PENGUKURAN DENGAN STM P ADA - Digilib

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