Pembuatan Film Lithium Niobate (LiNbO3) Pada Beberapa
advertisement
PEMBUATAN FILM LITHIUM NIOBATE (LiNbO3) PADA BEBERAPA MOLARITAS DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK, SIFAT OPTIK DAN STRUKTUR KRISTALNYA DANIEL VIKTORIUS DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012 DANIEL VIKTORIUS. Pembuatan Film Lithium Niobate (LiNbO3) pada Beberapa Molaritas dan Karakterisasi Sifat Lisrik, Sifat Optik dan Struktur Kristalnya. Dibimbing oleh IRZAMAN. Abstrak Fotodioda film lithium niobate (LiNbO3) telah berhasil dibuat dengan menumbuhkan LiNbO3 di permukaan substrat Si(100) tipe-p dengan menggunakan metode sol gel berdasarkan teknik spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik. Film LiNbO3 dibuat dengan konsentrasi 0,5 M, 1 M, dan 2 M dan proses annealing pada suhu 900°C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam, dan 22 jam. Dilakukan karakterisasi sifat listrik, optik, dan struktur film. Karakterisasi I-V dilakukan pada kondisi gelap dan terang. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa film bersifat fotodioda. Hasil karakterisasi I-V juga menunjukkan bahwa konsentrasi molaritas turut mempengaruhi bentuk dioda film, yaitu molaritas yang makin tinggi maka bentuk dioda filmnya itu semakin baik, yaitu pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam. Konduktivitas listrik (σ) film annealing selama 1 jam, 8 jam, 15 jam, dan 22 jam berturut-turut adalah 1.49 x 10-5 S/cm, 2.05 x 10-5 S/cm, 2.27 x 10-5 S/cm, 6.66 x 10-5 S/cm. Nilai konduktivitas listrik (σ) tersebut berada dalam rentang σ semikonduktor, sehingga film LiNbO3 yang dihasilkan merupakan material semikonduktor. Selain karakterisasi I-V dan konduktivitas listrik dilakukan juga karakterisasi konstanta dielektrik (ε). Nilai ε film menurun ketika tegangan ditingkatkan dari 1 volt, 3 volt, dan 5 volt. Sedangkan semakin lama film ditahan pada suhu 900o C mengakibatkan konstanta dielektriknya meningkat. Karakterisasi sifat optik meliputi pengukuran absorbansi dan reflektansi film. Kurva absorbansi yang diperoleh memperlihatkan panjang gelombang yang paling banyak diserap dan dipantulkan, yaitu berkisar dari 400-500 nm dan 570-600 nm. Data reflektansi film dapat digunakan untuk menghitung indeks bias (n) dan energy gap (Eg). Kurva absorbansi yang diperoleh memperlihatkan panjang gelombang yang paling banyak diserap dan dipantulkan yaitu berkisar dari 400-500 nm dan 570-600 nm Karakterisasi sifat struktur berupa pengujian XRD. Hasil yang diperoleh memperlihatkan intensitas difraksi tertinggi dimiliki oleh film LiNbO3 pada waktu annealing 1 jam, sedangkan intensitas difraksi terendah dimiliki oleh film LiNbO3 pada waktu annealing 22 jam. Kata Kunci : lithium niobate (LiNbO3), annealing, sifat listrik, sifat optik, sifat struktur. PEMBUATAN FILM LITHIUM NIOBATE (LiNbO3) PADA BEBERAPA MOLARITAS DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK, SIFAT OPTIK DAN STRUKTUR KRISTALNYA DANIEL VIKTORIUS Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012 LEMBAR PENGESAHAN Judul Skripsi : Pembuatan Film Lithium Niobate (LiNbO3) pada Beberapa Molaritas dan Karakterisasi Sifat Lisrik, Sifat Optik dan Struktur Kristalnya Nama : Daniel Viktorius NIM : G74070052 Disetujui : Pembimbing Dr. Ir. Irzaman, M.Si NIP. 19630708 199512 1001 Diketahui Ketua Departemen Fisika Dr.Akhiruddin Maddu NIP. 19660907 199802 1006 Tanggal lulus : KATA PENGANTAR Puji Syukur saya ucapkan pada Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan izin-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul Pembuatan Film Lithium Niobate (LiNbO3) pada Beberapa Molaritas dan Karakterisasi Sifat Lisrik, Sifat Optik dan Struktur Kristalnya . Setelah berusaha dan berdo'a, hasilnya penulis serahkan kepada Sang Pencipta. Skripsi ini disusun agar penulis dapat menyelesaikan kuliah dan sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Selanjutnya terima kasih kami sampaikan kepada Bapak Irzaman yang telah memberi semangat, kritik, dan saran kepada penulis agar penulisan hasil penelitian ini dapat selesai. Atas jasa beliau juga penulis dapat menyelesaikan hasil penelitian ini dengan baik. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada orang tua penulis yang selalu memberikan doa dan dukungan agar kami terus berkarya dan mengeluarkan ide-ide agar berguna bagi masyarakat. Kepada seluruh teman-teman di Departemen Fisika IPB penulis juga sangat berterima kasih. Berkat dukungan dan kerjasama dari teman-teman, penulis dapat menyelesaikan penulisan hasil penelitian ini dengan baik. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh pihak yang telah berpartisipasi baik langsung maupun tidak langsung dalam penulisan skripsi ini.. Akhir kata, dengan adanya tulisan ini diharapkan dapat memberikan manfaat yang besar. Kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk kemajuan dari penerapan material yang telah dilakukan penelitian saat ini. Bogor, Juli 2012 Penulis RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 11 Mei 1988. Penulis menyelesaikan masa studi di SDN Parung 1 selama 6 tahun, SLTP Negeri 14 Depok selama tiga tahun, dan melanjutkan ke SMAN 5 Depok dan lulus pada tahun 2007. Penulis melanjutkkan pendidikan S1 jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur SPMB. Selama masa studi di IPB penulis hanya mengikuti kegiatan perkuliahan. Tidak pernah mengikuti organisasi di IPB. DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ..................................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR.................................................................................................................. viii DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................................. ix BAB 1 PENDAHULUAN .......................................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang.................................................................................................................... 1 1.2 Tujuan Penelitian ................................................................................................................ 1 1.3 Perumusan Masalah ............................................................................................................ 1 1.4 Hipotesis ............................................................................................................................. 1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................. 1 2.1 Bahan Ferroelektrik ............................................................................................................ 1 2.2 Lithium Niobate (LiNbO3) .................................................................................................. 2 2.3 Sifat Listrik Dielektrik ........................................................................................................ 2 2.4 Molaritas ............................................................................................................................. 