Pembuatan Film Lithium Niobate (LiNbO3) Pada

2
dari sifat fisik (permitivitas, indeks bias,
permeabilitas magnetik) dari bahan-bahan
terhadap suhu, medan listrik, medan magnet
dan tekanan, khususnya yang mendekati
pada suhu fase transisi, membuatnya
menarik untuk diaplikasikan pada perangkat
elektronik dan optik contohnya telepon
mobile dan modulator optik [4].
Bahan ferroelektrik pada fase polar
memiliki polarisasi spontan yang stabil yang
dapat diaktifkan oleh medan listrik [5].
Polarisasi yang terjadi merupakan hasil dari
penerapan medan yang mengakibatkan
adanya ketidaksimetrisan struktur kristal
pada suatu material ferroelektrik. Polarisasi
ini dapat dihilangkan dengan memberikan
medan eksternal yang arahnya berlawanan.
Sifat listrik yang ditunjukkan berupa sifat
mikroskopiknya. Muatan positif dan negatif
pada material ini tidak selalu terdistribusi
secara simetris. Momen dipol per-satuan
volume disebut sebagai polarisasi dielektrik.
2.2 Lithium Niobate (LiNbO3)
Film LiNbO3 telah banyak menarik
perhatian karena dapat dimanfaatkan untuk
potensi listrik, aplikasi optik dan akustik.
LiNbO3 merupakan bahan ferroelektrik
penting karena mempunyai sifat-sifat
piezoelektrik, electrooptical, pyroelectrical
dan photorefractive [2]. LiNbO3 dibuat
berdasarkan reaksi antara lithium asetat dan
niobium oksida. Berikut ini merupakan
persamaan reaksi LiNbO3.
2LiC2H3O2 + Nb2O5 + 4O2 2LiNbO3 + 3H2O + 4CO2
Struktur LiNbO3 pada suhu kamar
berbentuk
mendekati
rhombohedral
(trigonal) dengan group ruang R3c dengan
group point 3m. Di permukaan suhu fase
transisi, kristal berubah bentuk menjadi
centrosymetric dengan group ruang R3m.
Lithium niobate (LiNbO3) adalah
senyawa niobium, lithium dan oksigen.
Lithium niobate adalah material yang tidak
larut dalam air yang berbentuk padatan.
Lithium niobate memiliki sistem kristal
trigonal, yang tidak memiliki simetri inversi
dan ferroelectricity menampilkan, efek
Pockels (efek yang merupakan dasar dari
operasi sel Pockels, sel Pockels mungkin
digunakan untuk memutar polarisasi dari
sinar yang lewat), efek piezoelektrik,
fotoelastisitas dan polarisabilitas optik
nonlinier. Hal ini transparan untuk panjang
gelombang antara 350 dan 520 nanometer.
Lithium niobate (LiNbO3) dapat diolah
oleh magnesium oksida, yang meningkatkan
ketahanan terhadap kerusakan optik (juga
dikenal sebagai kerusakan photorefractive)
ketika diolah di atas ambang rusak optik.
Dopan tersedia lainnya adalah Fe, Zn, Hf,
Cu, Gd, Er, Y, Mn dan B. Lithium niobate
digunakan
secara
luas
di
pasar
telekomunikasi, misalnya dalam telepon
mobile dan modulator optik. Ini adalah
bahan pilihan untuk pembuatan perangkat
akustik gelombang permukaan.
2.3 Sifat Listrik Dielektrik
Konstanta dielektrik atau permitivitas
listrik relatif melambangkan rapatnya fluks
elektrostatik dalam suatu bahan bila diberi
potensial listrik. Konstanta dielektrik
merupakan perbandingan energi listrik yang
tersimpan pada bahan tersebut jika diberi
sebuah potensial, relatif terhadap vakum
(ruang hampa). Konstanta dielektrik
dilambangkan dengan huruf Yunani εr atau
kadang-kadang κ, K. Secara matematis
konstanta
dielektrik
suatu
bahan
didefinisikan sebagai
(2.1)
Keterangan: ε merupakan permitivitas bahan, εr
adalah permitivitas relatif dan ε0 adalah permitivitas
vakum. Permitivitas vakum diturunkan dari persamaan
Maxwell dengan menghubungkan intensitas medan
listrik E terhadap kerapatan fluks listrik D.
Secara matematis konstanta dielektrik
suatu bahan di vakum (ruang hampa)
didefinisikan sebagai
(2.2)
Keterangan: 1 adalah konstanta dielektrik pada
vakum (ruang hampa), εr adalah permitivitas relatif, χe
adalah susceptibility (kerentanan) listrik [10].
2.4 Molaritas
Dalam ilmu kimia, molaritas (disingkat
M). Molaritas suatu larutan menyatakan
jumlah mol suatu zat per liter larutan.
