Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 21 November 2015 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
SIFAT OPTIK LiTaO3 DIDADAH Ga2O3 BERDASARKAN METODE TAUC PLOT GABY CHARLA RUNDUPADANG 1*, RICHIE ESTRADA 2, ADE KURNIAWAN 3, ETI ROHAETI 4, IRZAMAN 5 1*
Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik dan Ilmu Komputer, Universitas Kristen Krida Wacana, Jakarta. 2 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. Studi ini bertujuan untuk menganalisa sifat optik dari film tipis berbahan LiTaO3 tanpa dan dengan dadahan Ga2O3 (0%, 5% dan 10%). Penumbuhan dari film tipis di atas substrat Corning glass 7059 yang diproses dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) ini, menggunakan alat spin coater berkecepatan 3000 rpm selama 30 detik dalam kelarutan 1 M. Untuk studi awal, film tipis di annealing pada suhu 550oC selama 8 jam. Pengambilan data absorbansi dari film tipis dilakukan dengan menggunakan alat Ocean Optics USB4000. Data absorbansi dari film tipis diolah dengan menggunakan metode Tauc Plot, sehingga menghasilkan kurva band gap. Hasil studi menunjukkan bahwa LiTaO3 tanpa dadahan Ga2O3 (0%) menghasilkan energy gap 1,75 eV pada panjang gelombang 710 nm, LiTaO3 dengan dadahan Ga2O3 (5%) menghasilkan energy gap 2,65 eV pada panjang gelombang 469 nm, serta untuk LiTaO3 dengan dadahan Ga2O3 (10%) menghasilkan energy gap 2,55 eV pada panjang gelombang 487 nm. Berdasarkan hasil studi tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa LiTaO3 dan LiTaO3 dengan dadahan Ga2O3 termasuk bahan semikonduktor. Kata kunci: LiTaO3, Ga2O3, CSD, energy gap, semikonduktor. Abstract. This study aimed to analyze the optical characteristic thin films made from LiTaO3 without and with doping Ga2O3 (0%, 5% and 10%). The growth of thin films on Corning glass 7059 substrate processed by Chemical Solution Deposition (CSD) method using a spin coater on speed of 3000 rpm for 30 seconds in the solubility of 1 M. The initial study, thin film annealed at temperature of 550oC for 8 hours. The absorbance data of thin film were measured by using an Ocean Optics USB4000. The absorbance data is calculated using Tauc Plot method to get the band gap curve. The study shows that LiTaO3 without doping Ga2O3 (0%) produced the energy gap of 1.75 eV at a wavelength of 710 nm, LiTaO3 with doping Ga2O3 (5%) produced the energy gap of 2.65 eV at a wavelength of 469 nm, and for LiTaO3 with doping Ga2O3 (10%) produced the energy gap of 2.55 eV at a wavelength of 487 nm. Based on the results of this study, it can be concluded that the LiTaO3 and LiTaO3 with doping Ga2O3 are semiconductor materials. Keywords: LiTaO3, Ga2O3, CSD, energy gap, semiconductor.
1. Pendahuluan Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator dan konduktor dengan rentang energy gap antara 1-6 eV [1]. Bahan ini sangat berguna dalam bidang elektronika karena konduktivitas listriknya dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendadah) [2]. *
email:
[email protected] FM-7
FM-8
Gaby Charla Rundupadang, dkk
Menurut literatur, bahan semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya, maka struktur pita dan resistivitas listriknya akan berubah [3]. Ferroelectric adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara spontan pada material tanpa gangguan medan listrik dari luar [3,4]. LiTaO3 tergolong bahan ferroelectric yang memiliki sifat piezoelectric dan pyroelectric [5]. Dari beberapa hasil kajian, LiTaO3 memiliki konstanta dielektrik yang tinggi serta kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi [6], sehingga dapat diterapkan sebagai sensor [5,7]. Dalam proses fabrikasi/pembuatannya, film tipis banyak diaplikasikan sebagai sensor karena sifat elektrisnya dapat diatur dan dimodifikasi berdasarkan komposisi dari bahan ferroelectric yang digunakan [8]. Spin coating adalah salah satu teknik yang digunakan dalam proses fabrikasi/pembuatan film tipis. Spin coating merupakan proses pemerataan larutan kimia pada permukaan substrat