2 2.5 Dioda .................................................................................................................................. 3 2.6 X-Ray Diffraction (XRD) .................................................................................................... 3 2.7 Konduktivitas Listrik dan Resistansi .................................................................................. 4 2.8 Annealing ............................................................................................................................ 4 2.9 Spektrofotometer ................................................................................................................ 4 2.10 Metode Sol Gel ................................................................................................................... 5 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ...................................................................................... 6 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ............................................................................................. 6 3.2 Alat dan Bahan ................................................................................................................... 6 3.3 Prosedur Penelitian ............................................................................................................. 6 3.3.1 Pembuatan lithium niobate (LiNbO3) ...................................................................... 6 3.3.2 Persiapan substrat Si tipe P ...................................................................................... 6 3.3.3 Proses penumbuhan film .......................................................................................... 6 3.3.4 Proses annealing ...................................................................................................... 7 3.3.5 Proses metalisasi dan pembuatan kontak pada film ................................................. 7 3.3.6 Karakterisasi ............................................................................................................ 7 3.3.6.a Karakterisasi konduktivitas dan resistansi listrik ......................................... 7 3.3.6.b Karakterisasi arus-tegangan (I-V) menggunakan I-V meter ........................ 7 3.3.6.c Karakterisasi sifat optik absorbansi dan reflektansi ..................................... 8 3.3.6.d Karakterisasi konstanta dielektrik ................................................................ 8 3.3.6.e Karakterisasi XRD ....................................................................................... 8 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................................................... 8 4.1 Sifat Optik .......................................................................................................................... 8 4.2 Konstanta Dielektrik ........................................................................................................... 10 4.3 Arus-Tegangan (I-V) .......................................................................................................... 11 4.4 Konduktivitas Listrik .......................................................................................................... 11 4.5 Hasil Karakterisasi XRD .................................................................................................... 15 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................................................... 17 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................. 17 LAMPIRAN ............................................................................................................................... 20 vi DAFTAR TABEL Halaman Tabel 4.1. Spektrum panjang gelombang cahaya tampak .......................................................... 9 Tabel 4.2. Indeks bias dan energy gap film LiNbO3 ................................................................. 9 Tabel 4.3. Nilai konstanta dielektrik film LiNbO3 ..................................................................... 11 Tabel 4.4. Nilai konduktivitas film LiNbO3 berdasarkan perbedaan waktu annealing ................................................................................... 11 Tabel 4.5. Taksiran sudut difraksi dan indeks miller film LiNbO3 ............................................ 16 Tabel 4.6. Parameter kisi film LiNbO3 berstruktur rhombohedral ............................................. 16 vii DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Terbentuknya depletion region pada dioda persambungan p-n .......................... 3 Gambar 2.2 (a) Reverse biased ( b) Forward biased ............................................................... 3 Gambar 2.3 Spin coater ............................................................................................................... 5 Gambar 3.1 Hasil penumbuhan film LiNbO3 di permukaan substrat Si tipe p ........................ 6 Gambar 3.2 Proses annealing ..................................................................................................... 7 Gambar 3.3 Alat metalisasi film ................................................................................................. 7 Gambar 3.4 Rangkaian untuk menghitung konstanta dielektrik film LiNbO3 ........................ 7 Gambar 4.1 Hubungan absorbansi dan panjang gelombang ..................................................... 9 Gambar 4.2 Hubungan reflektansi dan panjang gelombang ..................................................... 9 Gambar 4.3 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam............................... 10 Gambar 4.4 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 1 M, pada waktu annealing 15 jam ................................ 10 Gambar 4.5 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 2 M, pada waktu annealing 22 jam ................................ 10 Gambar 4.6 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut 10 (αhν)2 terhadap energi 2 M, pada waktu annealing 15 jam ................................ Gambar 4.7 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 1 volt ....................... 12 Gambar 4.8 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 3 volt ....................... 13 Gambar 4.9 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 5 volt ....................... 14 Gambar 4.10 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam ...................................................................................... 15 Gambar 4.11 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang gelap molaritas 1 M, pada waktu annealing 15 jam ...................................................................................... 15 Gambar 4.12 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 1 M, pada waktu annealing 22 jam ...................................................................................... 