Misalnya 1.0 liter larutan mengandung 0,5
mol senyawa X, maka larutan ini disebut
larutan 0,5 molar (0,5 M). Umumnya
konsentrasi larutan berair encer dinyatakan
dalam
satuan
molar.
Keuntungan
menggunakan
satuan
molar
adalah
kemudahan perhitungan dalam stoikiometri,
karena konsentrasi dinyatakan dalam jumlah
mol (sebanding dengan jumlah partikel yang
sebenarnya). Kerugian penggunaan satuan
3
ini adalah ketidaktepatan dalam pengukuran
volum. Selain itu, volum suatu cairan
berubah sesuai suhu, sehingga molaritas
larutan dapat berubah tanpa menambahkan
atau mengurangi zat apapun. Selain itu, pada
larutan yang tidak begitu encer, volum molar
dari zat itu sendiri merupakan fungsi dari
konsentrasi, sehingga hubungan molaritaskonsentrasi tidaklah linear.
membuat lapisan pengosong semakin besar
sehingga beda potensialnya mendekati harga
sumber tegangan, tetapi pada situasi ini,
masih terdapat arus kecil, atau disebut arus
balik (reverse current). Jika keadaan ini
terus berlanjut, akan tercapai titik
pendobrakan,
yang
disebut
dengan
breakdown voltage [15].
2.5 Dioda
Dioda adalah sambungan p-n yang
berfungsi terutama sebagai penyearah.
Bahan tipe-p akan merupakan sisi anoda
sedangkan bahan tipe-n akan merupakan
katoda. Bergantung pada polaritas tegangan
yang diberikan kepadanya, dioda bisa
berlaku sebagai saklar terbuka (apabila
bagian anoda mendapatkan tegangan negatif
sedangkan katoda mendapatkan tegangan
positif) dan bisa berlaku sebagai sebuah
saklar tertutup (apabila bagian anoda
mendapatkan tegangan positif sedangkan
katodanya mendapatkan tegangan negatif)
dan Kondisi tersebut terjadi hanya pada
dioda ideal. Tegangan sebesar 0,7 V ini
disebut sebagai tegangan halang (barrier
voltage). Pada dioda faktual (nyata), perlu
tegangan lebih besar dari 0,7 V (untuk dioda
yang dibuat dari bahan silikon). Dioda yang
dibuat dari bahan germanium memiliki
tegangan halang kira-kira 0,3 V [15].
Pada saat dioda tidak diberikan panjar
tegangan (unbiased) seperti ditunjukkan
Gambar 2.1, terjadi difusi elektron ke segala
arah pada setiap
tepi-tepi semikonduktor.
Beberapa difusi melewati junction, sehingga
tercipta ion positif pada daerah n dan ion
negatif pada daerah p. Jika ion-ion ini
bertambah banyak, maka daerah di sekitar
junction akan terjadi kekosongan dari hole
dan elektron bebas. Daerah ini disebut
daerah pengosongan (depletion region).
Pada suatu saat, depletion region akan
berlaku sebagai penghalang bagi elektron
untuk berdifusi lanjut melalui junction.
Diperlukan tegangan yang lebih besar agar
elektron dapat menembus penghalang
tersebut, yang dikenal dengan istilah
tegangan offset. Jika sumber tegangan
tersebut
dibalik
polaritasnya,
maka
rangkaian yang tampak pada Gambar 2.2 (a).
itu disebut dengan reverse biased. Hubungan
ini memaksa elektron bebas di dalam daerah
n berpindah dari junction ke arah terminal
positif sumber, sedangkan hole di dalam
daerah p juga bergerak menjauhi junction ke
arah terminal negatif. Gerakan ini akan
Depletion region
Gambar 2.1 Terbentuknya depletion region
pada dioda persambungan p-n
[15]
(b)
(a)
Gambar 2.2 (a) Reverse biased ( b) Forward
biased [16]
Keterangan: Ir merupakan arah arus pada bias
mundur dan If merupakan arah arus pada bias maju.
Sebaliknya, jika dioda diberi tegangan
seperti pada Gambar 2.2 (b), yaitu kutub
positif baterai dihubungkan dengan bahan
tipe-p dan kutub negatifnya dihubungkan
dengan bahan tipe-n, maka rangkaian ini
disebut dengan forward biased atau
prategangan maju. Bila tegangan ini
melebihi tegangan yang diakibatkan oleh
daerah pengosongan maka forward biased
dapat menghasilkan arus yang besar. Kutub
negatif sumber dapat mendorong elektron
pada bahan tipe-n menuju junction. Elektron
ini dapat melewati junction dan jatuh ke
dalam hole. Bila ini terjadi, elektron akan
dapat terus bergerak melalui hole pada
bahan tipe-p yang ada menuju kutub positif
baterai.
