science) pada saat ini. Microscope ini dapat digunakan untuk membuat image permukaan suatu bahan untuk mengetahui topographi dari permukaan tersebut untuk dapat dianalisa lebih lanjut. Untuk mempelajari tentang permukaan, sering sekali dibutuhkan untuk mengetahui "electrical properties" dari bahan dan strukture density dari "single atomic step" ataupun "multiple atomic step" permukaan dari bahan sehubungan dengan penelitian ilmu dan teknologi lainnya. STM ini dapat mengatasi kesulitan-kesulitan yang timbul dalam mempelajari tentang ilmu permukaan (surface science) khususnya pada orde ukuran atom, disamping dapat menghasilkan gambar topography permukaan suatu sample dalam 3 dimensi. G.Binnig dan H.Rohrer (1983)[1] dari IBM research divisison, Zurich-switzerland adalah yang pertama kali memperkenalkan sistem scanning tunneling microscope (STM) dalam mempelajari surface science, yang kemudian diikuti oleh beberapa research group diseluruh dunia.
Tidak seperti halnya scanning electrom microscope (SEM) yang dioperasikan dalam vacuum chamber, STM dapat dioperasikan pada tekanan atmosfier, ambient temperatur, gas clan dalam tluida. STM selain digunakan untuk mempelajari tentang surface science juga digunakan untuk mempelajari tentang bidang-bidang lain antara lain: fisika, kimia clan biologi dalam ukuran microscopis, seperti hal nya yang telah dilakukan oleh A.M Baro dkk[2] dalam makalahnya tentang penggunaan STM untuk menentukan topography permukaan daTi sample biologi pada resolusi yang tinggi; R.Sonnerfeld clan P.K.Hansma (1986)[3] dalam makalahnya tentang atomic resolution microscopy didalam air. Telah banyak penggunaan STM untuk penelitian ilmu bahan/material khususnya untuk bahan konduktor ataupun semikonduktor pada ukuran atomic, clan juga untuk mengetahui struktur permukaan daTibahan terukur. Selain dari pada penggunaan seperti tersebut diatas, STM juga digunakan untuk melakukan penelitian pada material konduktor dengan absorbsi bahan organic pada bahan konduktor seperti yang dilakukan oleh H. Ohtani, et.al. dengan penelitiannya penggunaan STM pada permukaan bahan organic benzene pada bahan Rh(111)-(3x3)(C6H6+ 2CO).
1 Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997
2 P3KIM-LIPI 3 Pusat Produksi Radioisotop -BAT AN
222
Pada makalah ini dijelaskan tentang pengukuran permukaan bahan lapisan tip is polimer organic compound To/uen (C6H6+ 2CO) yang didepositkan pacta bahan konduktor silicon (8i)[6].
Dengan
melakukan
maka akan diberi pada
awan electron dari kedua metal tersebut menjadi satu. Hila kedua metal tersebut heclateganganmaka akan timbul arus tunnel kedua metal tersebut. Toluen adalah
merupakan keluarga alkylbenzene yang paling
pengukuran sederhana, clan juga merupakan molekul yang
pennukaan topographi bahan organic toloune tersebut akan dapat dianalisa clan ditentukan besarnya harga electrical properties dari bahan tersebut, sebagai contoh adalah besarnya harga kondu~tititas elektriknya. Seperti halnya bahan organic compound lainnya, toluen juga mempunyai harga konduktititas elektrik yang
termasuk dalam jenis planar molekul yang mempunyai molekul carbon, hidrogen clan substitusi methyl berada pada lapisan yang sarna.
rendah. Pengukuran yang dilakukan dengan STM ini adalah di udara terbuka (ambient temperature) dengan temperatur lingkunagan adalah temperatur kamar.
DASAR TEORI Prinsip dasar sistem scanning tunneling microscope (STM) adalah pengukuran arus tunnel (tunnel current) yang merupakan data informasi daTi topography permukaan sample yang diukur. Arus tunnel ini merupakan arus yang timbul diantara dua elektroda yang berdekatan satu sama lain. Kedua elektroda tersebut pada sistem scanning tunneling microscope (STM) adalah bahan sample yang diukur daD jarum pengukur (needle tip) yang bergerak diatas permukaan sample selama pengukuran, jarak jarum pengukur ini diset pada jarak -1 nm diatas permukaan sample, untuk mendapatkan arus terukur dengan tegangan yang reasonable. Arus tunnel terukur merupakan fungsi exponensial daTi jarak antara jarum pengukur dengan permukaan sample, daD ditunjukan dengan persamaan sbb :
C exp.(-2kd)
( 1 .)