15 Gambar 4.13 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 2M, pada waktu annealing 15 jam ....................................................................................... 15 16 Gambar 4.14 Pola difraksi sinar-X film LiNbO3 ....................................................................... Gambar 4.15 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 3 volt setelah film 1 M, pada waktu annealing 8 jam dipasang ....................................................... 22 Gambar 4.16 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 5 volt setelah film 2 M, pada waktu annealing 1 jam dipasang ....................................................... 23 viii DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Diagram alir penelitian. ........................................................................................ Lampiran 2. Hasil karakterisasi XRD film LiNbO3. ............................................................... Lampiran 3. Data massa film sebelum dilakukan annealing dan sesudah proses annealing, contoh perhitungan time constant dan konstanta dielektrik, perhitungan konduktivitas listrik......................................................................... Lampiran 4. Tabel perhitungan indeks miller, perhitungan parameter kisi. .......................... Lampiran 5. Menentukan indeks bias dan energy gap. ........................................................... 20 21 22 25 30 ix BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Film merupakan material yang memberikan harapan baru dalam pengembangan device sel surya agar memenuhi persyaratan, antara lain biaya rendah dan stabilitas material yang baik. Perangkat dan bahan film juga dapat meminimalkan bahan beracun karena kuantitas penggunaannya pada permukaan dan lapisan film terbatas [1]. Bahan ferroelektrik yang digunakan pada pembuatan film adalah LiNbO3. lithium niobate (LiNbO3) merupakan bahan ferroelektrik penting karena sifat-sifat piezoelektrik, electrooptical, pyroelectrical dan photorefractive yang sangat baik [2]. Pembuatan film LiNbO3 menggunakan peralatan yang cukup sederhana, biaya murah, dan dilakukan dalam waktu yang relatif singkat. Terdapat berbagai macam metode yang digunakan dalam pembuatan film tipis, antara lain berupa teknik deposisi film seperti sputtering, pulsed laser deposition (PLD), chemical solution deposition ( CSD) dan chemical vapor deposition (CVD) [3]. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode CSD (chemical solution deposition), karena metode CSD memiliki kontrol stoikiometri yang baik, mudah dibuat, dan sintesisnya dapat terjadi pada suhu rendah. Penelitian film LiNbO3 yang dilakukan adalah untuk melihat sifatnya melalui kurva hubungan tegangan dan arus (I-V) dan sifat konduktivitas listriknya. Substrat yang digunakan untuk melihat hubungan I-V dan konduktivitas listriknya adalah silikon tipe-p pada suhu annealing 9000C dan lama waktu annealing 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan umum penelitian ini adalah menumbuhkan film LiNbO3 pada substrat silikon tipe-p dan menguji sifat listrik, sifat optik dan karakterisasi struktur film LiNbO3. Tujuan khusus penelitian adalah: 1) Melakukan pembuatan film LiNbO3 murni 2) Melakukan karakterisasi arus-tegangan (I-V) pada setiap film. 3) Menguji sifat ferroelektrik film. 4) Menentukan konstanta dielektrik film dan waktu responnya. 5) Menentukan karakterisasi konduktivitas film. 6) Menentukan karakterisasi reflektansi dan absorbansi film. 7) Menentukan karakterisasi XRD pada film. 8) Mempelajari pengaruh molaritas pada proses karakterisasi film LiNbO3. Tujuan akhir penelitian ini adalah mengetahui dan mempelajari karakterisasi film LiNbO3 dengan menguji sifat listrik, sifat optik dan struktur film LiNbO3. 1.3 Perumusan Masalah 1. 2. Bagaimana hasil perbedaan karakterisasi sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur film lithium niobate (LiNbO3) yang dibuat dengan perbedaan waktu annealing 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam serta perbedaan molaritas 0,5 M, 1 M, dan 2 M pada suhu tetap 900 oC?. Apa ketebalan film mempengaruhi konstanta dielektrik film dan konduktivitas film?. 1.4 Hipotesis Perbedaan waktu annealing film LiNbO3 dan perbedaan molaritas mengakibatkan sifat struktur kristalnya berubah. Semakin lama film LiNbO3 dilakukan annealing pada suhu 900oC maka film LiNbO3 akan mempunyai sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur yang lebih baik dari film LiNbO3 yang lebih singkat waktu annealingnya. Molaritas film LiNbO3 sebesar 2 M akan mempunyai sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur yang lebih baik dari film LiNbO3 yang lebih kecil molaritasnya. Konstanta dielektik dan konduktivitas listrik film LiNbO3 meningkat jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar. Konstanta dielektrik dan konduktivitas listrik film LiNbO3 yang paling baik pada waktu annealing 22 jam dan molaritas yang paling baik pada molaritas 1 M. BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bahan Ferroelektrik Ferroelektrik, terutama pada oksida kompleks dengan struktur perovskit, adalah bahan yang multifungsional. Sensitivitas 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. BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian sudah dilakukan di Laboratorium Material, Laboratorium Biofisika, dan Laboratorium Biofisika Material Departemen Fisika IPB, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor , Laboratorium MOCVD Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung serta Laboratorium XRD di Laboratorium Terpadu Badan Penelitian dan Pengembangan Kehutanan dari bulan September 2011 sampai dengan bulan Juli 2012. 3.2 Bahan dan Alat Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah neraca analitik, reaktor spin coater, mortal, pipet, gelas ukur Iwaki 10 ml, pemanas, pinset, gunting, spatula, stopwatch, tabung reaksi, sarung tangan karet, cawan petris, tissue, isolasi, LCR meter, I-V meter, osiloskop, spektrofotometer, ultrasonik model branson 2210, lampu pijar 100 watt dan furnace model vulcan 3-310. Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah lithium asetat [(LiO2CH3), 99,9%], niobium [(Nb2O5),99,9%], pelarut 2metoksietanol, substrat Si (100) tipe-p, aquades, HF (asam florida), kaca preparat dan aluminium foil. 3.3 Prosedur Penelitian 3.3.1 Pembuatan larutan LiNbO3 Film LiNbO3 yang ditumbuhkan di permukaan atas substrat silikon tipe-p dengan metode CSD dibuat dengan menggunakan lithium asetat [(LiO2CH3), 99,9%] dan niobium [(Nb2O5),99,9%] serta 2-metoksietanol [H3COOCH2CH2OH, 99.9%] yang digunakan sebagai bahan pelarut [6]. Setelah bahan-bahan dicampur, larutan digetarkan pada ultrasonik model branson selama 1 jam. Setelah itu larutan disaring untuk mendapatkan larutan yang bersifat homogen. 