Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 21 November 2015 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
SIFAT OPTIK FILM TIPIS Ba0,5Sr0,5TiO3 DIDADAH Ga2O3 BERDASARKAN METODE TAUC PLOT AGELIKUS PARAPA 1*, BUDI HARSONO 2, ADE KURNIAWAN 3, ETI ROHAETI 4, IRZAMAN 5 1* 2
Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik dan Ilmu Komputer, Universitas Kristen Krida Wacana, Jakarta. Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik dan Ilmu Komputer, Universitas Kristen Krida Wacana, Jakarta. 3 Asisten Lab. Fisika Material Elektronik Departemen Fisika FMIPA IPB, Bogor. 4 Staf Pengajar Departemen Kimia FMIPA IPB, Bogor. 5 Staf Pengajar Departemen Fisika FMIPA IPB, Bogor.
Abstrak. Dalam eksperimen ini, telah dilakukan penumbuhan film tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 tanpa dan dengan dadahan Ga2O3. Pembuatan dari film tipis ini bertujuan untuk mengamati dan menguji besaran energy gap yang terdapat didalamnya, sehingga hasilnya dapat diklasifikasikan ke dalam bahan semikonduktor atau bukan. Pada penelitian ini telah berhasil dibuat film tipis Ba 0,5Sr0,5TiO3 (BST) murni dan BST yang didadah Galium dioksida (Ga2O3) dengan variasi pendadah 5% dan 10% di atas substrat Si(100) tipe-p, menggunakan metode Chemical Solution Deposition (CSD) dengan teknik spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik dalam kelarutan 1 M. Film tipis di annealing menggunakan alat Furnace merk VulcanTM-3000 pada suhu 850oC, selama 22 jam. Pada film BST yang tidak didadah dengan Ga2O3 menghasilkan energy gap sebesar 2,41 eV, dengan dadahan Ga2O3 5% menghasilkan energy gap 1,726 eV, dan dengan dadahan 10% menghasilkan energy gap 2,6 eV. Ini menunjukkan bahwa pendadah Ga2O3 mempengaruhi besar energy gap. Nilai energy gap yang didapatkan menunjukkan bahwa film tipis BST merupakan bahan semikonduktor. Kata kunci: BST, tauc plot, absorbansi, energy gap, semikonduktor
Abstract. In this experiments, it has been growth Ba0,5Sr0,5TiO3 thin film without and with Ga2O3 doping. The manufacture of this thin film aims to observe and examine the magnitude of the energy gap in the thin film, so the results can be classified into the semiconductor material or not. In this research, it has been successfully created a pure Ba0,5Sr0,5TiO3 (BST) thin film and BST thin film that doping with galiumdioksida (Ga2O3) with variations doping 5%, and 10% above the p-type Si (100) substrate, using Chemical Solution Deposition (CSD) method by the spin coating technique on a rotational speed of 3000 rpm for 30 seconds in the solubility of 1 M. The thin film was annealed using a Vulcan TM-3000 furnace at 850 °C temperature, for 22 hours. The pure BST thin film produces energy gap of 2.41 eV, BST thin film with Ga2O3 5% doping produce energy gap of 1,726 eV, and with 10% doping yield energy gap of 2.6 eV. This indicates that Ga2O3 doping influence the value of energy gap. Energy gap values obtained show that the BST thin film is semiconductor material. Keywords : BST, tauc plots, absorbance, energy gap, semiconductors
1.