yang telah mengalami tahapan Chemical Solution Deposition (CSD) dengan kecepatan putar tertentu [3]. Chemical Solution Deposition (CSD) adalah metode pendeposisian/penetesan larutan kimia di atas permukaan substrat [3,9-13]. Studi ini membahas tentang fabrikasi/pembuatan film tipis LiTaO3 (tanpa dan dengan dadahan Ga2O3) disertai hasil pengujian sifat optiknya. Hasil dari pengujian sifat optik dari film tipis ini bertujuan untuk mengamati dan mengkaji besaran energy gap yang terdapat didalamnya, sehingga dapat diklasifikasikan ke dalam bahan semikonduktor atau bukan dan kepekaan terhadap spektrum warna tertentu dapat diketahui. 2. Metode Penelitian Pembuatan Film Tipis Studi yang dilakukan terbagi dalam tiga tahap. Tahap pertama merupakan proses perhitungan dan persiapan bahan-bahan yang digunakan untuk menghasilkan larutan LiTaO3. Larutan LiTaO3 diperoleh dengan melakukan pencampuran bahan-bahan kimiawi menurut penyetaraan persamaan reaksi sebagai berikut: 2Li(CH3COO) + Ta2O5 + 4O2 2LiTaO3 + 4CO2 + 3H2O Berdasarkan hasil penyetaraan persamaan reaksi tersebut, maka untuk menghasilkan larutan LiTaO3 dibutuhkan bahan bubuk litium asetat [Li(CH3COO), 99,5%] dan tantalum oksida [(Ta2O5), 99,9%]. Tahap kedua adalah prosedur penimbangan (menggunakan neraca analitik model Sartonius BL6100) dan pencampuran bahan yang digunakan. Untuk menghasilkan kelarutan 1 M, maka komposisi bahan-bahan yang digunakan, antara lain: a. Litium asetat [Li(CH3COO), 99,5%] dengan massa sebesar 0,165 gr. b. Tantalum oksida [(Ta2O5), 99,9%] dengan massa sebesar 0,5524 gr. c. Galium oksida [Ga2O3] dengan massa sebesar 0 gr (sebagai pendadah 0%), massa sebesar 0,0295 gr (sebagai pendadah 5%) dan massa sebesar 0,059 gr (sebagai pendadah 10%). d. 2-metoksietanol [(CH3OCH2CH2OH)] sebanyak 2,5 ml.
Sifat Optik LiTaO3 Didadah Ga2O3 Berdasarkan Metode Tauc Plot
FM-9
Prosedur pencampuran bahan berdasarkan komposisi dari larutan LiTaO 3 yang dihasilkan (tanpa dan dengan dadahan Ga 2O3) meliputi tiga jenis variasi larutan. Ketiga jenis variasi larutan tersebut adalah LiTaO 3 + 0% Ga2O3 (artinya larutan LiTaO3 tanpa didadah Ga2O3), LiTaO3 + 5% Ga2O3 dan LiTaO3 + 10% Ga2O3. Prosedur pencampuran dari ketiga jenis variasi larutan ini diaduk menggunakan ultrasonikator model Branson 2510 selama 90 menit agar diperoleh larutan yang homogen. Tahap ketiga adalah proses penumbuhan lapisan film tipis hingga proses annealing. Proses penumbuhan lapisan film tipis terdiri dari dua langkah, yaitu: a. Pendeposisian/penetesan (Chemical Solution Deposition (CSD)) larutan LiTaO3 (tanpa dan dengan dadahan Ga2O3) di atas substrat Corning glass 7059 berukuran 11 cm2 (2/3 bagian dari ukuran substrat). b. Pemutaran (teknik spin coating) substrat Corning glass 7059 yang telah ditetesi oleh larutan LiTaO3 (tanpa dan dengan dadahan Ga2O3) menggunakan alat spin coater berkecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Prosedur dari proses ini (pendeposisian/penetesan dan pemutaran) dilakukan berulang sebanyak tiga kali dengan waktu jeda selama satu menit. Film tipis yang telah melewati proses Chemical Solution Deposition (CSD) dan teknik spin coating, selanjutnya di-annealing menggunakan furnace model VulcanTM-3000 selama 8 jam pada suhu 550C. Karakterisasi Optik Film Tipis Spektroskopi UV-Vis Ocean Optics USB4000 merupakan alat bantu yang digunakan dalam studi ini untuk mengukur spektrum serapan (karakterisasi optik) pada film tipis yang telah dibuat. Parameter pengukuran berupa nilai absorbansi yang digunakan untuk memperoleh nilai energy gap menggunakan metode Tauc Plot. Metode Tauc Plot ini dilakukan dengan menarik ekstrapolasi pada daerah linear dari grafik hubungan antara hv dengan (αhv)2 hingga memotong sumbu energy gap [14]. 3. Hasil dan Pembahasan Gambar 1, Gambar 2 dan Gambar 3 menunjukkan karakterisasi absorbansi dan energy gap dari film tipis LiTaO3 (tanpa dan dengan dadahan Ga2O3). Hasil dari pengukuran sifat optik dan perhitungan dengan metode Tauc Plot terangkum dalam Tabel 1.
