STUDI FOTODIODA FILM TIPS BST DIDADAH TANTALUM. Heriyanto Syafutra

STUDI FOTODIODA FILM TIPS BST DIDADAH TANTALUM

Heriyanto Syafutra

DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2008

Heriyanto Syafutra. STUDI FOTODIODA FILM TIPS BST DIDADAH TANTALUM Dibimbing oleh Irzaman dan Ardian Arief. Abstrak Telah dilakukan penumbuhan film tipis Ba0,6Sr0,4TiO3 (BST) murni dan didadah tantalum 5% (BSTT) di atas substrat silikon (100) tipe-p dan substrat TCO tipe-7056 menggunakan metode chemical solution deposition (CSD). Film tipis ditumbukan dengan satu kali pelapisan menggunakan spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik. Film tipis di atas substrat silikon diannealing pada temperatur 850oC, 900oC dan 950oC, sedangkan film tipis di atas substrat TCO tipe-7056 diannealing pada temperatur 400oC, 450oC dan 500oC. Film tipis di atas substrat silikon dilakukan karaktrisasi ketebalan menggunakan metode volumetrik dan dibandingkan dangan hasil SEM, karaktrisasi konduktansi, karakterisasi konstanta dielektrik dan karaktrisasi arus-tegangan menggunakan I-V meter. Film tipis di atas substrat TCO dilakukan karaktrisasi ketebalan dan persen transmitansi untuk mendapatkan energi bandgapnya. Dari hasil karaktrisasi ketebalan menunjukkan ketebalan meningkat dengan naiknya temperatur annealing dari 400oC sampai 500oC, sedangkan pada temperatur annealing 850oC sampai 950oC ketebalan turun. Energi gap film tipis naik dengan naiknya temperatur annealing dari 400oC sampai 500oC, tetapi dengan penambahan doping dapat menurunkan energi bandgap film tipis. Nilai koduktivitas film tipis BST dan BSTT berada pada rentang material semikonduktor.Konduktivitas listrik film tipis secara umum turun dengan naiknya temperatur annealing. Doping tantalum yang diberikan secara umum dapat menaikkan konduktivitas listrik film tipis. Konstanta dielektrik film tipis turun jika temperatur annealing dinaikkan, doping tantalum dapat menaikkan konstanta dielektrik film tipis. Dari hasil karakterisasi arus-tegangan didapatkan film tipis yang ditumbuhkan bersifat fotodioda. Kata Kunci : BST, BSTT, annealing, ketebalan, energi bandgap, konduktivitas listrik, konstanta dielektrik, arus-tegangan.

STUDI FOTODIODA FILM TIPS BST DIDADAH TANTALUM

Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor

Oleh : Heriyanto Syafutra G 74104002

DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2008

RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Manna, Kabupaten Bengkulu Selatan pada tanggal 23 april 1986 dari pasangan Johan Syafri dan Zunaidah. Penulis merupakan putra pertama dari empat bersaudara. Penulis menyelesaikan masa studi di sekolah dasar di SDN 17 manna selama enam tahun, kemudian melanjutkan ke SLTPN 2 Manna selama tiga tahun. Penulis lulus dari SMU Negeri 2 Manna pada tahun 2004 dan pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan sarjana strata satu di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten praktikum Fisika Dasar untuk mahasiswa TPB tahun ajaran 2005-2008. Penulis juga aktif dalam organisasi kemahasiswaan sebagai anggota dan pengurus Himpunan Mahsiswa Fisika IPB (HIMAFI) tahun 2005-2007, Anggota dan pengurus Unit Kegiatan Mahsiswa (UKM) Forum For Study Of Scientist (FORCES) tahun 2005-2007, Ketua Ikatan Mahasiswa Bumi Raflesia (IMBR) yang merupakan himpunan mahasiswa dari propinsi Bengkulu tahun 2006-2007, Anggota dan pengurus Lembaga Dakwah Fakultas MIPA (Serum-G) tahun 2005-2007, ketua Keluarga Muslim Fisika IPB (KMF-IPB) tahun 2006-2007. Selama perkuliahan penulis aktif dalam training dan seminar-seminar baik di dalam kampus maupun di luar kampus sebagai anggota ataupun panitia. Penulis juga pernah mengikuti Lomba Karya Tulis Ilmiah bidang pengabdian masyarakat tahun 2005/2006 dan bidang Penelitian tahun 2007/2008.

Judul Nama

: :

Studi Fotodioda Film Tipis BST Didadah Tantalum Heriyanto Syafutra

NRP

:

G74104002

Menyetujui, Pembimbing I

Pembimbing II

Dr. Ir. Irzaman, M.Si NIP. 132 133 395

Ardian Arief, M.Si NIP. 132 321 392

Mengetahui :

Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Dr. drh. Hasim, DEA NIP. 131 578 806

Tanggal Lulus :

PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan atas ke hadirat Allah Swt karena atas segala rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul Studi Fotodioda Film Tipis BST Didadah Tantalum. Penelitian ini dilakukan sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Penulis ucapkan trimakasih kepada kedua orang tua, adik dan saudara-saudara penulis yang selalu memberikan doa, nasehat dan semangat kepada penulis. Kepada Bapak Irzaman dan Bapak Ardian sebagai pembimbing skripsi yang selalu memberikan motivasi untuk segera menyelesaikan penelitian ini. Kepada teman-teman jurusan fisika IPB. Khususnya untuk teman-teman angkatan 41 yang telah banyak membantu penulis selama ini. Akhir kata, semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat untuk kita semua. Kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan untuk kemajuan dari aplikasi material yang dikembangkan ini. Semoga Allah SWT senantiasa melimpahkan rahmat dan karunianya untuk kita semua. Amiin.

Bogor, Mei 2008

Penulis

DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PENGESAHAN...................................................................................................... i RIWAYAT HIDUP.................................................................................................................. ii PRAKATA............................................................................................................................... iii DAFTAR ISI............................................................................................................................ iv DAFTAR TABEL.................................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................... v DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................................ vi PENDAHULUAN.................................................................................................................... 1 Latar Belakang .............................................................................................................. 1 Tujuan Penelitian........................................................................................................... 1 TINJAUAN PUSTAKA........................................................................................................... Bahan Ferroelektrik ....................................................................................................... Barium Stronsium Titanat (BST) .................................................................................. Bahan Pendadah Tantalum ............................................................................................ Fotodioda....................................................................................................................... Fotokonduktivitas .......................................................................................................... Kapasitansi dan Dielektrik bahan .................................................................................. Sifat Optik .....................................................................................................................

1 1 2 3 3 4 5 6

BAHAN DAN METODE ........................................................................................................ Tempat dan Waktu Penelitian........................................................................................ Alat dan Bahan .............................................................................................................. Metode Chemical Solution Deposition (CSD)............................................................... Metode Volumetrik ........................................................................................................ Resistansi dan Konduktansi Listrik ............................................................................... Pembuatan Film Tipis.................................................................................................... Persiapan Substrat Si Tipe-p............................................................................... Pembuatan Larutan BST dan BSTT ................................................................... Proses Penumbuhan Film Tipis .......................................................................... Proses Annealing ................................................................................................ Pembuatan Kontak Pada Film Tipis ................................................................... Karakterisasi .................................................................................................................. Karaktrisasi Ketebalan Film Tipis ...................................................................... Karakterisasi UV-Vis dan Analisis Sifat Optik Film Tipis................................. Karakterisasi Konduktivitas Listrik .................................................................... Karakterisasi Konstanta Dielektrik ..................................................................... Karakterisasi Arus Tegangan Film Tipis ............................................................

7 7 7 7 8 8 9 9 9 9 9 10 10 10 11 11 11 11

HASIL DAN PEMBAHASAN................................................................................................ Karaktrisasi Ketebalan Film Tipis ................................................................................. Karakterisasi UV-Vis dan Analisis Sifat Optik Film Tipis ........................................... Karakterisasi Konduktivitas Listrik Film Tipis ............................................................. Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Tipis .............................................................. Karakterisasi Arus Tegangan Film Tipis .......................................................................

11 11 12 14 15 16

KESIMPULAN DAN SARAN................................................................................................ 18 Kesimpulan .............................................................................................................................. 18 Saran ........................................................................................................................................ 18 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................. 18 LAMPIRAN............................................................................................................................. 20

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Ketebalan film tipis di atas substrat silicon tipe-p terhadap temperatur annealing........ 11 Tabel 2. Ketebalan film tipis di atas substrat tco tipe-7059 terhadap temperatur annealing........ 12 Tabel 3. Nilai konduktansi film tipis tanpa didoping .................................................................. 15 Tabel 4. nilai konduktansi film tipis didoping 5% ....................................................................... 15 Tabel 5. Nilai capasitansi dan konstanta dielektrik pada film tipis BST (tanda doping) dan BSTT (doping 5%) untuk masing-masing temperatur annealing. ........................... 16

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Kurva histerisis........................................................................................................... 2 Gambar 2. Chip kapasitor BST .................................................................................................... 2 Gambar 3. Struktur Ba0,5Sr0,5TiO3 (a) Polarisasi ke atas (b) Polarisasi kebawah ......................... 2 Gambar 4. Struktur Ba0.5Sr0.5TiO3 didadah tantalum pentaoksida ............................................... 4 Gambar 5. Donor dopan............................................................................................................... 4 Gambar 6. Penampang melintang Fotodioda. .............................................................................. 4 Gambar 7. Keadaan fotodioda persambungan p-n. ...................................................................... 5 Gambar 8. Konsep fotokonduktivitas........................................................................................... 6 Gambar 9. (a) Dipol-dipol listrik tersebar acak dari suatu dielektrik tanpa medan listrik luar. (b) dalam pengaruh medan listrik luar. .................................................... 6 Gambar 10. Molekul-molekul dielektrik kapasitor terpolarisasi akibat medan listrik dari kapasitor............................................................................................................. 6 Gambar 11. Medan listrik dalam keping-keping kapasitor (a) tanpa dielektrik (b) dengan dielektrik. ............................................................................................... 6 Gambar 12. Absorpsi optik .......................................................................................................... 6 Gambar 13. Kurva koefisien absorpsi optik................................................................................. 7 Gambar 14. Hubungan ketebalan film tipis terhadap (a) kecepatan spin coating (b) lama spin coating (c) Exhause volume. (d) exhause volume terhadap keseragaman ketebalan film tipis ............................................................................. 8 Gambar 15. Spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas......................................................... 8 Gambar 16. Proses Penumbuhan film tipis .................................................................................. 10 Gambar 17. Proses annealing....................................................................................................... 10 Gambar 18. Prototipe sel Fotovoltaik tampak atas....................................................................... 10 Gambar 19. Diagram alir penelitian ............................................................................................. 10 Gambar 20. Rangakaian RC untuk mengukur kapasitansi film tipis............................................ 11 Gambar 21. Hasil SEM dengan perbesaran 10.000 kali............................................................... 12 Gambar 22. Hasil SEM dengan perbesaran 20.000 kali............................................................... 12 Gambar 23. Hasil SEM dengan perbesaran 20.000 kali, menunjukkan ketebalan film tipis........ 12 Gambar 24. Kurva koefisien absorpsi (α) sebagai fungsi panjang gelombang pada film tipis BST (tanpa doping ) (A) Film tipis BST diannealing pada suhu 500oC, (B) Film tipis BST diannealing pada suhu 450oC, (C) Film tipis BST diannealing pada suhu 400oC .............................................. 13 Gambar 25. Kurva koefisien absorpsi (α) sebagai fungsi panjang gelombang pada film tipis BSTT (doping 5%) (a) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 500oC, (b) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 450oC, (c) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 400oC.............................................. 13