Pendahuluan
Salah satu penelitian yang belakangan ini menarik perhatian para ahli fisika yaitu penelitian terhadap material ferroelektrik karena material ini sangat menjanjikan terhadap perkembangan divais generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat unik yang dimilikinya. Material ferroelektrik, terutama yang didasari oleh campuran Barium Stronsium Titanat (BST), diharapkan memiliki energi yang tinggi karena *
email:
[email protected] FM-18
FM-19
Agelikus Parapa, dkk
memiliki konstanta dielektrik dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi [1-6]. Barium Stronsium Titanat (BST) telah lama dipelajari sebagai salah satu material yang dapat diaplikasikan untuk Dynamic Random Access Memory (DRAM), Non Volatile Memory Device, voltage tunable device, Infrared (IR), fotodioda, dan sensor kelembaban [2]. Sifat piezoelektriknya dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat piroelektrik dapat diterapkan pada infrared sensor, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelektrik Random Access Memory (NVRAM), serta sifat electrooptic dapat digunakan dalam switch termal infrared [2,7,8]. Film tipis BST dapat dibuat dengan beberapa metode diantaranya Pulsed Laser Deposition (PLD), Metal Organic Solution Deposition (MOSD), Gel Process dan RF Magnetron Sputtering [3]. Selain itu Film tipis BST juga dibuat dengan Metode Chemical Solution Deposition (CSD) yang telah lama dikembangkan untuk penumbuhan perovskite thin film semenjak tahun 1980-an dan dipublikasikan oleh Fukushima et al [4]. Dalam penelitian ini film tipis BST dibuat dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) karena metode ini memiliki keunggulan yaitu prosedurnya mudah, biayanya relatif murah dan mendapatkan hasil yang bagus [9-13]. Pada makalah ini disampaikan hasil penelitian tentang pembuatan lapisan tipis BST yang ditetes di atas substrat silikon tipe-p (100) dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan diikuti proses spin coating pada kecepatan 3000 rpm selama 30 detik dan proses annealing pada suhu 850 oC selama 22 jam. Film tipis yang dihasilkan kemudian dikarakterisasi sifat optiknya melalui pengukuran nilai absorbansi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melakukan sintesa dan uji sifat optik film tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 (BST) di atas substrat silikon tipe-p (100).
2.
Metode Penelitian
Pembuatan Film Tipis BST Pada penelitian ini film tipis BST dibuat di atas substrat silikon tipe–p (100) menggunakan metode Chemical Solution Depositon (CSD). Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Barium Asetat [Ba(CH3COO)2], Stronsium Asetat [Sr(CH3COO)2], Titanat Dioksida [TiO2], substrat silikon tipe-p (100), Galium oksida [Ga2O3], 2-Metoksietanol [H3COCH2CH2OH], air aqua bidest pro injection, dan aluminium foil. Pembuatan film tipis BST meliputi proses persiapan substrat silikon (Si 100) tipe-p yang dipotong berukuran 1x1 cm2 sebanyak 15 buah, masing-masing 5 untuk BST tanpa doping, 5 buah untuk BST dengan doping Ga2O3 5%, dan 5 buah untuk BST dengan doping Ga2O3 10%. Selanjutnya substrat Si yang telah dipotong dibersihkan dengan air aqua bidest pro injection selama 30 detik dan dikeringkan dengan meletakkan di dalam wadah yang dilapisi dengan tissue. Proses pembuatan larutan film tipis BST dimulai dengan mencampurkan semua bahan baku sehinga menghasilkan tiga larutan.
Sifat Optik Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 Didadah Ga2O3 Berdasarkan Metode Tauc Plot
FM-20
Larutan pertama adalah dengan mencampur 0,3193 gram Ba(CH3COO)2 dengan 0,2571 gram Sr(CH3COO)2 dan 0,1997 gram TiO2 yang dilarutkan dengan 2,5 ml 2-Metoksietanol di dalam tabung reaksi (larutan [Ba0,5Sr0,5TiO3] tanpa doping). Larutan yang kedua adalah dengan mencampur 0,3193 gram Ba(CH3COO)2 dengan 0,2571 gram Sr(CH3COO)2 dan 0,1997 gram TiO2 yang dilarutkan dengan 2,5 ml 2-Metoksietanol dengan penambahan 0,0260 gram Ga2O3 sebagai doping 5% di dalam tabung reaksi (larutan [Ba0,5Sr0,5TiO3] dengan doping Ga2O3 5%). Larutan yang ketiga adalah dengan mencampur 0,3193 gram Ba(CH3COO)2 dengan 0,2571 gram Sr(CH3COO)2 dan 0,1997 gram TiO2 yang dilarutkan dengan 2,5 ml 2-Metoksietanol dengan penambahan 0,0521 gram Ga2O3 ke dalam tabung reaksi sebagai doping 10% (larutan [Ba0,5Sr0,5TiO3] dengan doping Ga2O3 10%). Ketiga larutan yang sudah jadi tersebut dihomogenisasi menggunakan ultrasonikator Branson 2510 selama 90 menit untuk mendapatkan larutan BST yang homogen. Langkah berikutnya, yaitu meneteskan larutan-larutan BST yang homogen tersebut di atas substrat Si pada permukaan spin-coating dengan 2/3 bagian dari substrat Si ditetesi larutan BST selebihnya ditutupi dengan isolatip. Substrat diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Proses penetesan dan pemutaran substrat dilakukan sebanyak tiga kali dengan waktu jeda dari putaran substrat tersebut selama satu menit. Setelah proses pelapisan pada masingmasing ketiga larutan tersebut selesai, maka tahapan berikutnya adalah proses annealing. Proses annealing ini merupakan proses pemanasan sintesis film tipis (substrat Si yang sudah ditetesi BST dengan maupun tanpa doping) selama 22 jam pada suhu 850 . Hasil film tipis dari bahan BST (dengan maupun tanpa doping Ga2O3) dikaji dengan cara uji sifat optik berupa pengambilan data dari nilai absorbansinya untuk menganalisis energy gap film tipis.