Gambar I. Struktur molekul Toluen (C6H5Chj) (a) Strukture Crystal dari Toluen; (b) Awan elektron pada permukaan baban toluen; (c) Simbol kimia dari toluen.
Gambar I menunjukan struktur molekuler dari toluen, terlihat pada gambar 1b. adanya awan elektron pada permukaan toluen, daD sesuai dengan prinsip kerja sistem STM seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, pengukuran yang dilakukan pada penelitian ini adalah menggunakan awan elektron pada permukaan toluen sebagai media diantara kedua elektroda pada sistem STM. Seperti halnya benzene, awan elektron pacta toluen merupakan daerah elektron yang terlepas dari permukaannya daD mempunyai polaritas negative. Sehingga dalam pengoperasian sistem STM ini dilakukan dengan tegangan bias positive (Field
stage).
dengan: I = Arus tunnel (Tunnel current) d = Jarakjarum pengukur
METODA PENELITIAN
terhadap permukaan
sample. Oari teori "free electron" dapat diketahui bahwa total density arus dari electron tunnel tidak menjadi nol pada permukaan luar dari sample. Total density arus tunnel tersebut akan berkurang menurut fungsi exponensial sampai beberapa Angstrom dari permukaan bagian luar sample, yang juga sering disebut sebagai adanya ,awan electrow51. Sehingga kalau ada dua metal yang didekatkan satu sama lain pada orde Angstrom,
Penelitian ini adalah untuk mengetahui struktur kristal dari permukaan lapisan tipis bahan organic toluen yang didepositkan pada bahan konduktor Silicon (Si). Dengan mengetahui permukaan dari bahan terukur, maka akan dapat dilakukan penghitungan besamya konduktifitas dari bahantersebut. Pengukuran yang dilakukan adalah merupakan pengukuran dengan teknik garis per garis (Single line measurement) dengan sistem STM. Frekuensi scanning yang digunakan adalah
223
/-"\IJ\I"\./\"~,/~"
sebesar 0.5 Hz. dengan range tegangan bias Gambar 3 menunjukan scanning berulang dari sistem STM diatas permukaan sample terukur, sebesar +2 volt sampai dengan +5 volt, metoda yaitu permuklaan lapisan tip is bahan organic yang digunakan adalah arus konstan (Constant toluen yang didepositkan pada bahan silicon. Pada Current Mode) dengan demikian arus tunnel terukur akan dijaga tetap konstan, clan perubahan pengukuran tersebut digunakan tegangan bias posisi jarum ukur yang akan digunakan sebagai sebesar+4 volt. dari percobaan tersebut ditunjukan pengulangan scanning pada garis yang sama untuk perubahan permukaan dari sample terukur. mendapatkan basil yang optimum dengan Semakin rendah konduktititas dari material, maka akan semakin kecil arus tunnel yang akan menggunakan tegangan bias yang konstan. Terlihat dari basil percobaan bahwa terjadi distorsi melewati daerah antara kedua elektroda, yaitu yang diakibatkan oleh adanya histerisis dari ujung jarum ukur clan permukaan sample terukur. Dengan demikan akan terdapat kesulitan dalam piezoelektrik yang digunakan untuk mengatur posisi dari ujung jarum diatas permukaan sample melakukan analisa dari gambar permukaan yang didapat. Dengan mengatur besamya tegangan bias terukur. maka akan didapat hasil pengukuran yang lebih optimum untuk dapat dilakukan analisa daTi hasil pengukuran pada permukaan tersebut. Gambar 2. menunjukan gratik antara arus tunnel dengan posisi ujung jarum pada beberapa tegangan bias yang digunakan. Pada kondisi tertentu hasil pengukuran dapat dihasilkan lebih optimum dengan memberikan tegangan bias yang lebih besar, hal ini akan menimbulkan medan listrik yang lebih besar diantara kedua elektroda yaitu ujung jarum clan permukaan sample. Sehingga arus tune I yang dihasilkan akan lebih besar yang akan diinjeksikan kedalam permukaan sample Gambar 3. Grafik arus dan posisi jarum diatas terukur. Cara lain untuk dapat memberikan hasil permukaansample dengan beberapakali pengukuran yang lebih baik adalah dengan penyapuan menggunakan jarum ukur yang mempunyai ketajaman yang lebih tajam. Dengan lebih Untuk mengetahui arus tunnel pacta beberapa titik tajamnya ujung jarum maka permukaan kedua ukur sepanjang garis pengukuran maka dilakukan elektroda yang saling berhadapan akan lebih kecil, pengukuran arus tunnel dengan variasi tegangan dengan demikian maka medan listrik yang timbul bias yang berbeda -beda untuk beberapat titik juga akan lebih besar clan hal ini akan ukur. Hasil pengukuran tersebut terlihat pacta menimbulkan arus tunnel yang lebih besar dengan gambar4. tegangan bias yang konstan. Kedua cara tersebut dapat digabungkan menjadi satu clan hal ini akan memberikan efek pada hasil pengukuran yang lebih bagus clan lebih akurat sesuai dengan ukurannya.