Gambar 26.

h sebagai fungsi h  dan plot Tauc untuk film tipis BST (tanpa doping) (A) Film tipis BST diannealing pada suhu 400oC, (B) Film tipis BST diannealing pada suhu 450oC, (C) Film tipis BST diannealing pada suhu 500oC .................................................. 13

h sebagai fungsi h  dan plot Tauc untuk film tipis BSTT (doping 5%) (a) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 400oC, (b) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 450oC, (c) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 500 C................................................ 14 Gambar 28. Energi gap terhadap variasi temperatur annealing film tipis BST (tanpa doping) dan BSTT (doping 5%)................................................................... 14 Gambar 29. Hubungan konduktivitas film tipis terhadap temperatur annealing a. Film tipis BST (tanpa doping) pada kondisi gelap b. Film tipis BST (tanpa doping) pada kondisi intensitas 1,17x10-3 watt c. Film tipis BST (tanpa doping) pada kondisi intensitas 1,05x10-2 watt d. Film tipis BSTT (doping 5%) pada kondisi gelap e. Film tipis BSTT (doping 5%) pada kondisi intensitas 1,17x10-3 watt f. Film tipis BSTT (doping 5%) pada kondisi intensitas 1,05x10-2 watt ............. 15 Gambar 30. Hubungan konduktivitas film tipis terhadap temperatur annealing a. Film tipis BST (tanpa doping) b. Film tipis BSTT (didoping 5%) ....................................................................... 16 Gambar 31. Kurva arus Vs tegangan pada film tipis (A) Film tipis BST (tanpa doping) diannealing pada Temperatur 400oC, (B) Film tipis BST (tanpa doping) diannealing pada Temperatur 400oC, (C) Film tipis BST (tanpa doping) diannealing pada Temperatur 400oC............... 17 Gambar 32. Kurva arus Vs tegangan pada film tipis (a) Film tipis BSTT (doping 5%) diannealing pada Temperatur 400oC, (b) Film tipis BSTT (doping 5%) diannealing pada Temperatur 400oC, (c) Film tipis BSTT (doping 5%) diannealing pada Temperatur 400oC ............... 17

Gambar 27.

DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Data perhitungan ketebalan film tipis ...................................................................... 21 Film tipis BST pada substrat silicon........................................................................ 21 Film tipis BSTT 5% pada substrat silicon ............................................................... 22 Film tipis BST pada substrat TCO .......................................................................... 22 Film tipis BSTT 5% pada substrat TCO.................................................................. 23 Lampiran 2. Data tabel perhitungan intensitas cahaya lampu yang digunakan............................ 24 Lampiran 3. Data tabel perhitungan konduktivitas listrik film tipis BST dan BSTT ................... 25 Kondisi 0 watt ......................................................................................................... 25 Kondisi 1,17 x 10-3 watt .......................................................................................... 25 Kondisi 1,05 x 10-2watt ........................................................................................... 25 Lampiran 4. Data dan perhitungan konstanta dielektrik film tipis ............................................... 26

PENDAHULUAN Latar Belakang Material ferroelektrik memiliki kemampuan untuk mengubah arah listrik internalnya, dapat terpolarisasi secara spontan dan menunjukkan efek histerisis yang berkaitan dengan pergeseran dielektrik dalam menanggapi medan listrik internal. Polarisasi spontan dihasilkan oleh susunan ion dalam sel satuan kristal padatnya yang tidak simetrik (noncentrosymmetric), yang menghasilkan momen dipol yang berhubungan dengan sel satuan tersebut [1,2,3]. Penelitian Material ferroelektrik saat ini di arahkan pada pengembangan device generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat yang dimilikinya. Sifat-sifat bahan ferroelektrik dapat difabrikasi sesuai kebutuhan serta mudah diintegrasikan dalam bentuk devais. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melampaui 1 Gbit [3,1], sifat piezo-elektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat pyroelektrik dapat diterapkan pada sensor infra merah dan sifat elektro optik untuk diterapkan pada switch termal infra merah, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelectric Random Acsess Memory (NVFRAM) [1]. Pada (NVFRAM) waktu akses untuk penulisan dan penghapusannya cepat (dalam orde nano, 10-9 detik) bila dibandingkan dengan nonvolatatile memori lain, tegangan operasi yang rendah (5V), waktu hidup yang lama (100 kali lebih lama dari EEPROM dan flash memories), rentang suhu operasi lebar (-180oC sampai 350oC), dan ketahanannya pada radiasi yang kuat. Yang terakhir ini penting untuk aplikasi militer dan angkasa luar. Secara prinsip sebenarnya FRAM dapat menggantikan SRAM (Static RAM) di cache memory, DRAM di memori utama komputer, dan EEPROM (Electrically Erasable programmable Read Only Memories) di tabel lookup. Lebih lanjut, bila FRAM kerapatan tinggi dapat dikembangkan, dan harganya dapat ditekan sampai bersaing dengan harga media penyimpan magnetik, ke depan material feroelektrik ini dapat menggantikan hard disk sebagai media penyimpan yang masal. Ini karena FRAM memiliki kecepatan akses yang lebih besar dan tidak akan ada masalah kerusakan mekanik (pembacaan data dari FRAM tidak memerlukan gesekan) [3].

Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan film tipis Ba0,6Sr0,4TiO3 (BST) dan film tipis Ba0,6Sr0,4TiO3 yang didadah Tantalum Pentoksida (Ta2O5) 5% (BSTT) dengan metode chemical solution deposition (CSD) dan temperatur annealing 850oC, 900oC dan 950oC untuk substrat type-p dan 400oC, 450oC, dan 500oC untuk substrat TCO type-7059. Film tipis yang didapatkan akan dilakukan karakterisasi ketebalan, energi bandgap, foto konduktivitas listrik, konstanta dielektrik dan kurva arus vs tegangan. Tujuan Penelitian Tujuan umum dari penelitian ini adalah membuat fotodioda dari bahan ferroelektrik Ba0,6Sr0,4TiO3 (BST) yang didadah Tantalum 5% (BSTT). Tujuan khusus dari penelitian ini adalah: 1. Melakukan penumbuhan film tipis BST murni dan yang didadah tantalum (BSTT) di atas substrat Si (100) type-p dan TCO type-7059 dengan metode chemical solution deposition (CSD). 2. Mengukur ketebalan film tipis yang terbentuk. 3. Menghitung energi bandgap film tipis pada substrat TCO tipe-7059. 4. Mengukur konduktansi dan menghitung konduktivitas listrik film tipis pada substrat Si (100) tipe-p. 5. Mengukur kapasitansi dan menghitung konstanta dielektrik film tipis pada substrat Si (100) tipe-p. 6. Mengukur arus tegangan film tipis pada substrat Si (100) tipe-p. TINJAUAN PUSTAKA Bahan Ferroelektrik Ferroelektrik adalah material yang memiliki sebuah polarisasi listrik dengan adanya medan listrik eksternal, polarisasi ini dapat dihilangkan dengan memberikan medan eksternal yang arahnya berlawanan. Sifat listrik yang ditunjukkan material ini berkaitan dengan sifat listrik mikroskopiknya. Muatan positip dan negatip pada material ini tidak selalu terdistribusi secara simetris. Jika jumlah muatan dikali jarak untuk semua elemen dari sel satuan tidak nol maka sel akan memiliki momen dipol listrik. Momen dipol persatuan volume disebut sebagai polarisai dielektrik [4]. Kurva hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E) ditunjukkan

2

pada Gambar 1, ketika kuat medan listrik ditingkatkan maka polarisasi meningkat cepat (OA) hingga material akan mengalami kondisi saturasi (AB). Jika kuat medan diturunkan, polarisasinya tidak kembali lagi ke titik O, melainkan mengikuti garis BC. Ketika medan listrik tereduksi menjadi nol, material akan memiliki polarisasi remanan (Pr) (OC). Untuk menghapus nilai polarisasi dari material dapat dilakukan dengan menggunakan sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga dari medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan koersif (Ec). Jika medan listrik kemudian dinaikkan kembali, material akan kembali mengalami saturasi, hanya saja bernilai negatif (EF). Putaran kurva akan lengkap jika ,medan listrik dinaikkan lagi dan pada akhirnya akan didapatkan kurva hubungan polarisasi (P) dengan medan koersif (Ec) yang ditunjjukan loop histerisis [5]. Bahan Barium Stronsium Titanat (BST) Barium stronsium titanat (BST) adalah film tipis yang berpotensi untuk DRAM dan NVRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi, kebocoran arus rendah dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperatur Curie. Temperatur Curie pada barium titanat adalah 130oC dan dengan adanya doping stronsium temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada devais yang memerlukan temperatur kamar. Film tipis BST telah difabrikasi dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation, dan sol-gel process [ 6 ]. Kenaikan temperatur annealing akan menaikkan ukuran grain dalam kristal film tipis BST. Pada suhu annealing 700oC struktur BST yang teramati adalah struktur kubik dengan konstanta kisi a= 3,97Å untuk 30% mol stronsium. Konstanta dielektriknya diukur dari kurva C-V kira-kira 120 dengan faktor disipasi 0,0236. Kebocoran rapat arus dari film adalah 4x10-8A/cm dari perhitungan I-V menggunakan divais peralatan fabrikasi [6]. Kapasitor BST memiliki keuntungan yaitu punya range 0,5pF sampai 500nF. Gambar 2 adalah contoh chip kapasitor BST[7]. Berikut Persamaan reaksi barium stronsium titanat (BST). 0,6Ba(CH3COO)2 + 0,4Sr(CH3COO)2 + Ti(C12H28O4) + 22O2 → Ba0,6Sr0,4TiO3 + 17H2O + 16CO2

Gambar 1 Kurva histerisis [5]

Gambar 2 Chip kapasitor BST. [7]

Gambar 3 Struktur Ba0,5Sr0,5TiO3 (a) Polarisasi ke atas (b) Polarisasi kebawah. [5] Film tipis BaxSr1-xTiO3 (BST) merupakan material ferroelektrik yang banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi (εr >> ε SiO ) dan kapasitas 2

penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity) sehingga dapat diaplikasikan sebagai kapasitor [5]. Beberapa penelitian juga berpendapat kalau BST memiliki potensi untuk mengganti lapisan tipis SiO2 pada sirkuit MOS di masa depan. Dari penelitian yang telah dilakukan sampai saat ini, lapisan tipis BST biasanya memiliki konstanta dielektrik yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya. Struktur mikro butir yang baik, tingkat

3

tekanan yang tinggi, kekosongan oksigen, formasi lapisan interfacial, dan oksidasi pada bottom electrode atau Si dipercaya menjadi faktor yang menyebabkan penurunan sifat listrik ini [5]. Film tipis BST dapat dibuat dengan berbagai teknik di antaranya CSD, sputtering, laser ablasi, MOCVD dan proses sol gel [5].

penambahan tantalum pentaoksida 5%, bahan pendadah yang tidak mengalami penguapan, maka lapisan film tipis BSTT (semikonduktor tipe-p) akan lebih banyak terisi tantalum, sehingga akan meningkatkan sifat listriknya. Penambahan tantalum meningkatkan efisiensi sel surya fotoelektrokimia, ditunjukkan pada penelitian yang dilakukan [9].