Karakteristik Optik Film Tipis BST Karakteristik optik film tipis BST dilakukan dengan menggunakan spektroskopi optik UV-Vis Ocean Optics USB4000 pada panjang gelombang cahaya tampak (450 nm - 750 nm). Parameter yang diukur adalah nilai absorbansi film tipis BST. Nilai absorbansi yang terukur kemudian digunakan untuk menghitung nilai energy gap. Penghitungan nilai energy gap menggunakan metode Tauc Plot. Metode Tauc Plot dilakukan dengan menggambarkan kurva hubungan antara (hc/)2 terhadap hv. Nilai energy gap kemudian diperoleh dengan menarik garis dari kurva dengan gradien tertinggi hingga memotong sumbu hv.
FM-21
3.
Agelikus Parapa, dkk
Hasil dan Pembahasan
Absorbansi Hasil pengukuran absorbansi untuk BST tanpa dadah Ga2O3 ditunjukkan pada Gambar 1, BST yang di dadah Ga2O3 5% ditunjukkan pada Gambar 2, dan BST yang didadah Ga2O3 10% ditunjukkan pada Gambar 3. Dari hasil pengukuran absorbansi terlihat bahwa film tipis BST yang dibuat menyerap cahaya pada rentang cahaya tampak (450 nm – 700 nm). Serapan maksimum untuk BST tanpa dadah Ga2O3 terjadi pada panjang gelombang 700 nm dan serapan minimum terjadi pada panjang gelombang 540 nm, serapan maksimum untuk BST yang didadah Ga2O3 5% terjadi pada gelombang 635 nm, dan serapan minimum terjadi pada panjang gelombang 450 nm, dan serapan maksimum untuk BST yang didadah Ga2O3 10% terjadi pada gelombang 700 nm, dan untuk serapan minimum terjadi pada gelombang 490 nm. Hal ini menunjukkan film tipis BST yang dibuat berpotensi sebagai sensor cahaya tampak.
Gambar 1. Kurva absorbansi film tipis BST tanpa dadah Ga2O3.
Gambar 2. Kurva absorbansi film tipis BST yang didadah Ga2O3 5%.
Sifat Optik Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 Didadah Ga2O3 Berdasarkan Metode Tauc Plot
FM-22
Gambar 3. Kurva absorbansi film tipis BST yang didadah Ga2O3 10%.
Energy gap Kurva hasil penghitungan nilai energy gap film tipis BST tanpa dadah Ga2O3 menggunakan metode Tauc Plot ditunjukkan pada Gambar 4, dengan dadah Ga2O3 5% ditunjukkan pada Gambar 5, dan dengan dadah Ga2O3 10% ditunjukkan pada Gambar 6. Dari kurva hasil penghitungan nilai energy gap film tipis BST tanpa dadah Ga2O3 menggunakan metode Tauc Plot menghasilkan nilai energy gap sebesar 2,41 eV, dengan dadahan Ga2O3 5% menghasilkan energy gap 1,726 eV, dan dengan dadahan Ga2O3 10% menghasilkan energy gap 2,6 eV. Ini menunjukkan bahwa pendadah Ga2O3 mempengaruhi besar energy gap. Dari hasil perhitungan energy gap film tipis BST, dapat dipastikan bahwa baik film tipis tanpa dadah maupun yang didadah dengan Ga2O3 5% dan 10% merupakan bahan semikonduktor.
Gambar 4. Kurva nilai energy gap BST tanpa dadah Ga2O3 menggunakan metode Tauc Plot
FM-23
Agelikus Parapa, dkk
Gambar 5. Kurva nilai energy gap BST yang di dadah Ga2O3 5% menggunakan metode Tauc Plot
Gambar 6. Kurva nilai energy gap BST yang di dadah Ga2O3 10% menggunakan metode Tauc Plot
4.