0
\l
,\../'/""
-y-;
J'"-~'\.j\-"",,~
0It ~Volt
Gambar2 Grafik antaraarus tuneldanpem1ukaan samplepadabeberapateganganbias.
Gambar 4.
Arus tunnel dengan posisi ujung jarum dengantegananbiasyangberbeda
Gambar5 menunjukangaris tunggal penyapuan dari ujung jarum ukur diatassampleorganic toluen 224
'00'
diatas bahan silicon. Frekuensi scanning yang digunakan adalah sebesar 05 Hz. dengan tegangan bias sebesar +2 volt. Terlihat adanya perbedaan arus tunnel; yang dihasilkan pada daerah diantara ujung jarum ukur clan permukaan lapisan tipis
konduktifitas yang sangat rendah seperti halnya lapisan tipis bahan organic Toluen yang didepositkan pada bahan konduktor silicon seperti yang dilakukan pada percobaan ini. Dari percobaan -percobaan yang dilakukan dapat bahan organic toluen. Hal tersebutjuga dapat dilakukan pengukuran arus tunnel terhadap ditunjukan adanya perbedaan arus yang terlihat perubahan tegananbias pada beberapa titik diatas lebih besar yang menunjukan bahwa besamya permukaan sample terukur. Dari pemgukuran konduktifitas pada titik tersebut lebih besar tersebut dapat dihasilkan tiga kondisi yaitu : dibandingkan pada titik yang lainnya. .Pengukuran arus tunnel pada teganganbias
Hz Sconn,nQ ".quoncy
v,t" 0 po.itiv.
,.
uo.':
In t""
2 volt. b,o. input ~ppli.cI.
~"Ar L -:121 ~..
Garnbar5. Garispenyapuan(Scannedline) padapermukaanlapisantipis toluenpadabahankonduktorsilikon. [6] sarna dengan Dol, hal ini akan rnenunjukan perrnukaan pada kondisi titik awal dari
DISKUSI
pengukuran. Besamya arus tunnel yang timbul sangat tergantung pacta resistansi yang actapacta daerah antara ujung jarum pengukur dan permukaan sample terukur sebagai elektroda pacta sistem STM. Hal ini akan sangat tergantung pactajenis dari bahan yang akan diukur. Toluen adalah bahan organic seperti halnya benzene, dimana harga konduktititas elektrik dari organic compound adalah sangat kecil sekali yaitu pacta orde 10-17 (S/m) sampai 10-3 (S/m). Sedangkan harga conduktititas elektrik dari metal adalah dalam orde 10+7(S/m).Untuk menghitung harga konduktivitas elektrik dari lapisan tipis dengan sistem STM, perlu untuk melakukan pengukuran arus tunnel antara ujung jarum ukur dan permukaan sample terukur yang merupakan fungsi dari tegangan bias dari sistem STM. Harga resistansi dan konduktititas dari gap antara ujung jarum clan permukaan sample dapat dihitung dari hasil pengukurang sepeti terlihat pacta gambar 4. gartik arus tunnel dengan posisi ujung jarum ukur dengan tegangan bias yang berbeda. Dari gambar ini akan didapat kemungkinan untuk menetukan besamya konduktititas dari lapisan tip is, khususnya untuk lapisan tipis yang mempunyai
.Pengukuran tegangan pada arus tunel sama dengan Dol, hal ini akan rnenunjukan tegangan antara ujung jarurn daD perrnukaan sample lapisan tipis. .Slope pada grafik antara tegangan daD arus yang terukur akan rnenunjukan resistansi dari lapisan tip is. Garnbar 6 rnenunjukan grafik antara arus tune I terukur dengan tegangan bias yang berbeda pada beberapa titik pengukuran. Data-data yang digunakan adalah dari basil pengukuran seperti terlihat pada garnbar 4 sebanyak 20 titik pengukuran sepanjang garis pengukuran. Tabel I daD tabel 2 menunjukan 20 titik pengukuran basil perhitungan resistansi daD konduktansi dari lapisan tipis bahan organic toluen pada bahan konduktor silicon. Dari basil perhitung terilhat adanyan perbedaan resistansi ataupun konduktasi dari titik -titik pengukuran sepanjang garis pengukuran. Dari tabel tersebut dapat dilihat bahwa conductansi dari sample terukur mernpunyai harga berkisar 3.191 (nS) sampai 6.435 (nS), dengan rnengasumsikan bahwa ketebalan lapisan tipis tersebut sarna, rnaka dapat dihitung bahwa harga konduktansi rata -ratanya