Bahan Pendadah Tantalum Tantalum merupakan logam yang memiliki kemiripan sifat-sifat kimia dengan unsur non logam, tantalum jarang sekali didapati dalam bentuk kation tetapi lebih sering didapati sebagai anion. Beberapa persenyawaan yang penting dari tantalum adalah halida dan oksida halida yang bersifat volatil dan cepat terhidrolisis. Beberapa sifat dari tantalum adalah logam mengkilat, titik lelehnya tinggi 2468oC, tahan terhadap asam, dapat larut dalam campuran HNO3-HF, bereaksi lambat dengan leburan NaOH. Ta2O5 merupakan persenyawaan dengan oksigen yang berbentuk serbuk putih dan bersifat inert, tidak larut dengan semua asam kecuali dengan HF pekat serta dapat larut dalam leburan NaOH dan NaHSO4. Persenyawaan halida tantalum adalah pentafluorida, dibuat dari reaksi fluorinasi dari logamnya, merupakan padatan putih volatil, dalam keadaan cair tidak berwarna dan volatil. Persenyawaan halida tantalum yang lain adalah pentaklorida dibuat melalui reaksi klorinasi dari logamnya, merupakan padatan kuning, terhidrolisis menjadi hidrat oksida [8]. Penambahan sedikit pendadah dapat menjadikan perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektro-kimia, sifat elektro-optik dan sifat pyroelektrik dari keramik pada film tipis [9]. Penambahan tantalum pentaoksida akan mendapatkan bahan pyroelektrik bersifat menyerupai semikonduktor tipe-n (donor doping) [9]. Gambar 4 menunjukkan atom tantalum menggantikan atom titanium pada struktur BST [9]. Penambahan presentase bahan pendadah maka nilai karakterisasi I-V sel surya akan mengalami perubahan [9]. Berat molekul tantalum pentaoksida lebih besar dibandingkan BST (barium stronsium titanat) besarnya berat bahan pendadah memungkinkan ketika proses annealing dilakukan pada temperatur tinggi bahan pendadah tidak mengalami penguapan. Pada annealing dengan temperatur tinggi dapat mengakibatkan film tipis BST yang telah dideposisi menguap sehingga mengurangi kualitas kristal film tipis BST. Dengan adanya

Fotodioda Dioda adalah sambungan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi katoda sedangkan bahan tipe-n akan menjadi anoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, diode bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anode mendapatkan tegangan positif sedangkan katodenya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anode mendapatkan tegangan negatif sedangkan katode mendapatkan tegangan positif). Kondisi tersebut terjadi hanya pada diode ideal. Pada diode faktual (riil), perlu tegangan lebih besar dari 0,7V (untuk dioda yang terbuat dari bahan silikon). Tegangan sebesar 0,7V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Diode yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3V [10]. Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenai cahaya. Fotodioda biasanya mengacu pada sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya [11]. Cahaya yang dapat dideteksi oleh dioda foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. [10]. Pada Gambar 5 memperlihatkan penampang bagian dari fotodioda. Fotodioda memiliki daerah permukaan aktif yang ditumbuhkan di atas permukaan substrat, yang pada akhirnya akan menghasilkan persambungan p-n. Ketebalan lapisan yang ditumbuhkan biasanya memiliki ketebalan 1µm atau lebih kecil lagi dan pada daerah persambungan lapisan-p dan lapisan-n terdapat daerah deplesi. Daerah spektral dan frekuensi aktif dari fotodioda bergantung pada ketebalan lapisan atau doping [11]. Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron dalam struktur kristalnya akan terstimulus. Jika energi cahaya lebih besar dari pada energi bandgap (Eg), elektron akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan hole pada pita valensi. Pada Gambar 6 terlihat pasangan elektron-hole terjadi pada lapisan-p dan lapisan-n. Di dalam lapisan deplesi medan

4

listrik mempercepat elektron-elektron ini menuju lapisan-n dan hole menuju lapisan-p. Pasangan elektron-hole dihasilkan di dalam lapisan-n, bersamaan dengan elektron yang datang dari lapisan-p sama-sama akan menuju pita konduksi di sebelah kiri. Pada saat itu juga hole didifusikan melewati lapisan deplesi dan akan dipercepat, kemudian hole ini akan dikumpulkan pada pita valensi lapisan-p. Pasangan elektron-hole yang dihasilkan sebanding dengan cahaya yang diterima oleh lapisan-p dan lapisan-n. Muatan positip dihasilkan pada lapisan-p dan muatan negatip pada lapisan-n. Jika lapisan-p dan lapisan-n dihubungkan dengan rangkaian luar, elektron akan mengalir dari lapisan-n dan hole akan mengalir dari lapisan-p [11]. Fotokonduktivitas Devices fotokonduktivitas dibuat dengan tujuan menghasilkan perubahan resistansi atau tegangan ketika disinari cahaya. Dengan demikian devices banyak digunakan sebagai ON-OFF devices, measuring devices, atau limited power sources [13]. Fenomena fotokonduktivitas terjadi ketika cahaya jatuh pada sebuah semikonduktor dan menyebabkan meningkatnya konduktivitas listrik. Ini berhubungan dengan eksitasi elektron melalui energi bandgap, yang menyebabkan peningkatan pasangan elektron-hole dan meningkatkan konduktivitas listrik. Eksitasi hanya dapat

terjadi jika

Gambar 4 Struktur Ba0.5Sr0.5TiO3 didadah tantalum pentaoksida [9].

h  Eg [13].

Konsep fotokonduktivitas diilustrasikan pada Gambar 7. Sebelum ada cahaya yang menyinari, konduktivitasnya diberikan oleh Persamaan 1.  o  eno e  poh  (1) di mana no dan po adalah konsentrasi pada kesetimbangan, dan  o adalah konduktivitas dalam ruang gelap. Ketika cahaya jatuh pada semikondutor akan ada peningkatan konsentrasi pembawa bebas sebesar ∆n dan ∆p dan arus meningkat dengan tiba-tiba. Jika elektron dan hole selalu tercipta secara berpasangan maka akan didapatkan ∆n = ∆p. konduktivitas sekarang menjadi  o   o  e n  e   h  (2)  o   o  e n  h 1  b  di mana b   o  h , adalah perbandingan mobilitas. Peningkatan relatif konduktivitas adalah

e  n  h 1  b    o o

Faktor yang mempengaruhi variasi n terhadap waktu yaitu; carrier (pembawa) bebas yang terus tercipta secara continu saat disinari cahaya dan hilangnya carrier secara continu juga akibat rekomedasi. Adanya rekomedasi menyebabkan terjadinya kondisi tidak seimbang. Variasi konsentrasi terhadap waktu diberikan oleh persamaan; dn n  no (4)  g dt ' di mana g adalah laju generasi elektron persatuan volume terhadap penyerapan cahaya.  disebut waktu rekomendasi.

(3)

Gambar 5 Penampang melintang Fotodioda. [11]

Gambar 6 Keadaan fotodioda persambungan p-n. [11]

5

C 

Gambar 7 Konsep fotokonduktivitas. Pada keadaan steady state dn/dt = 0. Dengan kata lain ∆n = n -no diberikan oleh persamaan

n  g '

(5) Laju generasi bisa dihubungkan dengan koefisien serapan dan intensitas cahaya yang menyinari. Jika d adalah ketebalan lapisan semikonduktor maka, αd adalah fraksi daya serap lapisan semikonduktor. Jika N() adalah jumlah foton yang jatuh pada medium persatuan waktu. Maka jumlah foton yang diserap per-satuan waktu adalah αdN(), dan kemudian

g

dN   V

(6)

Jika masing-masing foton yang diserap menghasilkan pasangan elektron-hole. Maka pembagian dengan volume menunjukkan bahwa laju generasi per-satuan volum. Jumlah foton yang datang N() dihubungkan dengan intensitas I() adalah;

N   

I  A h

(7)

di mana A adalah luas lapisan semikonduktor. I()A adalah daya penyinaran dan h  adalah energi foton. Dari Persamaan 5 dan 7 didapatkan;

n 

 I   A '  h

Jika Persamaan 8 disubstitusikan Persamaan 3 akan didapatkan persamaan;

I   '  h 1  b  o e o h o

(8) ke

o A d

(10)

Dengan C kapasitansi kapasitor, ε konstanta dielektrik bahan, εo permitivitas ruang hampa (8,85 x 10-12 C2 m-2 N-1), d jarak antara dua plat (m), A luas penampang plat (m2). Suatu material isolator, seperti kaca, kertas atau kayu disebut dielektrik. Ketika ruang di antara dua konduktor pada suatu kapasitor diisi dielektrik, kapasitansi naik sebanding dengan faktor k yang merupakan karaktristik dielektrik dan disebut konstanta dielektrik. Kenaikan kapasitansi ini disebabkan oleh melemahnya medan listrik di antara keping kapasitor akibat adanya bahan dielektrik. Dengan demikian, untuk jumlah muatan tertentu pada keping kapasitor, perbedaan potensial menjadi lebih kecil dan rasio Q/V bertambah besar [14, 15]. Ketika suatu dielektrik diletakkan antara keping-keping kapasitor, medan listrik dari kapasitor mempolarisasikan molekul-molekul dielektrik. Hasilnya adalah terdapat suatu muatan terikat pada permukaan dielektrik yang menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan medan listrik luar. Dengan demikian, medan listrik antara keping-keping kapasitor akan menjadi lemah [14]. Proses pengisian kapasitor pada Gambar 8 dapat dijelaskan sebagai berikut. Pada saat saklar ditutup pada saat t = 0. Muatan mulai mengalir melalui resistor dan menuju plat positip kapasitor. Jika muatan pada kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal Kirchoff memberikan

  VR  Vc  0

(11)

atau

Q (12)  0 C Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor meningkat : dQ (13) I  

  IR 

dt

(9)

Kapasitansi dan Dielektrik Bahan Kapasitansi adalah kemampuan penyimpanan muatan untuk suatu perbedaan potensial tertentu. Satuan dari kapsitansi adalah coulomb per volt, yang disebut farad (F). Besarnya kapasitansi kapasitor tidak bergantung dari V dan Q, tetapi bergantung pada bentuk geometri dan dielektrik bahan kapasitor. Seperti pada Persamaan 10.[14,15]

Subtitusikan persamaan 13 ke 12 : dQ Q (14)   R  dt C Pada saat t = 0, muatan pada kapsitor nol dan arusnya I 0   / R . Muatan lalu bertambah arus berkurang, seperti tampak pada Persamaan 12. muatan mencapai maksimum Q f  C  ketika arus I sama dengan nol. Persamaan 14 diubah menjadi bentuk : dQ  C  Q RC dt

(15)

6

Lalu pisahkan variabel-variabel Q dan t dengan mengalikan tiap sisi dengan dt/RC dan membaginya dengan C   Q : dQ dt (16)  C  Q RC Dengan mengintegralkan tiap sisi diperoleh : (17)  ln( C   Q )  t / RC  A Di mana A adalah konstanta sembarang. Dengan mengeksponensialkan Persamaan 17 didapat:

Gambar 9 (a) Dipol-dipol listrik tersebar acak dari suatu dielektrik tanpa medan listrik luar. (b) dalam pengaruh medan listrik luar [14].