3.3.2 Persiapan substrat Si tipe-p Substrat yang digunakan adalah substrat Si (100) tipe-p. Kebersihan substrat sebagai tempat penumbuhan film perlu diperhatikan agar film dapat tumbuh dengan baik dan merata. Substrat dipotong membentuk segi empat dengan ukuran 1 cm x 1 cm dengan menggunakan mata intan. Substrat Si(100) yang telah dipotong kemudian dicuci dengan metanol, aseton, asam florida dan aquades. 3.3.3 Proses penumbuhan film Substrat yang telah dibersihkan diletakkan di permukaan piringan reaktor spin coater yang telah di tempel dengan isolasi ditengahnya, kemudian di permukaan atas substrat diteteskan larutan LiNbO3 sebanyak 1 tetes, lalu substrat didiamkan selama 3 detik. Kemudian dilakukan pemutaran reaktor spin coater dengan putaran 3000 rpm selama 30 detik. Proses selanjutnya adalah annealing, yaitu pemanasan substrat dengan menggunakan furnace model vulcan 3-310 pada suhu tinggi yakni pada suhu 900°C untuk subtrat Si (100) selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam yang bertujuan untuk mendifusikan larutan lithium niobate (LiNbO3) dengan substrat. Hasil penumbuhan film LiNbO3 dapat dilihat pada Gambar 3.1. LiNbO3 tipe n Substrat Si tipe p Gambar 3.1 Hasil penumbuhan film LiNbO3 di permukaan substrat Si tipe P 3.3.4 Proses annealing Proses pemanasan substrat yang telah di tumbuhi film LiNbO3 pada suhu tinggi atau proses annealing dilakukan dengan menggunakan furnace model vulcan 3-310. Substrat Si (100) tipe-p di annealing pada suhu 900°C. Proses annealing dilakukan secara bertahap. Proses annealing dapat dilihat pada Gambar 3.2. Pemanasan dimulai pada suhu ruang 280C kemudian dinaikkan hingga suhu annealing 900oC. Setelah kenaikan suhu selama proses 8 jam kemudian pemanas disesuaikan dengan suhu annealing secara konstan selama proses 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace 7 cooling sampai didapatkan kembali suhu ruang selama 12 jam. Tahapan seperti pada Gambar 3.2. 900oC 3.3.6 Karakterisasi a. Karakterisasi konduktivitas dan resistansi listrik Pengukuran nilai konduktivitas dan resistansi menggunakan alat LCR meter. Dari alat tersebut didapatkan nilai konduktansi (G). Nilai resistansi didapatkan dari persamaan (3.1) R= 1/G Keterangan: R adalah resistansi (ohm), G adalah konduktansi (S). 280C sedangkan nilai konduktivitas dapat dicari dari persamanan σ= Gambar 3.2 Proses annealing. 3.3.5 Proses Metalisasi dan Pembuatan Kontak pada Film Setelah dilakukan proses annealing, proses selanjutnya adalah persiapan pembuatan kontak yang meliputi proses penganyaman film menggunakan aluminium foil. Tahap selanjutnya adalah proses metalisasi dengan bahan aluminium dengan teknik evaporasi. Bahan kontak yang dipilih adalah aluminium 99,999%. Setelah kontak terbentuk, maka proses selanjutnya adalah pemasangan kawat tembaga pada kontak, yaitu dengan cara memasang kawat dengan aluminium menggunakan pasta perak. Selanjutnya, dilakukan penyinaran dengan lampu pijar 100 watt selama kurang lebih 1 jam di permukaan sampel yang telah ditempeli dengan pasta perak. Hal ini bertujuan untuk mengeringkan pasta perak sehingga kawat dapat menyatu dengan aluminium di permukaan sampel sehingga terbentuklah kontak, untuk memudahkan proses karakterisasi film LiNbO3. L RA (3.2) Keterangan: σ adalah konduktivitas listrik (S/m), L adalah jarak antar kontak (m), A adalah luas kontak (m2), R adalah resistansi (ohm atau 1/S). Gambar 3.4. Rangkaian untuk menghitung konstanta dielektrik film LiNbO3 Keterangan: R adalah resistansi (ohm), C adalah kapasitansi film (Farad), V adalah tegangan film (m), A adalah luas kontak (m2), VR adalah tegangan pada resistansi ( volt) dan VC adalah tegangan pada kapasitansi (volt)). b. Karakterisasi arus-tegangan I-V menggunakan I-V meter Pengukuran hubungan arus dan tegangan menggunakan alat I-V meter. Data keluaran dari alat I-V meter merupakan nilai arus dan tegangan, kemudian dibuat kurva hubungan tegangan dan arus dengan menggunakan microsoft excel. Dari kurva hubungan arus dan tegangan (I-V) terang Gambar 3.3 Alat metalisasi film dan gelap dapat diketahui karakteristik film yang dibuat bersifat dioda, resistansi atau kapasitansi. c. Karakterisasi sifat absorbansi dan reflektansi optik Alat yang digunakan, yaitu spektrofotometer model ocean optics DTmini-2. Karakterisasi sifat optik absorbansi dan reflektansi dilakukan untuk mengetahui tingkat absorbansi, reflektansi dan energy gap film. Energy gap diperoleh dengan cara menentukan energy gap film LiNbO3 berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi pada Gambar 4.3-4.6 [33]. d. Karakterisasi konstanta dielektrik Pada karakterisasi ini digunakan rangkaian seperti pada Gambar 3.1. Dari rangkaian pengukuran ini ditentukan time constant dan nilai kapasitansi film sedangkan penentuan besar konstanta dielektriknya dapat menggunakan persamaan 3.3. (3.3) Keterangan: ɛ adalah konstanta dielektrik, C adalah kapasitansi film (Farad), d adalah ketebalan film (m), A adalah luas kontak (m2), ɛ0 adalah permitivitas ruang hampa (8,85 x 10-12 F/m). Permitivitas relatif ɛ menunjukkan sifat kemampuan polarisasi dan menyimpan energi. e. Karakterisasi XRD Karakterisasi XRD dilakukan untuk menentukan model struktur kristal film yang telah dibuat, lalu dari hasil pengujian dapat digunakan untuk mencari indeks miller dan parameter kisi struktur kristal film. Sistem kristal trigonal adalah sistem kristal yang hanya dimiliki titik kelompok yang memiliki lebih dari satu sistem kisi terkait dengan kelompok ruang mereka: kisi heksagonal dan rhombohedral kedua muncul. Dalam sistem rhombohedral, kristal digambarkan oleh vektor yang sama panjang, dua di antaranya adalah ortogonal . Sistem rhombohedral dapat dianggap sebagai sistem kubik membentang sepanjang tubuh diagonal a = b = c;. α = β = γ ≠ 90 ° [14]. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Film yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p, sedangkan lapisan LiNbO3 merupakan semikonduktor tipe-n [34]. Persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n dikenal dengan nama p-n junction [35]. Dengan adanya p-n junction, maka film yang dibuat sama dengan karakteristik dari dioda. Sifat optik, sifat listrik, dan struktur film pada waktu annealing 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam pada molaritas 0,5 M, 1 M, 2 M masing-masing menunjukkan hasil yang berbeda. Perbedaan ini mengindikasikan adanya pengaruh lama annealing terhadap film dan juga pengaruh molaritas terhadap film. 4.1 Sifat Optik Film Alat yang digunakan dalam karakterisasi sifat optik film LiNbO3, yaitu spektrofotometer. Dalam spektrofotometer fenomena yang terjadi merupakan interaksi sampel dengan panjang gelombang yang dibangkitkan dari sumber. Panjang gelombang yang digunakan yaitu panjang gelombang cahaya tampak. Karakterisasi ini dilakukan untuk mengetahui tingkat absorbansi dan reflektansi film yang dihasilkan pada panjang gelombang cahaya tampak. Setelah dilakukan karakterisasi diperoleh kurva hubungan absorbansi dengan panjang gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1. Dari kurva