2.6 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan alat yang digunakan
untuk mengkarakterisasi struktur kristal,
4
ukuran kristal dari suatu bahan padat. Semua
bahan yang mengandung kristal tertentu
ketika dianalisa menggunakan XRD akan
memunculkan puncak- puncak yang
spesifik. Sehingga kelemahan alat ini tidak
dapat untuk mengkarakterisasi bahan yang
bersifat amorf.
Metode difraksi umumnya digunakan
untuk mengidentifikasi senyawa yang belum
diketahui yang terkandung dalam suatu
padatan dengan cara membandingkan
dengan data difraksi dengan database yang
dikeluarkan oleh International Centre for
Diffraction Data berupa Powder Diffraction
File (PDF).
Difraktometer menggunakan prinsip
difraksi. Ada 3 jenis difraktometer yang
dikenal. Penamaan difraktometer ini
ditentukan oleh sumber radiasi yang
digunakan yaitu difraktometer neutron,
sinar-x dan elektron.
XRD yang tepat dirancang untuk
aplikasi dalam microstructure pengukuran,
pengujian dan penelitian mendalam dalam
penyelidikan. Berbagai aksesori yang sesuai
dan pengendalian perangkat lunak dan
perhitungan dapat dipilih untuk bersurat
difraksi sistem sesuai dengan kebutuhan
praktis.
XRD menyediakan satu analisis
struktur
kristal,
polycrystalline
dan
amorphous sampel. termasuk tahap analisis
kualitatif dan analisis kuantitatif (RIR,
internal standar kalibrasi, standar kalibrasi
eksternal,
kriteria
tambahan),
pola
pengindeksan, kesatuan tekad dan perbaikan
sel, crystallite ukuran dan penetapan strain,
profil dan struktur pas perbaikan, penetapan
sisa stres, analisis tekstur ( ODF menyatakan
tiga dimensi tiang angka), crystallinity
memperkirakan puncak dari daerah, analisis
film.
X-ray diffractometer utama yang
digunakan untuk identifikasi tahapan dalam
bentuk serbuk. An x-ray beam yang dikenal
panjang gelombang adalah difokuskan pada
bubuk sampel dan x-ray difraksi puncak
dihitung menggunakan detektor germanium;
the d-spacing dari pengamatan difraksi
puncak dihitung menggunakan hukum
Bragg.
2.7 Konduktivitas
Resistansi
Listrik
dan
Konduktansi
listrik
(G)
adalah
kemampuan suatu bahan untuk melewatkan
arus listrik dan dinyatakan dalam satuan
mho atau siemens (S). Suatu konduktor ideal
dikenal dengan nama super-konduktor
memiliki nilai G=0.
Nilai konduktivitas suatu material
tergantung dari pita energi.. Material
semikonduktor, pada saat kesetimbangan
termal pita valensinya terisi penuh
sedangkan pita konduksinya kosong. Celah
energi (energi gap) antara pita valensi dan
pita konduksi relatif sempit, sehingga pada
kondisi tertentu memungkinkan terjadi
konduksi listrik.
Suhu mempengaruhi nilai resistansi dan
konduktivitas suatu material. Material
semikonduktor pada umumnya naik nilai
konduktivitasnya jika suhu ditingkatkan,
sedangkan pada material konduktor jika
suhunya dinaikkan nilai konduktivitasnya
pada
umumnya
menurun.
Material
semikonduktor akan berubah menjadi
isolator jika suhu absolutnya bernilai nol
derajat kelvin.
2.8 Annealing
Tahapan dari proses annealing ini
dimulai dengan memanaskan logam
(paduan) sampai suhu tertentu, menahan
pada suhu tertentu tadi selama beberapa
waktu tertentu agar tercapai perubahan yang
diinginkan lalu mendinginkan logam atau
paduan tadi dengan laju pendinginan yang
cukup lambat. Jenis annealing itu beraneka
ragam, tergantung pada jenis atau kondisi
benda kerja, suhu pemanasan, lamanya
waktu penahanan, laju pendinginan (cooling
rate) dan lain-lain. Proses annealing adalah
proses pemanasan baja diatas suhu kritis
(723 °C) selanjutnya dibiarkan beberapa
lama sampai suhu merata disusul dengan
pendinginan secara perlahan-lahan sambil
dijaga agar suhu bagian luar dan dalam kirakira sama hingga diperoleh struktur yang
diinginkan dengan menggunakan media
pendingin udara. Tujuan proses annealing
adalah
melunakkan
material
logam,
menghilangkan tegangan dalam yang ada di
dalam suatu material yang dapat menganggu
proses penumbuhan film LiNbO3 pada
substrat dan memperbaiki butir-butir logam,
yaitu
membesarnya
ukuran
butir
mempengaruhi jarak atom-atom dalam
kristal yang semakin berdekatan sehingga
mengakibatkan parameter kisi menurun
[13]..