C   Q  e  A e  It / RC  Be  t / RC atau (18) Q  C   Be  t / RC A Di mana B = e adalah konstanta lainnya. Nilai B ditentukan oleh kondisi awal Q = 0 pada t = 0. dengan membuat t = 0 dan Q = 0 dalam Persamaan 18 memberikan 0  C  B atau (19) B  C Dengan mensubtitusikan Persamaan 19 ke persamaan 18 maka : Q  C  1  e  t / RC   Q f (1  e  t /  ) (20) Di mana

Q

f

 C

Gambar 10 Molekul-molekul dielektrik kapasitor terpolarisasi akibat medan listrik dari kapasitor [14].

adalah muatan akhir.

Arus diperoleh dengan mendiferensialkan persamaan 20 : I 

dQ   C  e  t / RC (  1 / RC ) dt

atau

  t / RC (21) e  I 0 e t / R Dimana τ disebut konstanta waktu, adalah waktu yang dibutuhkan muatan untuk berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya. Untuk tegangan yang pada kapasitor dari persamaan 20 didapatkan t Q (t ) (22)  V ( t )   (1  e RC ) I 

C

-

Ec

h

Eg

(a)

S

+

Gambar 11 Medan listrik dalam keping kapasitor (a) tanpa dielektrik (b) dengan dielektrik [14].

(c)

Ev

Gambar 12 Absorpsi optik [17].

I ε

(b)

+ R

+ + + - C + Gambar 8 Rangkaian RC [14].

-

Sifat Optik Pengukuran sifat optik merupakan hal yang sangat penting dalam penentuan energi bandgap material semikonduktor. Transisi elektronik yang terjadi akibat foton bergantung pada energi bandgap [16]. Besarnya energi bandgap ini berpengaruh pada proses absorpsi dan transmisi foton. Ketika material semikonduktor disinari maka foton diserap dan menimbulkan pasangan elektron-hole seperti pada Gambar 12. Jika energi foton sama dengan energi bendgap maka terjadi proses (a), jika energi foton lebih besar dari pada energi bandgap

7

maka terjadi proses (b) di mana pada peristiwa ini terdapat tambahan energi panas sebesar (hv =Eg), jika material semikonduktor terdapat ketidakmurnian maka akan terdapat pita donor dan dapat terjadi transisi seperti pada proses (c). Pada proses (a) dan (b) dinamakan transisi intrinsik (transisi band to band) [17]. Absorbansi merupakan kebalikan dari transmitansi, yaitu fraksi radiasi datang yang diserap oleh medium, dinyatakan oleh: 1 I A  log  log   ln T (23) T Io Koefisien absorpsi α adalah fraksi radiasi yang diserap dalam satuan jarak yang dilalui dan merupakan karaktristik medium tertentu dan panjang gelombang tertentu sehingga dinyatakan [16, 17]: (24) A    t Absorpsi A merupakan karakteristik bahan. Berdasarkan Persamaan 23 dan Persamaan 24, hubungan transmitansi dan koefisien absorpsi sebagai panjang gelombang dapat dinyatakan sebagai berikut : 1  T %   (25)    ln    d  100  Absorpsi material semikonduktor menyebabkan terjadinya eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Transisi pada material semikonduktor dapat dituliskan dengan persamaan [16,17] :

 h   C h  E g n

(26)

dengan : α = koefisien absorpsi C = konstanta hυ = energi foton Eg = energi gap n = ½ untuk taransisi langsung n = 2 untuk transisi tidak langsung Kurva absorpsi optik semikonduktor dapat dibagi menjadi dalam tiga daerah seperti pada Gambar 13 yaitu [17] : 1. Daerah A disebut daerah absorpstion tail untuk α ≤ 1 cm-1. 2. Daerah B disebut daerah Urbach atau daerah eksponensial, daerah ini alpha mengikuti hukum eksponensial terhadap energi untuk 1 cm-1 ≤ α ≤ 103 cm-1. 3. Daerah C disebut daerah pangkat, α, daerah ini mengikuti hukum pangkat atau α(hυ)=( hυ-Eg)r, untuk α ≥ 103 cm-1. Transisi optik daerah C telah diselesaikan oleh Tauc, energi bandgap optik dapat ditentukan dengan membuat plot linear dari kurva alpha terhadap energi. Pendekatan yang diberikan oleh Tauc berlaku untuk beberapa semikonduktor termasuk barium titanat [17].

Gambar 13 kurva koefisien absorpsi optik[17] BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Material Departemen Fisika IPB dari bulan Februari 2007 sampai bulan Maret 2008. Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, reaktor spin coating, mortal, pipet, gelas ukur iwaki 10ml, seterika (sebagai pemanas), pinset, gunting, spatula, stop watch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petritis, tissue, isolasi, dan blower PT310AC. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bubuk Barium Asetat [Ba(CH3COO)2, 99%], Stronsium Asetat [Sr(CH3COO)2, 99%], Titanium Isopropoksida [Ti(C12O4H28), 99.999%], Tantalum Pentaoksida [(Ta2O5)], pelarut 2metoksietanol [H3COCH2CH2OH, 99%], substrat Si (100) tipe-p dan substrat TCO type-7059 (trasnparant conductive Oxide). Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Spin coating telah digunakan pada beberapa dekade untuk pembuatan film tipis. Prosesnya dengan mendeposisikan larutan di tengah-tengah substrat dan kemudian substrat diputar dengan kecepatan tinggi (biasanya 3000rpm). Percepatan sentripetal akan menyebabkan larutan menyebar pada permukaan substrat dan terbentuklah film tipis. Ketebalan film tipis dan sifat lainnya bergantung pada sifat alami larutan (viskositas, laju pengeringan, persentase padatan, tegangan permukaanl) dan parameter yang dipilih pada proses spin coating. Faktor seperti kecepatan rotasi, percepatan, dan kedaan gas lingkungan berkontribusi terhadap sifat lapisan film. Ciri khas proses spin

8

coating terdiri dari menyiapkan larutan, pendeposisian di permukaan substrat, pemutaran spin coating, penghilangan pelarut. Secara khusus kecepatan spin akan berpengaruh pada ketebalan film. Perubahan variasi spin ± 50rpm akan menyebabkan ketebalan berubah kira-kira 10%. Ketebalan film sebagian besar sebanding dengan gaya yang diberikan untuk meratakan larutan pada substrat dan laju pengeringan yang mempengaruhi viskositas larutan [18]. Gambar 14 adalah grafik yang menggambarkan trend untuk variasi parameter proses. Katebalan film tipis akan berbanding terbalik dengan kecepatan dan waktu spin. Ketebalan film akan sebanding dengan volume gas buang hasil putaran dan berbanding terbalik dengan keseragaman ketebalan film tipis [18].

R 

V I

(29)

Kurva hubungan arus dan tegangan pada material Ohmik adalah linear sedangkan material nonohmik kurva hubungannya tidak linear. Resistansi suatu kawat penghantar sebanding dengan panjang kawat dan berbanding terbalik dengan luas penampang lintang [14]: L (30) R  A Di mana  disebut resistivitas material penghantar. Satuan resistivitas adalah ohm meter (Ωm). Kebalikan dari resistivitas disebut konduktivitas σ :

Metode Volumetrik Metode ini dapat dipakai dengan tepat jika film tipis yang ditumbuhkan di atas substrat terdeposisi secara merata. Metode ini dilakukan dengan cara menimbang massa substrat sebelum di lapisi film tipis dan menimbang substrat setelah diannealing dan terdapat film tipis di atasnya. Sehingga akan didapatkan massa film tipis yang terdeposisi pada permukaan substrat. Dengan menggunakan Persamaan 27 akan didapatkan ketebalan film tipis.

d

m m1  m2   film tipis A  film tipis A

(27)

Di mana ; m1 = massa substrat sebelum ditumbuhkan film tipis. m1 = massa substrat setelah diannealing dan terdapat film tipis di atasnya. ρfilm tipis = massa jenis film tipis yang terdeposisi. A = luas permukaan film tipis yang terdeposisi pada permukaan substrat. Resistansi dan Konduktivitas Listrik Resistansi suatu material bergantung pada panjang, luas penampang lintang, tipe material dan temperatur. Pada material ohmik resistansinya tidak bergantung pada arus dan. Hubungan empiris ini disebut dengan hukum Ohm dinyatakan oleh Persamaan 28 [14] (28) V  IR ; R  kons tan Untuk material nonohmik, arus tidak sebanding dengan tegangan. Resistansinya bergantung pada arus, didefinisikan secara matematis oleh Persamaan 28 :

Gambar 14 Hubungan ketebalan film tipis terhadap (a) kecepatan spin coating (b) lama spin coating (c) Exhause volume. (d) exhause volume terhadap keseragaman ketebalan film tipis [14].

Gambar 15 Spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas [5].