tersebut dapat dilihat film LiNbO3 pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam menyerap cahaya paling banyak pada panjang gelombang 570-600 nm (warna kuning) dan paling rendah pada panjang gelombang 450-500 nm (warna biru). Film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 22 jam menyerap cahaya paling banyak pada panjang gelombang 450-500 nm dan 570-600 nm sedangkan paling rendah pada panjang gelombang 500-550 nm (warna hijau) dan 620-750 nm (warna merah). Film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam paling banyak menyerap panjang gelombang warna biru dan merah sedangkan paling rendah pada panjang gelombang warna hijau. Sedangkan film LiNbO3 pada molaritas 2 M dan waktu 9 Tabel 4.2 Indeks bias dan energy gap film LiNbO3 Film LiNbO3 pada molaritas (M) dan waktu annealing (jam) 0,5 ; 15 Indeks bias Energy gap Eg (eV) 1,93 2,54 1 ; 15 1,64 3,12 1 ; 22 1,31 2,97 2 ; 22 1,60 3,19 Film LiNbO3 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam Film LiNbO3 1 M, pada waktu annealing 15 jam Film LiNbO3 1 M, pada waktu annealing 22 jam Film LiNbO 2 M, pada waktu annealing 22 jam 5 4 Absorbansi (a.u) annealing 22 jam, kurva absorbansi yang diperoleh hampir membentuk garis lurus horizontal, artinya tingkat absorbansinya hampir sama untuk setiap panjang gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1. Selain pengukuran absorbansi juga dilakukan pengukuran terhadap besar reflektansi film. Kurva reflektansi yang dihasilkan merupakan kebalikan dari absorbansi. Jadi dapat disimpulkan bahwa film LiNbO3 pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam paling banyak mereflektansi cahaya daripada film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam, film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 22 jam serta film LiNbO3 pada molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam karena tingkat absorbansinya paling rendah. Perbedaan absorbansi ini mungkin disebabkan oleh jarak atom pada kristal film dari setiap sampel berbeda-beda. Tabel 4.2 menunjukkan nilai indeks bias dan energy gap film. Indeks bias dapat dicari dengan menggunakan persamaan 2.2, sedangkan energy gap diperoleh dengan memplotkan kurva (αhν)2 terhadap energi, dengan E = , ( keterangan: α adalah koefisien absorbansi, h adalah konstanta planck 4,136 x 10-15 eV.s, ν adalah frekuensi, c adalah kecepatan cahaya 2,998 x 108 m/s, dan λ adalah panjang gelombang dalam satuan meter). Pada Gambar 4.3-4.6 dapat dilihat pengaruh lama annealing film terhadap sifat optiknya. Film LiNbO3 dengan molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam memiliki persen reflektansi dan indeks bias paling besar, sedangkan film dengan molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam memiliki persen reflektansi dan indeks bias paling kecil, artinya semakin lama proses annealing dilakukan dan semakin besar molaritas maka film LiNbO3 memiliki indeks bias yang semakin kecil dan energy gap film meningkat. Panjang gelombang cahaya tampak ditabelkan dalam Tabel 4.1 [27]. 3 2 1 0 400 500 600 700 800 900 Panjang gelombang (nm) Gambar 4.1 Hubungan absorbansi dan panjang gelombang Film LiNbO3 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam Film LiNbO3 1 M, pada waktu annealing 15 jam Film LiNbO3 1 M, pada waktu annealing 22 jam Film LiNbO 2 M, pada waktu annealing 22 jam Tabel 4.1 Spektrum panjang gelombang cahaya tampak Spektrum Ungu Biru Hijau Kuning Jingga Merah Panjang gelombang (nm) 380 - 450 450 - 495 495 - 570 570 - 590 590 - 620 620 - 750 Gambar 4.2 Hubungan reflektansi dan panjang gelombang 10 3e+12 6e+12 3e+12 5e+12 Eg=2,54 eV 2e+12 Eg=2,97 eV 4e+12 1e+12 3e+12 1e+12 2e+12 5e+11 1e+12 0 0 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 1,6 1,8 2,0 2,2 Energi (eV) Gambar 4.5 Gambar 4.3 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 Energi (eV) Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 1 M, pada waktu annealing 22 jam. Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam. 3e+12 3,5e+13 Eg = 3,19eV 3e+12 3,0e+13 Eg=3,12 eV 2e+12 2,5e+13 1e+12 2,0e+13 1,5e+13 1e+12 1,0e+13 5e+11 5,0e+12 0 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 0,0 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 Energi (eV) Gambar 4.4 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 1 M, pada waktu annealing 15 jam. 4.2 Konstanta Dielektrik Konstanta dielektrik (ε) film dicari dengan menggunakan rangkaian seperti pada Gambar 3.1 dengan cara memberikan tegangan masukkan berupa sinyal kotak dari generator dengan frekuensi 20 kHz dan hambatan yang digunakan, yaitu 10 kΩ, sedangkan tegangan yang diberikan, yaitu 1 volt, 3 volt dan 5 volt. Sinyal keluaran yang dihasilkan tampak pada osiloskop seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.8, Gambar4.9, dan Gambar 4.10. Dari sinyal keluaran tersebut dicari time constant (τ) untuk mendapatkan nilai kapasitansi dan konstanta dielektrik film. Time constant (τ) itu sangat mempengaruhi nilai kapasitansi yang selanjutnya juga mempengaruhi konstanta dielektrik film. Terdapat perbedaan sinyal keluaran pada osiloskop sebelum dan sesudah film Energi (eV) Gambar 4.6 Cara menentukan energy gap film berdasarkan kurva menurut (αhν)2 terhadap energi 2 M, pada waktu annealing 22 jam. dipasang. Sebagai contoh, pada Gambar 4.8 (a) dan Gambar 4.8 (b) terlihat perbedaan antara sinyal keluaran pada osiloskop sebelum dan sesudah film dipasang. Pada Gambar 4.8 (a) sinyal pada osiloskop masih berbentuk kotak sedangkan pada Gambar 4.8 (b) ada perubahan pada peak sinyal berupa pemotongan sinyal berupa lengkungan karena pada saat itu terjadi pengisian atau pengosongan muatan. Peristiwa pengisian atau pengosongan muatan ini mengindikasikan film dapat menyimpan muatan seperti halnya kapasitor. Dalam penelitian ini variasi tegangan yang digunakan yaitu, 1 volt, 3 volt dan 5 volt. Konstanta dielektrik (ε) yang diperoleh ketika diberikan tegangan berbeda menghasilkan ε yang berbeda. 11 Dari data yang diperoleh nilai ε semakin kecil ketika tegangannya ditingkatkan hal ini sesuai dengan persamaan 4.1 [38]. (4.1) Keterangan: d adalah ketebalan film (m), adalah kapasitansi (coulomb/volt atau farad), ε adalah konstanta dielektrik (F/m), A adalah luas kontak (m2). Nilai ε semakin kecil ketika tegangannya ditingkatkan mengakibatkan penurunan kapasitansi. Oleh karena itu penurunan kapasitansi menjadikan nilai konstanta dielektrik film semakin kecil. Tabel 4.3 Nilai konstanta dielektrik film LiNbO3 Film LiNbO3 pada molaritas (M) dan waktu annealing (jam) 0,5 ; 1 Ketebalan film (x 10-6 m) Konstanta dielektrik V= 1 volt V= 3volt V= 5volt 0,442 10,3 9,0 7,6 1;8 0,608 18,7 13,1 12,5 1 ; 15 1,888 50,1 48,4 40,4 2 ; 22 2,157 54,6 51,7 44,3 Tabel 4.3 dapat dilihat ada peningkatan konstanta dielektrik (ε) film pada tegangan 1 volt, 3 volt dan 5 volt jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar. Dalam penelitian ini ε paling besar dimiliki oleh film pada waktu annealing 22 jam dan molaritas 2 M dan ε paling kecil dimiliki oleh film pada waktu annealing 1 jam dan molaritas 0,5 M. Hal ini disebabkan oleh ketebalan film yang semakin meningkat. 