2.9 Spektrofotometer
Spektrofotometer merupakan alat yang
digunakan untuk mengukur absorbansi
maupun reflektansi dengan cara melewatkan
5
cahaya pada panjang gelombang tertentu ke
suatu obyek [26]. Spektrofotometri visible
disebut juga spektrofotometri sinar tampak.
Yang dimaksud sinar tampak adalah sinar
yang dapat dilihat oleh manusia secara kasat
mata. Cahaya yang dapat dilihat oleh mata
manusia adalah cahaya dengan panjang
gelombang 400-800 nm. Elektron pada
keadaan normal berada pada kulit atom
dengan energi terendah disebut keadaan
dasar (ground-state). Energi yang dimiliki
sinar tampak mampu membuat elektron
tereksitasi dari keadaan dasar menuju kulit
atom yang memiliki energi lebih tinggi atau
menuju keadaan tereksitasi. Cahaya yang
diserap oleh suatu zat berbeda dengan
cahaya yang ditangkap oleh mata manusia.
Cahaya yang tampak atau cahaya yang
dilihat dalam kehidupan sehari-hari disebut
warna komplementer. Misalnya suatu zat
akan berwarna orange bila zat tersebut
menyerap warna biru pada spektrum sinar
tampak dan suatu zat akan berwarna hitam
bila zat tersebut menyerap semua warna
yang terdapat pada spektrum sinar tampak
[27]. Pada spektrofotometer sinar tampak,
sumber cahaya biasanya menggunakan
lampu tungsten yang sering disebut lampu
wolfram. Wolfram merupakan salah satu
unsur kimia, dalam tabel periodik unsur,
wolfram termasuk golongan unsur transisi
tepatnya golongan VI B atau golongan 6
dengan simbol W dan nomor atom 74.
Wolfram digunakan sebagai lampu pada
spektrofotometri tidak terlepas dari sifatnya
yang memiliki titik didih yang sangat tinggi
yakni 5930 °C [27].
Spektrofotometer dapat digunakan untuk
menentukan nilai transmitansi, reflektansi
maupun absorbansi suatu zat. Data
reflektansi (R) yang diperoleh dapat
digunakan untuk menentukan indeks bias (n)
dengan menggunakan persamaan 2.3 [31].
n=
(biasanya pada suhu 300-400oC) dan
pembentukan film yang masih berstruktur
amorf dan (iv) perlakuan panas pada suhu
tinggi. Perlakuan ini bertujuan untuk
kristalisasi film yaitu suatu proses untuk
mengubah bentuk film yang berstruktur
amorf menjadi film yang berstruktur padatan
(biasanya pada suhu 600-1000oC) [42].
Spin coating melibatkan akselerasi dari
genangan cairan di permukaan substrat yang
berputar. Material pelapis dideposisi di
tengah substrat. Proses spin coating dapat
dipahami dengan reologi atau perilaku aliran
larutan pada piringan substrat yang berputar.
Mula-mula aliran volumetrik cairan dengan
arah melingkar pada substrat yang
diasumsikan bervariasi terhadap waktu. Pada
saat t = 0, penggenangan awal dan
pembasahan menyeluruh pada permukaan
substrat
(tegangan
permukaan
diminimalisasi yakni tidak adanya getaran
atau diam pada waktu piringan substrat
berputar, noda kering dan sebagainya).
Piringan lalu dipercepat menggunakan alat
spin coater seperti pada Gambar 2.3 dengan
kecepatan angular sehingga mengakibatkan
bulk cairan terdistribusi secara merata [29].
Beberapa parameter yang berpengaruh
dalam proses spin coating adalah viskositas
larutan, kandungan padatan, kecepatan
angular dan waktu putar.
Proses pembentukan film dipengaruhi
oleh dua parameter bebas, yaitu kecepatan
putar dan viskositas. Rentang ketebalan film
yang dihasilkan oleh spin coating adalah 1200 µm [30]. Contoh spin coater
diperlihatkan pada Gambar 2.3.
(2.3)
Keterangan: n= indeks bias, R= reflektansi maksimum
yang dapat diperoleh dari kurva persen reflektansi
terhadap panjang gelombang.
2.10 Metode Sol Gel
Secara umum fabrikasi film dengan
metode sol gel meliputi empat proses; (i)
sintesis larutan prekursor, (ii) deposisi
larutan prekursor pada permukaan substrat,
(iii) pemanasan pada suhu rendah. Perlakuan
ini bertujuan menghilangkan pelarut dan
senyawa organik lain yang mungkin ada
Gambar 2.3 Spin coater
Keterangan:
a = piringan spin coater
b = display
c = tombol power
d = adjustables, untuk mengatur kecepatan putar
piringan ketika substrat berputar di piringan spin coater
agar sesuai dengan kecepatan yang diinginkan.