225
adalah sebesar7.655 (nS). Dengan demikian maka sistem STM dapat digunakan untuk menghitung besarnya konduktititas elektrik dari bahan terukur, walaupun harga konduktititas tersebut relatif kecil
harga konduktifitas elektri yang kecil perlu diperhatikan beberapa point renting antara lain:
Tegangan bias yang digunakan pada pengukuran. Ujung jarum ukur yang digunakan
sekali. KESIMPULAN
mempunyai ketajaman yang sangat tajam, sebaiknya hanya terdapat satu buah atom diujungnya untuk mendapatkan arus yang cukup dengan daerah pengukuran yang kecil.
Dari pengukuran yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa sistem scanning tunneling microscope ini, merupakan peralatan yang potensial pada saat ini untuk mempelajari ilmu permukaan (surface science) serta ilmu lain yang bekerja pada orde ukuran atom. I ,..,
Pengukuran dengan STM dapat digunakan untuk mendapatkan topographi dari permukaan sample, yang kemudian dapat digunakan dan dianalisa untuk menghitung properties elektrik dari bahan terukur. Pengukuran permukaan sample lapisan tipis bahan organic tolouene menunjuikan bahwa ada harga -harga arus tunnel yang relatif besar dari yang lainnya. Hal tersebut menunjukan adanya konduktifitas yang besar daD hal ini terlihat bahwa permukaan silico menembus dari lapisan tipis bahan organic tersebut. Tabel I. Resistansi lapisan tipis bahan organic Toluen pada bahan silikon pacta beberapa titik
pengukuran Titik Ukur
Resistansi(011)
1. 2.
0.157 0.141 0.126 0.071 0.145 0.169 0.184 0.082 0.141 0.094 0.224 0.165 0.212 0.110
3. 4. 5.
6. 7. 8.
9.
t,.,
10. 11.
~
-.., ..,"'"..."." r"., ... ..0'4'
, t,,' ,.,
13. 14.
15. 16. 17. 18. 19. 20.
,
"."..,
Gambar 6. Grafik antara arus tunnel dan tegangan bias pacta beberapa titik ukur sepanjang garis
pengukuran. Untuk mendapatkan basil pengukuran yang cukup akurat khususnya untuk sample yang mempunyai 226
0.153 0.157 0.110 0.196 0.102 0.122
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri 1997 Tabel 2. Konduktansi lapisan tipis bahan organic Toluen pada bahan silikon pada beberapa titik pengukuran
TitikUkur 1.
2. 3.
4. 5.
6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.
20.
Kooduktansi(oS) 6.369 7.092 7.937 14.090 6.897 5.917 5.435 12.190 7.092 10.640 4.464 6.061 4,717 9.091 6.536 6.369 9.091 5.102 9.804 8.197
-
/SSN/4/0-2897
DAFT AR PUSTAKA. [I] BINNIG, G. dan ROHRER, H., "Scanning Tunneling Microscopy", Surface Science, 126,(1983)p. 236-244. [2] BARO, A.M.et al., "Determinationof Surface Topographyof Biological Specimensat High Resolution by Scanning Tunneling Microscopy",Nature,315, (1985)p. 253-254. [3] SONNENFELD,R., dan HANSMA, P. K., "Atomic-Resolution Microscopy In Water", Science,232, (1986)p. 211-213. [4] HANSMA, P.K., dan TERSOFF, J., "Scanning Tunneling Microscopy", Journal Applied Physic,61(2), (1987)p. RI-R23. [5] DEKKER, A.J., "Solid State Physics", Macmilan,London,(1970). [6] ARJADI, R.H.,"The Designand Construction of A ScanningTunnelingMicroscopefor The Investigationof Thin Insulating Films", PhD. Thesis,Salford-U.K,(1991).
227