4.3 Arus-Tegangan (I-V) Pengukuran I-V film dilakukan dalam kondisi gelap dan kondisi disinari dengan intensitas cahaya 405 lux. Hasil pengukuran I-V menunjukkan film yang telah dibuat peka terhadap cahaya karena terjadi pergeseran kurva dari gelap ke terang ketika diberikan tegangan dari -10 volt hingga +10 volt. Arus yang dihasilkan film pada kondisi terang lebih besar daripada kondisi gelap karena pemberian cahaya pada film mengakibatkan film tersebut menjadi lebih konduktif. Terjadinya sifat konduktif pada film karena adanya energi foton dari luar yang diserap oleh elektron yang dipengaruhi oleh kondisi terang dan kondisi gelap. Pada kondisi ini, energi foton memiliki kencenderungan memberikan energi cukup bagi difusi elektron, sehingga peningkatan difusi ini mengakibatkan terjadinya rekombinasi elektron dan hole lebih banyak [39-41]. Dari karakterisasi I-V yang telah dilakukan dapat dikatakan bahwa film yang telah dibuat bersifat fotodioda. Dari karakterisasi I-V didapat bahwa waktu annealing 22 jam adalah waktu annealing terbaik dibandingkan dengan waktu annealing yang lain, yaitu waktu annealing 1 jam, waktu annealing 8 jam dan waktu annealing 15 jam. Kriteria film LiNbO3 yang memperlihatkan waktu annealing yang terbaik 22 jam yaitu kurva I-V terang dan kurva I-V gelap yang berbentuk dioda. 4.4 Konduktivitas Listrik Nilai konduktivitas listrik bahan material yang saya teliti menunjukkan material bersifat semikonduktor. Besarnya nilai konduktivitas listrik berbanding terbalik dengan resistansinya. Konduktivitas listrik meningkat jika resistansi bahan material menurun [41]. Dalam penelitian ini pengukuran konduktivitas listrik film menggunakan LCR meter model HIOKI 3522-50. Dari hasil pengukuran didapatkan nilai seperti dalam Tabel 4.4. Nilai konduktivitas listrik film meningkat jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar. Film pada waktu annealing 1 jam dan molaritas 0,5 M memiliki konduktivitas listrik paling kecil daripada film pada waktu annealing 8 jam dan molaritas 1 M, molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam serta molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam. Tabel 4.4 Nilai konduktivitas film LiNbO3 berdasarkan perbedaan waktu annealing dan molaritas Molaritas (M) dan waktu annealing (jam) Konduktivitas listrik (x 10-3 S/m) 0,5 ; 1 1;8 1 ;15 2 ; 22 1,49 2.05 2,27 6,66 Semakin meningkatnya konduktivitas listrik disebabkan oleh ketebalan film yang semakin besar dan lamanya waktu annealing 12 yaitu film pada waktu annealing 22 jam memiliki konduktivitas paling besar serta berdasarkan perbedaan molaritas. Besarnya ukuran butir mempengaruhi konduktivitas listrik film, hal ini sesuai dengan persamaan 4.2 [44]. σ=L.e2.N.(2π.m.k.T)-1/2exp(-E/k.T) (4.2) Keterangan: σ adalah konduktivitas listrik (S/m), E adalah energi (J), L adalah ukuran panjang butir (m), N adalah konsentrasi pembawa muatan (m-3). (a) Berdasarkan literatur suatu bahan material dikatakan bersifat semikonduktor jika nilai konduktivitas listriknya berkisar antara 10-8 S/cm sampai 103 S/cm [45]. Dari data nilai konduktivitas listrik film yang diperoleh dapat dikatakan bahwa film ini merupakan bahan material semikonduktor karena nilai konduktivitas listrik yang didapatkan berkisar dalam konduktivitas listrik semikonduktor seperti yang 4.4. ditunjukkan dalam Tabel (d) (b) (e) (c) Gambar 4.7 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 1 volt a) Sinyal keluaran sebelum film dipasang. b) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 1 jam annealing dipasang c) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 8 jam annealing dipasang d) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 15 jam annealing dipasang e) Sinyal keluaran setelah film 0,5 M dan 22 jam annealing dipasang 13 (d) (a) (b) (e) Gambar 4.8 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 3 volt a) Sinyal keluaran sebelum film dipasang. b) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 1 jam annealing dipasang c) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 8 jam annealing dipasang d) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 15 jam annealing dipasang e) Sinyal keluaran setelah film 1 M dan 22 jam annealing dipasang (c) 14 (d) (a) (b) (e) Gambar 4.9 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 5 volt a) Sinyal keluaran sebelum film dipasang. b) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 1 jam annealing dipasang c) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 8 jam annealing dipasang d) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 15 jam annealing dipasang e) Sinyal keluaran setelah film 2 M dan 22 jam annealing dipasang (c) 15 Terang [0, 0, 0] Curren t_1 (1) 2.00E-03 Arus (A) 1.00E-03 0.00E+00 Gelap 6.00E-03 4.00E-03 Arus (A) 3.00E-03 2.00E-03 0.00E+00 -5.00E+01 0.00E+00 5.00E+01 -1.00E-03 -5.00E+01 0.00E+00 5.00E+01 -2.00E-03 -2.00E-03 -4.00E-03 Tegangan (V) Tegangan (V) Gambar 4.10 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 0,5 M, pada waktu annealing 15 jam [0, 0, Gelap 0] Curren t_1 (1) Terang [0, 0, 0] Curren t_1 (1) Gambar 4.12 Hubungan arus dan tegangan ( I-V) terang dan gelap molaritas 1 M, pada waktu annealing 22 jam 1.00E-03 5.00E-04 Arus (A) 3.00E-04 2.00E-04 1.00E-04 0.00E+00 -5.00E+01 0.00E+00 5.00E+01 -1.00E-04 [0, 0, 0] Current _1 (1) [0, 0, 0] Current _1 (1) Arus (A) 5.00E-04 4.00E-04 0.00E+00 -5.00E+01 0.00E+00 5.00E+01 -5.00E-04 -1.00E-03 Tegangan (V) [0, 0, 0] Gelap Current _1 (1) Terang [0, 0, 0] Current _1 (1) Tegangan (V) Gambar 4.11 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 1 M, pada waktu annealing 15 jam 4.5 Hasil Karakterisasi XRD Gambar 4.14 pada halaman 16 menunjukkan pola difraksi sinar-X film yang dihasilkan. Puncak-puncak difraksi yang terbentuk mengindikasikan partikel film memiliki distribusi orientasi kristal. Dari puncak-puncak difraksi tersebut dapat ditentukan indeks miller (h k l) dengan menganggap struktur kristal LiNbO3 merupakan struktur rhombohedral. Difraksi tiap film terjadi pada bidang (2 0 0) hal ini disebabkan oleh banyaknya bidang pendifraksi pada bidang (2 0 0) yang memiliki parameter kisi yang sama dengan jarak yang berdekatan, sehingga gelombanggelombang yang mengalami difraksi tidak terlalu berbeda fase dan cenderung konstruktif [37]. Pada Gambar 4.1 dapat dilihat intensitas difraksi terendah terjadi pada bidang (110) bahkan pada molaritas 2 M dan waktu annealing 15 jam tidak Gambar 4.13 Hubungan arus dan tegangan (I-V) terang dan gelap molaritas 2 M, pada waktu annealing 22 jam terdapat bidang (110), hal ini disebabkan oleh difraksi sinar X yang terjadi berupa interferensi destruktif sehingga gelombang yang dihamburkan akan saling menghilangkan. Hal lain yang bisa mengakibatkan bidang (110) tersebut hilang, yaitu pada bidang