Kesimpulan
Telah berhasil dibuat film tipis Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST) yang ditumbuhkan di atas substrat silikon tipe-p (100) dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD). Analisis energy gap menggunakan metode Tauc Plot menghasilkan nilai energy gap pada film BST tanpa dadah sebesar 2,41 eV, untuk dadah Ga2O3 5% menghasilkan energy gap 1,726 eV, dan untuk dadah Ga2O3 10% menghasilkan energy gap 2,6 eV. Hasil uji sifat optik film tipis BST menunjukan bahwa film tipis BST yang dibuat bersifat sebagai semikonduktor dan sangat berpotensi untuk diaplikasikan sebagai sensor cahaya. Ucapan Terima Kasih Studi ini merupakan hasil kerjasama antara FMIPA-IPB Bogor sebagai penyedia fasilitas laboratorium beserta material untuk pembuatan film tipis dengan Universitas Kristen Krida Wacana sebagai penyedia dananya.
Sifat Optik Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 Didadah Ga2O3 Berdasarkan Metode Tauc Plot
FM-24
DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3]
[4]
[5].
[6] [7]
[8] [9]
[10]
[11]
[12]
[13]
A. Ardian, Irzaman, “Penerapan Film Tipis Ba 0.25Sr0.75TiO3(BST) Yang Didadah Fermium Oksida Sebagai Sensor Suhu Berbentukan Mikrokontroler,” Berkala Fisika 13 (2), hal. C53-C64, (2010). Seo, J.Y, Park S.W. 2004. Chemical Mechanical Planarization Characteristic of Ferroelectric Film for FRAM Applications. Journal of Korean Physics society. Vol 45 (3). 769-772. Giridharan, N.V, Jayavel R, Ramasamy P. Structural, Morphoogical and Electrical Studies on Barium Strontium Titanate Thin Films Prepared by Sol-Gel Technique. Crystal Growth Centre, Anna University, Chennai, India, 36 (1), 65-72 (2001). Schwartz, R.W. Chemical Solution Deposition of Perovskite Thin Films. Department of Ceramic and Materials Engineering, Clemson University, Clemson, South Carolina 29634-0907, 9 (11), 2325-2340 (1997). Irzaman, “Studi Fotodioda Film Tipis Semikonduktor Ba0,6Sr0,4TiO3 Di dadah Tantalum”, Jurnal Sains Material Indonesia. 10 Oktober 2008, hal : 18-22. H. Syafurtra, “Studi Fotodioda Film Tipis BST Didadah Tantalum”, Skripsi 2008. H. Frimasto, Irzaman, Mkurniati. “Sifat Optik Film Tipis Bahan Ferroelectic BaTiO3 Yang Didadah Tantalum (BTT)”, Skripsi, Departemen Fisika-IPB, Bogor, (2006). D.F. Saputri dan S. Hadiati, “Pengaruh Doping Strontium pada Lapisan Tipis BaZr0,2Ti0,8O3”, Jurnal Fisika dan Aplikasinya, 9 Juni 2013. J. Liman, B. Harsono, A. Kurniawan, J. Iskandar, E. Rohaeti, Irzaman, Penumbuhan Film Tipis Ba0.5Sr0.5TiO3 di atas Substrat Si (100) Type-p dengan Metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan Analisis Sifat Optik, to be publish in Prosiding LINOF 2015, Pusat Penelitian FisikaLIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015. B. Harsono, J. Liman, A. Kurniawan, J. Iskandar, E. Rohaeti, Irzaman, Penumbuhan Film Tipis Ba0.5Sr0.5TiO3 di atas Substrat Corning Glass 7059 dengan Metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan Analisis Sifat Optik, to be publish in Prosiding LINOF 2015, Pusat Penelitian Fisika-LIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015. J. Liman, B. Harsono, A. Kurniawan, E. Rohaeti, Irzaman, Making Photodiode Based on Ba0.5Sr0.5TiO3 Thin Film on Type-p Si (100) Substrat with Chemical Solution Deposition (CSD) Method, Tobe Publish in International Conference on Science, Technology and Interdisciplinary Research 2015 (IC STAR-2015), Bandar Lampung,21-23 September 2015. B. Harsono, J. Liman, A. Kurniawan, J. Iskandar, E. Rohaeti, Irzaman, Ba0.5Sr0.5TiO3 Based Photodiode Application as Light Sensor for Automatic Lighting Control Switch, to be publish in International Conference on Science, Technology and Interdisciplinary Research 2015 (IC STAR-2015), Bandar Lampung,21-23 September 2015. J. Liman, B. Harsono, T. T. Rohman, U. Trimukti, M. Khalid, E. Rohaeti, Irzaman, “Uji Sifat Optik Film Tipis Ba 0.5Sr0.5TiO3 di atas Substrat Corning Glass 7059”, diterima di Jurnal Fisika Indonesia, (2015).