9

 

1 

(31)

Pada material semikonduktor jumlah muatan carriers bergantung pada temperatur dan/atau konsentrasi impuritas. Dengan demikian akan mempengaruhi mobilitas muatan carriers, yang pada akhinya akan berpengaruh pada resistansi dan konduktansi listrik bahan semikonduktor [16]. Konduktivitas listrik adalah kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik . Persamaan 33 merupakan hubungan konduktivitas listrik dan resistansi : L (32) R A L (33)   RA

Berbagai material alami maupun buatan yang terdapat di alam dapat diklasifikasikan menjadi konduktor, semikonduktor, dan isolator. Logam merupakan konduktor yang baik namun isolator memiliki resistivitas yang tinggi. Variasi skala dari material di alam ditunjukan pada Gambar 15. Pada skala ini, material semikonduktor memiliki range konduktivitas listrik 10-8 hingga 103 S/cm [5]. Pembuatan Film Tipis  Persiapan Substrat Si Type-p Substrat yang digunakan adalah substrat Si (100) tipe-p. Substrat dipotong membentuk segi empat dengan ukuran 1 cm x 1 cm dengan menggunakan mata intan. Substrat yang telah dipotong kemudian dicuci dengan menggunakan asam flurida (HF) 5% dicampur dengan aquabides sebanyak 2%. Pencucian dilakukan dengan mencelupkan substrat ke dalam larutan, dengan indikator bersih jika air yang ada pada permukaan substrat langsung hilang (gaya kohesi antara air dan substrat kecil). Setelah terlihat indikator tersebut substrat dicelupkan ke dalam aquabides untuk menghilangkan sisa larutan HF pada substrat. Setelah itu substrat ditempatkan di atas spin coating dengan tujuan mengeringkan substrat.  Pembuatan Larutan BST dan BSTT Film tipis BaSrTiO3 yang ditumbuhkan di atas substrat Si tipe-p menggunakan metode CSD dibuat dengan cara barium asetat [Ba(CH3COO)2, 99%] + stronsium asetat 99%] + titanium [Sr(CH3COO)2, isopropoksida [Ti(C12O4H28), 99.99%] + bahan pendadah sebagai precursor dan 2metoksietanol [H3COOCH2CH2OH, 99.9%] sebagai bahan pelarut [5]. Dalam penelitian ini digunakan fraksi molar untuk Ba sebesar

0,6 dan fraksi molar untuk Sr sebesar 0,4. Untuk pembuatan larutan BSTT, metode CSD yang digunakan sama seperti pada pembuatan larutan BST. Hanya saja pada BSTT ditambahkan bubuk tantalum pentaoksida (Ta2O5) sebanyak 5% dari BST yang terbentuk. Untuk medapatkan komposisi yang sesuai dengan yang diharapkan, bahan-bahan tersebut ditimbang dengan menggunakan neraca analitik sebelum dilakukan pencampuran. Setelah bahan-bahan dicampur, larutan dikocok selama 1 jam.  Proses Penumbuhan Film Tipis Substrat silikon type-p dan TCO type7059 yang telah dicuci siap dilakukan penumbuhan film tipis dengan menggunakan reaktor spin coating. Piringan reaktor spin coating ditempel dengan double tipe di tengahnya, kemudian substrat diletakkan di atasnya. Substrat yang telah ditempatkan di atas piringan spin coating ditetesi larutan BST atau BSTT sebanyak 1 sampai 2 tetes. Kemudian reaktor spin coating diputaran dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Proses penetesan dilakukan sebanyak 1 kali. Setelah penetesan, substrat diambil dengan menggunakan pinset dan kemudian dipanaskan di atas setrika selama 1 jam untuk menguapkan sisa pelarut yang masih ada. Proses selanjutnya adalah annealing yang bertujuan mendifusikan larutan BST dan atau BSTT dengan substrat dan pembentukan struktur kristal.  Proses Annealing Proses annealing pada suhu yang berbeda akan menghasilkan karakterisasi film tipis yang berbeda dalam hal struktur kristal, ketebalan, dan ukuran butir [1]. Substrat type-p dan TCO type-7059 yang telah ditumbuhi lapisan tipis BST dan atau BSTT (5%) kemudian dilakukan proses annealing (pemanasan) pada suhu 850°C, 900°C, dan 950°C untuk substrat tipe-p dan 400°C, 450°C dan 500°C untuk substrat TCO tipe-7059. Masing-masing dilakukan selama 15 jam penahanan. Proses annealing dilakukan secara bertahap, dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu annealing yang diinginkan dengan kenaikan suhu pemanasan 1,67 °C/menit. Setelah mencapai suhu annealing yang diinginkan, suhu ini ditahan konstan selama 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace cooling sampai didapatkan kembali suhu ruang. Proses annealing ditunjukkan seperti terlihat pada Gambar 17.

10

Pembuatan Kontak Pada Film Tipis Setelah dilakukan proses annealing, proses selanjutnya adalah pembuatan kontak. Pembuatan kontak ini dilakukan di fisika material Institut teknologi Bandung (ITB). Bahan kontak yang dipilih adalah aluminium 99,999%. Setelah kontak terbentuk maka proses selanjutnya adalah pemasangan hider, agar proses karakterisasi film tipis dapat dilakukan dengan mudah. Gambar dari film tipis yang telah diberi kontak dan hider ditunjukkan oleh Gambar 18.

Karakterisasi  Karakterisasi Ketebalan Film Tipis Karakterisasi ini menggunakan metode volumetrik. Dalam metode ini film tipis dianggap terdeposisi merata pada permukaan substrat. Barium Stronsiu 2Titanium asetat m asetat metoksietan isopropo [Ba(CH3 [Sr(CH3C ol ksida [H3COOC [Ti(C12O OO)2, COO)2, H2CH2OH, 4H28), 99%] 99%] 99.99%] 99%]

Tantalum Pentoksida

Dicampur Gambar 16 Proses spin coating [17].

Dikocok 1 jam

Precursor BST

Dicampur

Precursor BSTT 5%

Spin coating pada 3000rpm selama 30 detik di atas substrat Si (100) tipe-p dan TCO type-705 berukuran 1 cm x 1 cm sebanyak 2 tetes Gambar 17 Proses annealing [5]. Annealing pada suhu 850oC, 900oC, dan 950oC untuk Si dan 400oC, 450oC, dan 500oC untuk TCO selama 15 jam pada udara atmosfer Film tipis BST

Gambar 18 Prototipe sel Fotovoltaik tampak atas [5].

Film tipis BSTT 5%

Karakterisasi dan analisis

Berhenti Gambar 19 Diagram alir penelitian

11

 Karakterisasi UV-Vis dan Analisis Sifat Optik Film Tipis Film tipis BST dan BSTT yang ditumbuhkan pada substrat TCO diukur nilai persen transmitansi menggunakan alat spektrofotometer. Nilai transmitansi ini digunakan untuk menghitung energi bandgap dari film tipis BST dan BSTT.  Karakterisasi Konduktivitas Listrik Konduktansi film tipis diukur dengan menggunakan rangkaian alat LCR-meter. Data konduktansi listrik ini digunakan menghitung nilai konduktivitas listrik film tipis dengan menggunakan Persamaan 33. Data konduktansi film tipis yang didapatkan akan dibandingkan dengan data literatur apakah film tipis yang terbentuk termasuk bahan konduktor, semikonduktor atau bahan isolator. Konduktivitas film tipis diukur pada kondisi gelap (0 watt) dan kondisi disinari cahaya dengan intensitas 1,17 x 10-3 watt dan 1,05 x 10-2 watt.  Karaktrisasi Konstanta dielektrik Terlebih dahulu diukur nilai kapasitansi dari grafik waktu pengisian dan pengosongan muatan pada layar osiloskop dengan menggunakan metode rangkaian RC seperti pada Gambar 20, di mana resistor yang digunakan bernilai 10 Kohm dan frekuensi tegangan kotak yang diberikan sebesar 10KHz. Kondisi pengisian pada Persamaan 22, time konstan terjadi pada saat t = RC atau t dari hubungan A dimana C  C   0 R d

Gambar 20 Rangakaian RC untuk mengukur kapasitansi film tipis 0 = permitivitas relatif dalam ruang hampa (8,85 x 10-12 C2/N m2), A = luas kontak film tipis (1 x 10 -4 m2), d = ketebalan Film tipis. sehingga konstanta dielektrik film tipis Cxd (34)   Ax  0

 Karakterisasi Arus Tegangan Film Tipis. Karakterisasi kurva I-V ini dilakukan di Lab. Fisika Material IPB menggunakan I-VMeter. Dari kurva yang didapatkan akan dapat diketahui film tipis yang ditumbuhkan apakah bersifat sebagai resistansi, kapasitansi, dioda, atau fotodioda. HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi Ketebalan Film Tipis Ketebalan film tipis diukur menggunakan metode Volumetrik dengan Persamaan 27. Dalam metode ini film tipis diasumsikan terdeposisi secara merata pada permukaan substrat. Dalam perhitungan ketebalan ini digunakan nilai kerapatan dari BaTiO3 yaitu 6,02 g/cm3 [19]. Diambil nilai kerapatan ini karena tidak ditemukannya literatur nilai kerapatan BaSrTiO3. Dari hasil perhitungan didapatkan ketebalan film tipis yang ditumbuhkan di atas substrat silicon tipe-p akan semakin menurun jika temperatur annealing dinaikkan dari 850oC sampai 950oC. Sebaliknya, ketebalan film tipis pada substrat TCO tipe-7059 akan semakin meningkat jika temperatur annealing dinaikkan dari temperatur 400oC sampai 500oC. Nilai ketebalan masing-masing film tipis yang ditumbuhkan pada substrat silicon tipe-p dan TCO tipe-7059 dengan perlakuan suhu annealing yang berbeda terdapat pada Tabel 1 dan Table 2 Turunnya ketebalan film tipis akibat temperatur annealing dinaikkan dari 850oC sampai 950oC karena pada suhu tinggi film tipis yang telah terdeposisi pada permukaan substrat mengalami penguapan yang menyebabkan lapisan yang terdeposisi menjadi berkurang [9]. Adanya pengurangan lapisan terdeposisi akan menyebabkan ketebalan film menjadi berkurang. Tabel 1 Ketebalan film tipis di atas substrat silicon tipe-p terhadap temperatur annealing. Ketebalan (μm) Temperatur Volumetrik SEM Annealing Silicons Silicons Silicons 0% 5% 5% 850oC 1,247 1,116 900oC 0,821 0,800 0,753 950oC 0,486 0,492 -

12

Tabel 2 Ketebalan film tipis di atas substrat tco tipe-7059 terhadap temperatur annealing. Ketebalan (μm) Temperatur Annealing TCO 0% TCO 5% 400oC

0,670

0,659

450 C

1,074

0,810

500oC

1,201

0,909

o

Gambar 21 Hasil SEM dengan perbesaran 10.000 kali.

Gambar 22 Hasil SEM dengan perbesaran 20.000 kali.