(a)
(b)
Gambar 1. LiTaO3 tanpa didadah (0%) Ga2O3: (a) Karakteristik absorbansi
(b) Energy gap
FM-10
Gaby Charla Rundupadang, dkk
(a)
(b)
Gambar 2. LiTaO3 didadah 5% Ga2O3: (a) Karakteristik absorbansi
(a)
(b) Energy gap
(b)
Gambar 3. LiTaO3 didadah 10% Ga2O3: (a) Karakteristik absorbansi
(b) Energy gap
Tabel 1. Hubungan variasi unsur pendadah, energy gap, panjang gelombang dan spektrum warna Bahan LiTaO3 + 0% Ga2O3 LiTaO3 + 5% Ga2O3 LiTaO3 + 10% Ga2O3
Energy gap (eV) 1,75 2,65 2,55
Panjang gelombang (nm) 710 469 487
Spektrum warna Merah Biru Biru
4. Kesimpulan Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan untuk mendapatkan nilai energy gap menggunakan metode Tauc Plot, maka dapat disimpulkan bahwa film tipis LiTaO3 (tanpa dan dengan dadahan Ga2O3) yang telah dibuat merupakan bahan semikonduktor. Film tipis LiTaO3 (tanpa dan dengan dadahan Ga2O3) yang ditumbuhkan di atas substrat Corning glass 7059 dengan metode CSD menghasilkan kepekaan terhadap spektrum warna merah dan biru. Secara keseluruhan, hasil uji sifat optik film tipis yang telah dibuat 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 dana.
Sifat Optik LiTaO3 Didadah Ga2O3 Berdasarkan Metode Tauc Plot
FM-11
Daftar Pustaka 1. K. Muktavat, A. K. Upadhayaya, Applied Physics, New Delhi, L. K. International publishing House Pvt. Ltd., 2010. 2. C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, Canada, John Wiley & Sons, Inc., 1996. 3. A. Ismangil, Penentuan Koefisien Difusi Bahan Semikonduktor Lithium Tantalat (LiTaO3) di atas Substrat Silikon (100) Tipe-p pada Variasi Suhu, Institut Pertanian Bogor, Tesis Program Studi Biofisika, 2015. 4. Material Innovation and Growth Team, Functional Material, United Kingdom, Material UK, 2006. 5. A. Ismangil, R. P. Jenie, Irmansyah, Irzaman, Development of lithium tantallite (LiTaO3) for automatic switch on LAPAN-IPB Satellite infra-red sensor, International Journal Procedia Environmental Sciences 24, p. 329-334, 2015. 6. K. Uchino, Ferroelectric Devices, New York, Marcel Dekker, Inc., 2000. 7. I. Ukhtianingsih, Y. Sani, Irzaman, Karakterisasi Optik dan Sifat Listrik Film LiTaO3 pada Variasi Suhu Annealing, Prosiding Seminar Nasional Fisika (E-Journal) SNF 2015, Volume IV, hal. VII-133, Oktober 2015. 8. Wisnu. W, Zulkifli, Suyono, Fabrikasi Sensor Gas CO dengan Media Aktif TiN Menggunakan Metode Sputtering DC, 2005. 9. J. Liman, B. Harsono, T. T. Rohman, U. Trimukti, M. Khalid, E. Rohaeti, Irzaman, Uji Sifat Optik Film Tipis Ba0.5Sr0.5TiO3 di atas Substrat Corning Glass 7059, to be Published in Jurnal Fisika Indonesia, 2015. 10. 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 Published in Prosiding LINOF 2015, Pusat Penelitian Fisika-LIPI, 9-10 Juni 2015. 11. 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 Published in Prosiding LINOF 2015, Pusat Penelitian Fisika-LIPI, 9-10 Juni 2015. 12. 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, to be Published in International Conference on Science, Technology and Interdisciplinary Research 2015 (IC STAR-2015), 21-23 September 2015. 13. 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 Published in International Conference on Science, Technology and Interdisciplinary Research 2015 (IC STAR-2015), 21-23 September 2015. 14. J. Tauc et al. Optical Properties and Electronic Structure of Ge Phys. Stat. Sol. 15, p. 627, 1966.