tersebut hanya terdapat sedikit bidang pendifraksi. Indeks miller yang diperoleh dapat digunakan untuk menentukan parameter kisi LiNbO3 dalam struktur trigonal [36]. Perbedaan dari empat substrat yang dibuat adalah pada tingginya intensitas difraksi. Secara keseluruhan intensitas difraksi tertinggi dimiliki oleh film LiNbO3 pada molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam. Sedangkan intensitas difraksi yang paling rendah dimiliki oleh film LiNbO3 pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam. Oleh sebab itu dapat dikatakan bahwa film LiNbO3 pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam memiliki 16 struktur kristal paling baik daripada sampel yang lain, karena semakin tinggi puncak intensitas difraksi menunjukkan semakin banyaknya jumlah bidang pendifraksi yang seragam dalam orientasi bidang yang sama [38]. Perbedaan lainnya, yaitu adanya pergeseran sudut difraksi pada bidang (110). Pada penelitian ini bidang (110) untuk LiNbO3 terjadi pada 2θ = 31,61o (film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam) sedangkan peneliti lain memperoleh sudut difraksi bidang (110) untuk LiNbO3 yaitu 2θ = 31,99o. Pada film LiNbO3 dengan molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam bidang (110) terjadi pada 2θ = 33,74o, sudut difraksi ini mendekati sudut difraksi untuk 2-metoksietanol [H3COOCH2CH2OH, 99.9%], yaitu 2θ = 33,10o, sedangkan pada film LiNbO3 dengan molaritas 1 M, dan waktu annealing 15 jam bidang (110) terjadi pada 2θ = 30,90o, sudut difraksi ini mendekati sudut difraksi lithium asetat [(LiO2CH3), 99,9%], yaitu 2θ = 31,15o [36]. Pergeseran sudut difraksi film karena adanya pengaruh lama waktu annealing. a A Sampel b B Sampel c C Sampel Sampel d D Film pada waktu annealing 8 jam memunculkan bidang (110). Ketika waktu annealing 8 jam memunculkan bidang (110) LiNbO3 dan ketika lama annealing ditingkatkan menjadi 15 jam memunculkan bidang (110) untuk lithium asetat [(LiO2CH3), 99,9%]. Sedangkan film pada waktu annealing 22 jam tidak terdapat bidang (110) seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Besar parameter kisi dapat dilihat pada Tabel 4.6 yang diperoleh dengan metode analitik (dapat dilihat pada Lampiran 3). Dari tabel tersebut dapat dilihat film LiNbO3 pada molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam pada suhu 900OC memiliki parameter kisi dan intensitas difraksi paling besar dibanding film yang lainnya. Dalam penelitian ini parameter kisi a dan b setiap sampel berkisar dari 4,008 - 4,203 Å dan parameter kisi c dari 4,017 - 4,214 Å. Sedangkan dalam JCPDS- International Centre for Diffraction Data (ICDD) dipaparkan bahwa parameter a, b dan c adalah 3,977 Å [36]. Tabel 4.5 Taksiran sudut difraksi dan indeks miller film LiNbO3 Sudut difraksi (2θ) Molaritas (M) dan waktu annealing (jam) 0,5 ; 15 1 ; 15 1 ; 22 2 ; 22 Indeks miller (hkl) 33,74* 38,12 44,49 64,84 77,80 (110) (111) (200) (220) (311) 31,61 38,33 44,03 64,40 77,54 30,90** 37,98 44,52 64,82 77,88 37,97 44,49 64,80 77,89 Keterangan:* = sudut difraksi ini mendekati sudut difraksi untuk 2-metoksietanol [H3COOCH2CH2OH, 99.9%]. ** = sudut difraksi ini mendekati sudut difraksi lithium asetat [(LiO2CH3), 99,9%]. - = tidak ada sudut. 0 20 40 60 80 100 2 Theta Gambar 4.14 Pola difraksi sinar-X film LiNbO3 Ket: a) film pada molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam; b) film pada molaritas 1 M dan waktu annealing 22 jam; c) film pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam; d) film pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam. Tabel 4.6 Parameter kisi film LiNbO3 berstruktur rhombohedral Film LiNbO3 Parameter kisi ( Å ) pada a=b=c molaritas (M) dan waktu annealing (jam) 0,5 ; 15 4,214 1 ; 15 4,052 1 ; 22 4,017 2 ; 22 4,018 Tabel 4.6 memperlihatkan parameter kisi a, b, dan c film yang nilainya cenderung menurun jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar. Semakin lama proses annealing sampai batas waktu annealing 22 jam akan mengakibatkan ukuran butir kristal film membesar seperti yang pernah dilakukan oleh peneliti lain [23]. Membesarnya ukuran butir mempengaruhi jarak atom-atom dalam kristal yang semakin berdekatan sehingga mengakibatkan parameter kisi menurun. 5.2 Dalam pembuatan film LiNbO3 selanjutnya disarankan untuk dilakukan proses annealing lebih dari 22 jam yaitu 29 jam untuk mendapatkan hasil yang lebih baik sampai dicapai nilai optimum sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur dari film LiNbO3 karena nilai optimum sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur dari film LiNbO3 belum dicari. DAFTAR PUSTAKA [1] BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN [2] 5.1 Kesimpulan Film LiNbO3 telah berhasil dibuat pada waktu annealing 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam, suhu tetap 900oC dan molarisasi 0,5 M, 1 M, 2 M. Hasil karakterisasi sifat listrik film menunjukkan bahwa film yang telah dibuat merupakan fotodioda dan termasuk material semikonduktor. Konstanta dielektrik dan konduktivitas listrik film meningkat jika waktu annealing lebih lama dan molaritas yang semakin besar dan yang terbaik adalah 2 M, pada waktu annealing 22 jam. Kriteria film yang terbaik dari segi konstanta dielektrik dan konduktivitas film dilihat pada ketebalan filmnya, yaitu semakin tebal film maka film tersebut semakin baik ditunjukkan dengan semakin meningkatnya konduktivitas film dan konstanta dielektrik. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa besar molaritas dan lama waktu annealing dapat mempengaruhi sifat listrik film. Hasil karakterisasi sifat optik menunjukkan bahwa film pada molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam menyerap cahaya tampak paling banyak, tetapi tidak terlalu peka terhadap perbedaan panjang gelombang. Setelah dilakukan uji sifat struktur berupa karakterisasi XRD dapat disimpulkan bahwa film LiNbO3 berstruktur rhombohedral dan film yang memiliki struktur kristal paling baik, yaitu film LiNbO3 pada waktu annealing 22 jam dan molaritas 2 M. Setelah dilakukan karakterisasi sifat listrik, sifat optik dan sifat struktur dapat disimpulkan bahwa film LiNbO3 paling baik yang dihasilkan, yaitu film LiNbO3 pada waktu annealing 22 jam dan molaritas 2 M. Saran [3] [4] [5] [6] [7] [8] Wasa, K. Kitabatakae, M. Adachi, H. 2004. Thin Film Materials Technology Sputtering of Compound Materials. William Andrew Inc. Simoes, A.Z, etc. 2003. LiNbO3 thin films prepared through polymeric precursor method. Material Letters. 57 2333– 2339. Adem, U. 2003. Preparation of BaxSr1-xTiO3 thin films by chemical solution deposition and their electrical characterization. Tesis. The Middle East Technical University. Gevorgian, S. 2009. Ferroelectrics in microwaves devices, circuits and systems. chalmers University of Technology, Department of Microtechnology and Nanoscience, Gothenburg, Sweden. Bottger, U. 2005. Dielectric properties of polar oxides. Institut f¨ur Werkstoffe der Elektrotechnik, RWTH Aachen, Germany. Irzaman, Darmasetiawan, H, Indro, M.N, etc. 2000. Electrical properties of crystalline Ba0.5Sr0.5TiO3 thin films. Department of Physics. FMIPA. IPB. [Anonim].2011.Alat karakterisasi xrd difraction. Available at <http://materialcerdas.wordpress.co m/alat-karakterisasi/xrd-x-raydiffraction/>. [29 Februari 2012]. [Anonim]. 