Gambar 23 Hasil SEM dengan perbesaran 20.000 kali, menunjukkan ketebalan film tipis. Jika temperatur annealing dinaikkan dari 350oC sampai 500oC ketebalan film tipis semakin meningkat. Hal ini terjadi karena pembentukan Kristal film tipis belum sempurna sehingga masih terdapat ruang kosong pada struktur film tipis. Hasil

penelitian yang menunjukkan ketebalan akan meningkat jika suhu annealing di naikkan dari suhu 300oC sampai suhu 400oC untuk bahan BaTiO3 telah dilakukan [17]. Hasil pengukuran ketebalan menggunakan metode volumetrik mendekati dengan hasil yang didapatkan menggunakan SEM seperti pada Tabel 1. Nilai ketebalan film tipis BSTT pada temperatur annealing 900oC menggunakan metode volumetrik 0,800 µm sedangkan hasil menggunakan SEM 0,753 µm. Gambar ketebalan film tipis hasil SEM terdapat pada Gambar 23. Dari Gambar 21 dan Gambar 22 terlihat distribusi film tipis terdeposisi secara merata. Karakterisasi UV-Vis dan Analisis Sifat Optik Film Tipis Energi gap adalah suatu celah energi minimal yang harus dimiliki oleh elektron agar dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron pada pita valensi ini dapat berpindah ke pita konduksi dengan penambahan energi eksternal yang dapat berasal dari medan listrik eksternal, energi termal, dan energi energi foton. Pengukuran sifat optik film tipis ini menggunakan alat Thermo Spectronic. Panjang gelombang yang digunakan dalam penelitian ini adalah panjang gelombang pada rentang panjang gelombang ultraviolet (dalam penelitian ini digunakan panjang gelombang 280 nm sampai 1100 nm). Dari hasil pengukuran di dapatkan data persen tansmitansi. Untuk perhitungan energi gap menggunakan plot Tauc dari grafik hubungan  h  sebagai fungsi hν. Di gunakan metode ini karena koefisien absorbansi yang didapatkan (α ≥ 103 cm-1) untuk masing-masing film tipis, seperti yang terdapat pada Gambar 24 dan Gambar 25. Dari grafik hubungan  h  sebagai fungsi h  di lakukan plot Tauc dan didapatkan nilai energi bandgap masingmasing film tipis diannealing pada temperatur 400oC, 450oC, dan 500oC masing-masing 2,92eV, 2,94eV dan 3,08eV untuk film tipis tanpa doping. Akibat adaanya doping tantalum maka akan menurunkan energi bandgap masing-masing film tipis yang diannealing pada temperatur pada 400oC, 450oC, dan 500oC masing-masing 2,88eV, 2,92eV, dan 2,98eV. Apabila atom donor ditambahkan pada suatu semikonduktor, tingkat energi yang diperkenankan akan berada sedikit di bawah pita konduksi [20]. Hadirnya pita baru ini yang menyebabkan

13

energi bandgab film tipis turun dengan didoping tantalum yang bervalensi lima. Dari Gambar 28 tersebut terlihat energi bandgap semakin meningkat dengan kenaikan temperatur annealing dari 400oC sampai 500oC. Hasil ini sama seperti yang didapatkan oleh penelitian sebelumnya untuk film tipis BaTiO3. Energi gap naik jika temperatur annealing dinaikkan dari 300oC sampai 400oC [17]. Dari dari Gambar 28 terlihat pula bahwasannya doping tantalum yang diberikan pada film tipis BST akan menurunkan energi bandgap film tipis. Penurunan energi bandgap ini dikarenakan adanya level baru di antara level valensi dan level konduksi yang dibentuk oleh doping tantalum. Tantalum merupakan unsur bervalensi lima, sehingga level yang dibentuk berada di dekat pita konduksi. Level yang dibentuk tantalum ini merupakan level donor. Kemampuan tantalum membentuk level donor pada bandgap BSTT karena tantalum merupakan unsur yang bervalensi lima. Atom bervalensi lima akan memberikan kelebihan elektron sebagai pembawa muatan negative, oleh karena itu dikenal dengan ketidakmurnian donor atau jenis-n. Apabila atom donor ditambahkan pada suatu semikonduktor, tingkat energi yang diperkenankan akan berada sedikit di bawah pita konduksi. Dengan demikian dalam temperatur kamar hampir semua elektron yang kelima dari donor masuk ke dalam pita konduksi [20].

Gambar 25 Kurva koefisien absorpsi (α) sebagai fungsi panjang gelombang pada film tipis BSTT (doping 5%). (a) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 500oC, (b) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 450oC, (c) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 400oC.

Gambar 26

Gambar 24 Kurva koefisien absorpsi (α) sebagai fungsi panjang gelombang pada film tipis BST (tanpa doping ). (A) Film tipis BST diannealing pada suhu 500oC, (B) Film tipis BST diannealing pada suhu 450oC, (C) Film tipis BST diannealing pada suhu 400oC.

h sebagai fungsi h  dan plot Tauc untuk film tipis BST (tanpa doping). (A) Film tipis BST diannealing pada suhu 400oC, (B) Film tipis BST diannealing pada suhu 450oC, (C) Film tipis BST diannealing pada suhu 500oC.

14

Gambar 27

 h  sebagai fungsi h  dan plot Tauc untuk film tipis BSTT (doping 5%). (a) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 400oC, (b) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 450oC, (c) Film tipis BSTT diannealing pada suhu 500oC

Gambar 28 Energi gap terhadap variasi temperatur annealing film tipis BST (tanpa doping) dan BSTT (doping 5%). Karakterisasi Konduktivitas Listrik Film Tipis Pengukuran konduktivitas listrik film tipis dilakukan dengan mengukur nilai konduktansinya menggunakan alat LCRmeter. Dari data konduktansi akan didapatkan nilai resistansi menggunakan Persamaan 33, nilai konduktvitas listriknya dapat dihitung. Pengukuran konduktansi film tipis ini dilakukan pada kondisi gelap dan kondisi terang dengan intensitas 1,17 x 10-3 watt dan 1,05 x 10-2 watt. Nilai intensitas lampu yang digunakan diukur menggunakan sel surya standar. Metodenya dengan membandingkan nilai arus

foto yang terukur saat disinari cahaya matahari kondisi terang dengan intensitas maximum 1000 W/m2 dengan arus yang terukur pada saat disinari oleh lampu yang digunakan. Daya dari lampu yang sampai pada permukaan sel surya dapat dihitung dengan Persamaan 35 [21]. (35) Pin  F .I s . A Dengan Pin adalah daya input, Is arus short sirkuit yang terukur akibat radiasi lampu, A luas permukaan sel surya dan F adalah field factor yang dihitung dengan Persamaan 36 [21]. F 

1000 W Is

m2

(36)

Nilai 1000 W/m2 merupakan intensitas maximum matahari yang sampai pada permukaan bumi pada kondisi cerah tanpa awan. Is adalah arus short sirkuit yang terukur pada saat sel surya disinari cahaya matahari pada kondisi cerah. Dari hasil pengukuran didapatkan nilai arus yang terukur pada saat sel surya disinari matahari kondisi maximum sebesar 4 Amper, dengan demikian akan didapatkan niali F berdasarkan Persamaan 36 sebesar 0,25 W/m2mA. Nilai F akan digunakan pada Persamaan 35 untuk menghitung intensitas cahaya lampu yang sampai pada permukaan sel surya. Dengan mengatur jarak dan jumlah lampu yang digunakan maka intensitas yang sampai pada permukaan sel surya akan berbeda. Pada penelitian ini digunakan intensitas pada saat arus terukur 0,9 mA dan 8,1 mA. Dengan memasukkan nilai ini pada Persamaan 34 dan A sebesar 5,18 x 10-3 m2 didapatkan intensitas yang sampai pada permukaan film tipis sebesar 1,17 x 10-3 watt dan 1,05 x 10-2 watt. Konduktivitas listrik semikonduktor dapat berubah apabila material tersebut diberi cahaya. Konduktivitas listrik naik jika intensitas diberikan semakin besar. Peningkatan konduktivitas ini dikarenakan tereksitasinya elektron pada pita valensi ke pita konduksi [13]. Elektron pada pita konduksi bebas bergerak di bawah pengaruh medan listrik [22] semakin banyak elektron tereksitasi ke pita konduksi akibat disinari membuat arus semakin meningkat dengan demikian konduktivitas listriknya juga meningkat. Pengaruh temperatur annealing, doping tantalum dan intensitas cahaya terhadap konduktivitas film tipis dapat dilihat pada Tabel 3 dan Tabel 4. Dari tabel diketahui konduktivitas maksimum terjadi pada

15

temperatur 850oC untuk film tipis BST dan pada temperatur 900oC untuk film tipis BSTT. annealing Secara umum temperatur menurunkan konduktivitas listrik film tipis BST dan BSTT, penurunan ini disebabkan terjadinya peningkatan evaporasi lapisan film tipis [5] sehingga dapat menurunkan jumlah konsentrasi pembawa. Peningkatan intensitas yang jatuh pada film tipis meningkatkan arus pada film tipis, akhirnya akan menaikkan konduktivitas listrik film tipis. Tetapi pada film tipis BST yang diannealing 900oC, konduktivitas listriknya turun jika intensitas cahaya dinaikkan. Sedangkan pada film tipis BSTT konduktivitas listriknya turun jika intensitas cahaya dinaikkan terjadi pada temperatur annealing 950oC. Turunnya konduktivitas listrik film tipis jika intensitas dinaikkan terjadi karena proses jatuhnya elektron (dari film tipis BSTT) ke hole (pada substrat silikon tipe-p) mengakibatkan rekombinasi sehingga menurunkan nilai arus. Menurunnya nilai arus menyebabkan konduktivitas listrik film tipis BSTT menurun ketika diberi cahaya [9][23][24]. Secara umum penambahan doping tantalum meningkatkan konduktivitas film tipis. Peningkatan konduktvitas listrik akibat penambahan doping tantalum karena doping atom pentavalen menghasilkan banyak elektron pada pita konduksi karena tiap atom pentavalen menyokong satu elektron pita konduksi [25]. Tetapi pada temperatur annealing 850oC penambahan doping tantalum menurunkan konduktivitas listrik film tipis. Ordo nilai konduktivitas listrik yang didapatkan, film tipis BST dan BSTT termasuk material semikonduktor. Tabel 3 Nilai konduktansi listrik film tipis tanpa didoping Doping 0% Temp Konduktivitas (S/cm-1) eratur 0 1,17x10-3 1,05x10-2 watt watt watt 850oC 4,45x10-5 4,75 x10-5 4,84 x10-5 900oC

9,85x10-6

4,04 x10-7

2,91 x10-7

950oC

1,83x10-7

1,92 x10-7

3,35 x10-7

Tabel 4 Nilai konduktansi listrik film tipis didoping 5% Doping 5% Tempe Konduktivitas (S/cm-1) ratur 0 1,17x10-3 1,05x10-2 watt watt watt 850oC 6,95 x10-6 7,34 x10-6 7,59 x10-6 900oC

3,76 x10-5 3,85 x10-5

5,55 x10-5

950oC

2,83 x10-6 2,42 x10-6

1,68 x10-6

Gambar 29 Hubungan konduktivitas listrik film tipis terhadap temperatur annealing; a. Film tipis BST (tanpa doping) pada kondisi gelap b. Film tipis BST (tanpa doping) pada kondisi intensitas 1,17x10-3 watt c. Film tipis BST (tanpa doping) pada kondisi intensitas 1,05x10-2 watt d. Film tipis BSTT (doping 5%) pada kondisi gelap e. Film tipis BSTT (doping 5%) pada kondisi intensitas 1,17x10-3 watt f. Film tipis BSTT (doping 5%) pada kondisi intensitas 1,05x10-2 watt Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Tipis Sifat kapasitor muncul karena terdapat muatan negatif dan positif dalam lapisan deplesi dari hubungan p-n. Lapisan deplesi ini terbentuk karena pembawa bebas (elektron dan hole) berdifusi ke daerah yang mempunyai konsentrasi rendah dan berekomendasi satu sama lain. Karena hole dalam tipe-p lebih tinggi konsentrasinya daripada hole dalam tipe-n. Mereka berdifusi dari daerah tipe-p ke tipe-n. proses yang sama terjadi pada elektron. Akan tetapi proses ini tidak terjadi terus menerus.

16

Jika hole meninggalkan daerah tipe-p dan hilang ke dalam daerah tipe-n karena berekomendasi, sebuah aseptor akan diionisasikan menjadi negatif dalam daerah tipe-p membentuk ruang negatif. Hal yang sama terjadi pada elektron yang meninggalkan muatan ruang positip pada daerah tipe-n, ini membangkitkan medan listrik yang mulai dari ruang bermuatan positip, berakhir pada ruang bermuatan negatif. Medan listrik ini menghambat hole untuk berdifusi dari daerah tipe-p ke tipe-n, juga demikian pada elekton terhambat berdifusi dari tipe-n ke tipe-p [23]. Dari Tabel 5 terlihat bahwa konstanta dielektrik akan semakin kecil dengan bertambahnya temperatur annealing dan akan bertambah besar dengan adanya penambahan doping tantalum. Turunya konstanta dielektrik ini akibat ketebalan film tipis semakin kecil dengan kenaikan temperatur annealing. Sedangkan dengan adanya penambahan doping tantalum akan menaikkan menaikkan kapasitansi [26]. Doping tantalum akan menambah konsentrasi pembawa muatan negatif menyebabkan medan listrik dalam daerah deplesi bertambah, akibatnya molekul dielektrik akan bertambah besar. Naiknya medan listrik ini akan menurunkan medan listrik eksternal yang dikenakan padanya. Pada film BST nilai kapasitansi terbesar terdapat pada suhu 900oC, tetapi konstanta dielektrikya lebih besar dari pada suhu 850oC. Hal ini disebabkan ketebalan pada temperatur 850oC lebih besar dari pada suhu 900oC dan konstanta dielektrik akan bertambah dengan naiknya ketebalan bahan dielektrik. Karakterisasi Arus Tegangan Film Tipis Dari hasil pengukuran arus dan tegangan pada film tipis seperti pada Gambar 31 menunjukkan film tipis BST dan BSTT yang ditumbuhkan pada substrat Si tipe-p memiliki sifat dioda. Dan dari hasil ini pula didapatkan film tipis BST dan BSTT sensitif terhadap cahaya. Hal ini ditunjukkan dengan adanya pergesaran kurva arus tegangan pada saat kondisi gelap dan pada saat kondisi terang, meskipun pergeseran ini kecil. Pergeseran yang kecil ini ini mengidikasikan bahwasannya arus foto yang dihasilkan kecil. Dengan adanya pergeseran kurva arustegangan film tipis BST dan BSTT saat diberi cahaya maka film tipis ini merupakan device fotodioda.

Tabel 5 Nilai capasitansi dan konstanta dielektrik pada film tipis BST (tanda doping) dan BSTT (doping 5%) untuk masing-masing temperatur annealing. Suhu Tanpa doping Doping 5% anneali C ε C ε ng (nF) (nF) 850oC

0,50

17,62

1,11

34,98

900oC

0,68

15,76

0,9

20,33

0,498

6,84

0,63

8,76

o

950 C

Gambar 30 Hubungan konduktivitas film tipis terhadap temperatur annealing ; a. Film tipis BST (tanpa doping) b. Film tipis BSTT (didoping 5%) .

17

(A)

(a)

(B)

(b)

(C)

(c)

Gambar 31 Kurva arus Vs tegangan pada film tipis. (A) Film tipis BST (tanpa doping) diannealing pada Temperatur 850oC, (B) Film tipis BST (tanpa doping) diannealing pada Temperatur 900oC, (C) Film tipis BST (tanpa doping) diannealing pada Temperatur 950oC.

Gambar 32 Kurva arus Vs tegangan pada film tipis. (a) Film tipis BSTT (doping 5%) diannealing pada Temperatur 850oC, (b) Film tipis BSTT (doping 5%) diannealing pada Temperatur 900oC, (c) Film tipis BSTT (doping 5%) diannealing pada Temperatur 950oC.

18

KESIMPULAN Dari hasil yang didapatkan dapat disimpulkan ketebalan film tipis BST dan BSTT yang ditumbuhkan pada substrat TCO semakin tebal jika temperatur annealing dinaikkan dari 400oC sampai 500oC. Tetapi film tipis BST dan BSTT yang ditumbuhkan pada substrat Silicon tipe-p ketebalannya akan turun jika temperatur annealing dinaikkan dari 850oC sampai 950oC. Energi bandgap film tipis BST dan BSTT akan bertambah besar dengan naiknya temperatur annealing dari 400oC sampai 500oC. Doping tantalum yang diberikan menurunkan energi bandgap film tipis. Secara umum temperatur annealing dari 850oC sampai 950oC menurunkan konduktivitas listrik film tipis. Doping tantalum yang diberikan dapat menaikkan konduktivitas film tipis. Konstanta dielektrik film tipis BST dan BSTT turun jika temperatur annealing dinaikkan dari 850oC sampai 950oC, sedangkan doping tantalum dapat menaikkan konstanta dielektrik film tipis. Dari kurva arus tegangan film tipis BST dan BSTT, film tipis yang ditumbuhkan bersifat fotodioda.

[3].

SARAN

[8].

Material BST ini merupakan material ferroelektrik. Sehingga sangat perlu untuk mengetahui respon konduktivitas, koefisien firroelektrik dari film tipis BST. Karena pengaruh doping tantalum membuat konstanta dielektrik dan konduktivitas listrik film tipis BST naik maka perlu dilakukan variasi doping yang lebih besar.

[4].

[5].

[6].

[7].

[9].

[10]. DAFTAR PUSTAKA [1].

[2].

Azizahwati. Studi Morfologi Permukaan Film Tipis PbZR0,525Ti0,475O3 yang Ditumbuhkan Dengan Metode DC Unbalanced Magnetron Sputtering. Jurnal Nasional Indonesia 5(1), Indonesia, 50-56 (2002). Irzaman, M. Nur Indro, R.I. Priatna. Sifat Ferroelektrik Lapisan Tipis PbZrxTi1-xO3 dan PbNbZrxT1-xiO3 yang Ditumbuhkan dengan Metode Chemichal Solution Deposition

(CSD). Departemen Fisika FMIPA IPB, Kampus IPB Darmaga Bogor, (2006). http://www.kompas.com/kompascetak/0212/03/iptek/memo29.htm, (3 Desember 2002). http://www.w3.org/TR/xhtml1/DT D/xhtml1-transitional.dtd. (6 juli 2007). A. Marwan. Studi Efek Fotovoltaik Bahan Ba0,5Sr0,5TiO3 yang Didadah Galium (BGST) di Atas Substrat Si (100) Tipe-n. Skripsi, Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor, (2007). N. V. Giridharan, R. Jayavel, P. Ramasamy. Structural, Morphological and Electrical Studies on Barium Strontium Titanate Thin Films Prepared by Sol-Gel Technique. Crystal Growth Centre, Anna University, Chennai, India, 36, 65-72 (2001). Thomas, A. Bernacki, Ivoly, P. Koutsaroff and C. Divita. .Barium Strontium Titanate Thin-Film MultiLayer Capacitors. Gennum Corporation, Passive Component Industry, (2004). Darjito. Usur Transisi Periode Kedua Dan Ketiga. Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya. A. C. W. Utami. Studi Efek Fotovoltaik Film Tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 yang Didadah Tantalum (BSTT) di Atas Substrat Si (100) Tipe-p. Skripsi, Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor, (2007). http://id.wikipedia.org/wiki/Dioda. (15 Juli 2007).

[11]

[12]. [13]. [14].

www.sales.hamamatsu.com/assets/ applications/SSD /photodiode_technical_information.p df. (15 Juli 2007) G. Rockis. Solid State Fundamentals For Electricians. American Technical Publishers, Inc. (1985). M. A. Omar. Elementary Solid State Physics. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. (1993). P. A. Tippler. PHYSICS for Scientist and Engineers. Worth Publisher. Inc, (1991).

19

[15]. [16]. [17]

Halliday, Renick. PHYSICS, 3rd Edition. John Wiley and Sons, Inc (1978). S.M. Sze, Kwok K. Ng. Physics of Semiconductor Devices, 3rd Edition. John Wiley and Sons, Inc (2007). H. Frimasto, Irzaman, M Kurniati, Sifat Optik Film Tipis Bahan Ferroelektrik BaTiO3 yang didadah tantalum (BTT), Skripsi, Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor, (2006)

[18] http://www.cise.columbia.edu/clean /process/spintheory.pdf. (6 Juli 2007) [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26]

http://en.wikipedia.org/wiki/Barium _titanate. (8 Maret 2008) Rudy Setiabudy. Material Teknik Listrik. Universitas Indonesia (UIPress), Jakarta (2007). Annonim. Manual Book. Experiments Fuel Cell. h-tec Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH Sutrisno. Elektronika Teori dan ITB, Bandung Penerapannya. (1986). S. Reka Rio, Masamori Iida. Fisika dan Teknologi Semikonduktor. PT. Pradnya Paramita, Jakarta (1999). S. M. Sze. Physics of semiconductor devices, John Wiley & Sons Inc, United States of America, (1981). A. P. Malvino, Electronic Principles 2nd Edition. McGraw-Hill, Inc (1979). Irzaman, Y. Darvina, A. Fuad, P. Arifin, M. Budiman, and M. Barmawi. Physical and Pyroelectric Properties of Tantalum Oxide Doped Lead Zirconium Titanate [Pb0.9950(Zr0.525Ti0.465Ta0.010)O3] Thin Films and Its Application for IR Sensor. Physica Status Solidi (a), Germany, 199 (3), 416 – 424 (2003).

LAMPIRAN

21

Lampiran 1. Data perhitungan ketebalan film tipis Film tipis BST pada substrat silikon Massa (gram) Kode substrat Sebelum Setelah Selisih Silikon annealing annealing massa

Kerapatan BaTiO3(g/cm3)

Luas permuakaan film tipis (cm2)

Volume film tipis (cm3)

Ketebalan film tipis (cm)

7

0,1726

0,1734

0,0008

6,02

1,0000

1,3289 x 10-4

1,3289 x 10-4

6

0,1394

0,1400

0,0006

6,02

0,8551

9,9668 x 10-5

1,1657 x 10-4

3

0,1296

0,1299

0,0003

6,02

0,7000

4,9834 x 10-5

7,11913 x 10-5

2

0,1251

0,1254

0,0003

6,02

0,7000

4,9834 x 10-5

7,11913 x 10-5

1

0,1588

0,1593

0,0005

6,02

0,8000

8,3056 x 10-5

1,03821 x 10-4

4

0,1716

0,1719

0,0003

6,02

1,0000

4,9834 x 10-5

4,98339 x 10-5

5

0,1196

0,1198

0,0002

6,02

0,7000

3,3223 x 10-5

4,74608 x 10-5

Temperatu r annealing

Katebalan film tipis rata-rata (cm)

Katebalan film tipis rata-rata (m)

850oC

1,247 x 10-4

1,247 x 10-6

900oC

8,21 x 10-5

8,21 x 10-7

950oC

4,86 x 10-5

4,86 x 10-7

22

Film tipis BSTT 5% pada substrat silikon Massa (gram) Kode substrat Sebelum Setelah Selisih Silikon annealing annealing massa

Kerapatan BaTiO3(g/cm3)

Luas permuakaan film tipis (cm2)

Volume film tipis (cm3)

Ketebalan film tipis (cm)

8

0,1443

0,1450

0,0007

6,02

0,840

1,1628 x 10-4

1,3843 x 10-4

7

0,1329

0,1332

0,0003

6,02

0,715

4,9834 x 10-5

6,9698 x 10-5

1

0,1883

0,1891

0,0008

6,02

1,050

1,3289 x 10-4

1,2656 x 10-4

-5

4,6925 x 10-5

Temperatur annealing

Katebalan film tipis rata-rata (cm)

Katebalan film tipis rata-rata (m)

850oC

1,116 x 10-4

1,116 x 10-6

900oC

8,00 x 10-5

8,00 x 10-7

950 oC

4,92 x 10-5

4,92 x 10-7

6

0,1577

0,1579

0,0002

6,02

0,708

3,3223 x 10

5

0,1902

0,1907

0,0005

6,02

1,215

8,3056 x 10-5

6,8359 x 10-5

4

0,1447

0,1453

0,0006

6,02

0,800

9,9668 x 10-5

1,2458 x 10-4

3

0,1930

0,1934

0,0004

6,02

1,500

6,6445 x 10-5

4,4297 x 10-5

2

0,1537

0,1540

0,0003

6,02

0,920

4,9834 x 10-5

5,4167 x 10-5

Kerapatan BaTiO3(g/cm3)

Luas permuakaan film tipis (cm2)

Volume film tipis (cm3)

Ketebalan film tipis (cm)

Temperatur annealing

Katebalan film tipis rata-rata (cm)

Katebalan film tipis rata-rata (m)

400oC

6,70 x 10-5

6,70 x 10-7

450oC

1,074 x 10-4

1,074s x 10-6

500oC

1,201 x 10-4

1,201 x 10-6

Film tipis BST pada substrat TCO Massa (gram) Kode substrat Sebelum Setelah TCO annealing annealing

Selisih massa

4

0,2396

0,2398

0,0002

6,02

0,496

3,3223 x 10-5

6,6981 x 10-5

11

0,2573

0,2576

0,0003

6,02

0,623

4,9834 x 10-5

7,9990 x 10-5

0,493

6,6445 x 10

-5

1,3478 x 10

-4

-5

1,4470 x 10-4

12

0,2500

0,2504

0,0004

6,02

7

0,2340

0,2345

0,0005

6,02

0,574

8,3056 x 10

13

0,2311

0,2315

0,0004

6,02

0,525

6,6445 x 10-5

1,2656 x 10-4

15

0,2473

0,2476

0,0003

6,02

0,56

4,9834 x 10-5

8,8989 x 10-5

23

Film tipis BSTT 5% pada substrat TCO Massa (gram) Kode substrat Sebelum Setelah Selisih TCO annealing annealing massa

Kerapatan BaTiO3(g/cm3)

Luas permuakaan film tipis (cm2)

Volume film tipis (cm3)

Ketebalan film tipis (cm)

6k

0,2521

0,2522

0,0001

6,02

0,5525

1,6611 x 10-5

3,00657 x 10-5

2k

0,3318

0,3322

0,0004

6,02

0,8455

6,6445 x 10-5

7,85869 x 10-5

9

0,2310

0,2313

0,0003

6,02

0,5600

4,9834 x 10-5

8,89891 x 10-5

16

0,2092

0,2094

0,0002

6,02

0,4900

3,3223 x 10-5

6,78012 x 10-5

-5

1,11986 x 10-4

3k

0,3436

0,3442

0,0006

6,02

0,8900

9,9668 x 10

10

0,2349

0,2351

0,0002

6,02

0,5251

3,3223 x 10-5

6,32691 x 10-5

1k

0,3113

0,3118

0,0005

6,02

0,8010

8,3056 x 10-5

1,03691 x 10-4

4k

0,3395

0,3396

0,0001

6,02

0,8550

1,6611 x 10-5

1,94284 x 10-5

-4

-4

5k

0,3651

0,3658

0,0007

6,02

0,8010

1,1628 x 10

8

0,2338

0,2341

0,0003

6,02

0,5220

4,9834 x 10-5

1,45167 x 10

9,54672 x 10-5

Temperatur annealing

Katebalan film tipis rata-rata (cm)

Katebalan film tipis rata-rata (m)

400oC

6,59 x 10-5

6,59 x 10-7

450oC

8,10 x 10-5

8,10 x 10-7

500oC

9,09 x 10-5

9,09 x 10-7

24

Lampiran 2 Data tabel perhitungan intensitas cahaya lampu yang digunakan Luas Area Sel Surya Standar Radiasi total Arus Sc Pada F matahari Sinar Matahari Lebar Luas Modul (W/m2mA) Panjang (W/m2) (mA) (m) (m) Total (m2) 1000

4000

0,25

0,027

0,0480

5,18 x 10-3

Isc Lampu (mA)

Daya

0

0

Daya yang digunakan Isc Lampu Daya (mA) 0,9 1,17 x 10-3

Isc Lampu (mA) 8,1

Daya 1,05 x 10-2

25

Lampiran 3 Data tabel perhitungan konduktivitas listrik film tipis BST dan BSTT Kondisi 0 watt Temperatur annealing

Konduksi

Panjang (L) (Meter)

Resistansi

Resistivity

Konduktivitas (S/m-1)

850, 0%

8,91 x 10-6

0,0080

1,123 x 105

2,246 x 106

4,453 x 10-7

900, 0%

1,72 x 10-6

0,0070

5,803 x 105

1,015 x 107

9,848 x 10-8

950, 0%

3,67 x 10

-8

5,454 x 10

1,834 x 10-9

850, 5%

1,13 x 10-6

0,0065

2,727 x 107 8,859 x 105

8

1,440 x 107

6,947 x 10-8

900, 5%

5,64 x 10-6

0,0060

1,772 x 105

2,659 x 106

3,761 x 10-7

950, 5%

5,67 x 10-7

0,0080

1,765 x 106

3,529 x 107

2,834 x 10-8

0,0080

Kondisi 1,17 x 10-3 watt Temperatur annealing

Konduksi

Panjang (L) (Meter)

Resistansi

Resistivity

Konduktivitas (S/m-1)

850, 0%

9,50 x 10-6

0,0080

1,052 x 105

2,104 x 106

4,752 x 10-7

900, 0%

7,06 x 10-8

0,0070

1,416 x 107

2,477 x 108

4,037 x 10-9

950, 0%

3,83 x 10-8

0,0080

5,220 x 108

1,916 x 10-9

850, 5%

1,19 x 10-6

0,0065

2,610 x 107 8,390 x 105

1,363 x 107

7,335 x 10-8

900, 5%

5,78 x 10-6

0,0060

1,731 x 105

2,596 x 106

3,852 x 10-7

950, 5%

4,85 x 10-7

0,0080

2,062 x 106

4,124 x 107

2,425 x 10-8

Kondisi 1,05 x 10-2watt Temperatur annealing

Konduksi

Panjang (L) (Meter)

Resistansi

Resistivity

Konduktivitas (S/m-1)

850, 0%

9,68 x 10-6

0,0080

1,033 x 105

2,066 x 106

4,841 x 10-7

900, 0%

5,09 x 10-8

0,0070

1,963 x 107

3,436 x 108

2,910 x 10-9

950, 0%

6,69 x 10-8

0,0080

2,988 x 108

3,346 x 10-9

850, 5%

1,23 x 10-6

0,0065

1,494 x 107 8,112 x 105

1,318 x 107

7,586 x 10-8

900, 5%

8,32 x 10

-6

5

6

5,546 x 10-7

950, 5%

3,35 x 10-7

5,972 x 107

1,675 x 10-8

0,0060

1,202 x 10

0,0080

2,986 x 106

1,803 x 10

26

Lampiran 4 data dan perhitungan konstanta dielektrik film tipis.

Sinyal Input Film Tipis BST Tanpa Doping

Film Tipis BSTT Doping 5%

Temperatur annealing 850oC

Temperatur annealing 850oC

Temperatur annealing 900oC

Temperatur annealing 900oC

Temperatur annealing 950oC

Temperatur annealing 950oC

27

Pada penelitian ini digunakan skala 1 Volt/div (pada sumbu vertikal osiloskop) artinya setiap 1 kotak nilainya adalah 1 volt. Untuk skala horizontal digunakan skala 25 sekon/div artinya setiap 1 kotak arah horizontal nilainya 25 sekon. Contoh perhitungan konstanta dielektrik film tipis (temperatur 850oC, BST tanpa doping) Peak to Peak = 3,16 Volt (dari gambar ) Tegangan pada saat tipe konstant 3,16 x 0,63 = 1,9908 Volt Plotkan nilai 1,9908 Volt pada arah sumbu vertikal gambar. Akan didapat nilai t = 5,00 s arah sumbu horizontal gambar. d (tebal film) = 1,25 m (dari hasil perhitungan secara volumetrik) dari persamaan time konstan t = RC. Akan didapatkan nilai kapasitansi film tipis t 5,00 x 10 6 kapasitansi (C) =   5,00 x 10 10 F R 1,00 x 10 4



= 8,85 x 10-12 (konstanta permitivitas ruang hampa)

0

C   



A d

C .d .A 0





0



5,00 x 10 10 x 1,25 x10 6

 17,62 8,85x10 12 x 4 x10 6 Dengan cara yang sama akan didapat nilai konstanta dielektrik pada film tipis yang lain seperti pada tabel di bawah ini. Temperatur annealing

Vmaks (Volt)

0,63.Vmaks (Volt)

t (Sekon)

C (Farad)

D (Meter)

ε

850oC, BST

3,16

1,9908

5,00 x 10-6

5,00 x 10-10

1,25 x 10-06

17,62

2,0200

6,80 x 10

-6

6,80 x 10

-10

8,21 x 10

-07

15,76

4,98 x 10

-6

4,98 x 10

-10

4,86 x 10

-06

6,84

1,11 x 10

-5

1,12 x 10

-06

34,98

9,00 x 10

-6

8,00 x 10

-07

20,33

6,30 x 10

-6

4,92 x 10

-07

8,76

o

900 C, BST o

950 C, BST o

850 C, BSTT o

900 C, BSTT o

950 C, BSTT

3,20 3,24 3,08 3,20 3,20

2,0412 1,9404 2,0160 2,0160

1,11 x 10

-9

9,00 x 10

-10

6,30 x 10

-10