2011. Molaritas. Available at <http://id.wikipedia.org/wiki/Molaritas>. [9] [10] [21 November 2011]. [Anonim].2012.Mikroskop elektron. Available at <http://id.wikipedia.org/wiki/Mikroskop elektron >. [19 Januari 2012]. [Anonim]. 2011. Konstanta dielektrik. Available at 18 [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] <http://id.wikipedia.org/wiki/Konstan ta_dielektrik >. [4 September 2011]. [Anonim].2011.Elektron mikroskop. Available at <http://staff.ui.ac.id/internal/1316446 78/material/Electron Mikroskop.pdf>. [28 Februari 2012]. [Anonim]. 2011. Lithium niobate. Available at <http://id.wikipedia.org/wiki/niobate_Li thium>. [28 Februari 2012]. [Anonim]. 2011. Annealing. Available at <http://www.scribd.com/doc/523868 15/23/Annealing>. [28 Februari 2012]. [Anonim]. 2011. Trigonal system kristal. Available at <http://en.wikipedia.org/wiki/Trigon al_crystal_system>. [15 November 2011]. Erviansyah R. 2010. Studi karakteristik sensor cahaya dan sensor suhu berbasis film tipis Ba0,25Sr0,75TiO3 (BST) yang didadah Ferium Oksida (BFST) menggunakan metode chemical solution deposition. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor, Bogor. Wijaya S.K.2005. Diktat Elektronika 1. Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia, Depok. Hamasah. 2009. Fotodioda. Availa bleat http://mhdfaisal.wordpress.com/2009 /12/03/fotodioda/. [26 Maret 2011]. Hamamatsu.2007. Silicon photodiode technical. Available at http:// www.sales. hamamatsu.com. [25 Agustus 2010]. Irzaman, Maddu A, Syafutra H, Ismangil A.2010. Uji konduktivitas listrik dan dielektrik film tipis lithium tantalate ( LiTaO3 ) yang didadah niobium pentaoksida (Nb2O5) menggunakan metode chemical solution deposition, di dalam: Prosiding seminar nasional fisika. Bogor. 176-177. Sinaga P.2009. Pengaruh temperatur annealing terhadap struktur mikro, sifat listrik dan sifat optik dari film tipis oksida konduktif transparan ZnO:Al yang dibuat dengan teknik screen printing: J. Pengajaran MIPA 14, 51-57. [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] Kwok K.N. 1995.Complete Guide To Semiconductor Device. McGraw-Hill inc. Omar M.A. 2007. Elementary Solid State Physics. Addison-Wesley Publishing Inc. Aji S.B, Asnawi, F, Susilaningtyas, L, Indah, N.2009. X-ray difractometer. Universitas Sebelas Maret Surakarta, Surakarta. Samsiah R. 2009. Karakterisasi biokomposit apatit-kitosan dengan XRD (X-Ray Diffraction), FTIR (Fourier Transform Infrared), SEM (Scanning Electron Microscopy) dan uji mekanik. [Skripsi]. Program Sarjana, Institut Pertanian Bogor. Bogor. Supriyanto E, Goib W, Sutanto E, Subagio A.2007. Studi pengaruh temperatur penumbuhan terhadap struktur kristal: J Matematika dan Sains 12, 71. Caprette D.R. 2009. Experimental bioscience. Available at <http:// www.ruf.rice.edu/~bioslabs/methods/ protein/spectrophotometer.html>. [26 Maret 2011]. Wanibesak E. 2011. Spektrofotometri sinar tampak (visibel). Available at <http://wanibesak.wordpress.com/20 11/02/21/Spektrofotometri-sinartampak- visible>. [21 Februari 2011]. Swenson J. 2009. Refractive Index of Minerals. Newton BBS. Incorporates Public Domain material from the U.S. Department of Energy, Argonne National Laboratory, US DOE. Irzaman, Darvina, Y, Fuad, A, Arifin, P, Budiman, M, Barmawi, M.2003. physical and pyroelectric properties of tantalum oxide doped lead zirconium titanate [Pb0,9950(Zr0,525Ti0,010)O3] thin films and its application for infra red sensor. Physica Status Solidi Germany 3, 199. Kugeler C, Wiedenbruck, R. 2006. Integration of Ferroelectric Thin Films into Silicon Based Microsystems. William Andrew Inc. Chaidir A, Kisworo D. 2007. Pengaruh pemanasan terhadap struktur mikro, sifat mekanik dan korosi paduan Zr-Nb-Sn-Fe [Hasilhasil Penelitian EBN]. ISSN 08545561. 19 [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] Umiati N.A.K, Irzaman, Budiman, M, Barmawi, M. 2001. Efek annealing pada penumbuhan film tipis ferroelektrik PbZr0,625Ti0,375O3 (PZT): Kont Fis Indo 12, 94-98. Pimpabute N, Burinpakhon T, Somkhunthot W. 2011. Determination of optical constants and thickness of amorphous GaP thin film: J. Optica Applicata 41, 259267. Krane K. 1992. Fisika Modern. Penerjemah Hans J. Universitas Indonesia. Depok. Blackburn J.A. 2001. Modern Instumentation for Scientists and Engineers. Spinger Verlag, New York Inc. JCPDS.1997. International Centre for Diffraction Data. U.S.A : Campus Boulevard. Tipler P.A. 1991. Physics for Scientist and Engineers. Worth Publisher Inc. Suhandi, A, Sutanto, H, Arifin, P, Budiman, M, Barmawi.2005. Karakteristik film tipis GaAs yang ditumbuhkan dengan metode MOCVD menggunakan sumber metalorganik TDMAAs (Trisdimethylaminoarsenic): J Matematika dan Sains 10, 11-15. Hamdani, Komaro M, Rahmat, Irzaman. Uji konduktivitas listrik film tipis ferroelektrik LiTaO3 didadah niobium. Institut Pertanian Bogor, Bogor. Wijaya S.K. 2010. Optoelektronika. Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia, Depok. Arief A, Irzaman, Dahrul M, Syafutra H.2010. Uji arus-tegangan film tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan pendadah niobium penta oksida sebagai sensor cahaya, di dalam: Prosiding, 206-212. Syafutra H. 2010. Pengintegrasian sensor cahaya tampak berbasis film tipis ferroelektrik Ba0,25Sr0,75TiO3 pada mikrokontroler ATMega8535. [Tesis]. Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Bogor. Jorena.2000. Menentukan energi gap semikonduktor silikon melalui pengukuran resistansi bahan pada suhu beragam: J penelitian sains 12, 19. [44] [45] Seung Y.M. 2007. Temperature dependence of the conductivity in large grained boron doped ZnO films: J. Solar energy material and solar cell 91, 1269-1274. Giancoli C.D.1998. Physics Fifth Edition. Prentice-Hall Inc, Berkeley. 20 LAMPIRAN Lampiran 1 . Diagram Alir Penelitian Mulai Persiapan Bahan dan Alat Pembuatan lithium niobate Lithium Asetat Niobium 2-metoksietanol Dihomogenkan menggunakan ultasonik model branson selama 1 jam Proses pendeposisian LiNbO3 menggunakan spin coater Annealing menggunakan furnace model vulcan 3-310 pada suhu 900°C selama 1 jam, 8 jam, 15 jam dan 22 jam. Film LiNbO3 Dilakukan karakterisasi: XRD, spektrofotometer, pengukuran I-V, konduktivitas listrik dan menentukan konstanta dielektrik Penulisan laporan hasil penelitian Selesai 21 Lampiran 2. Hasil karakterisasi XRD film LiNbO3 a) film pada molaritas 2 M dan waktu annealing Sampel A 22 jam; Sampel b) filmBpada molaritas 1 M dan waktu annealing 22 jam; Sampel C c) film pada molaritas 1 M dan waktu annealing Sampel D 15 jam; d) film pada molaritas 0,5 M, dan waktu annealing 15 jam 0 20 40 60 2 Theta 80 100 22 Lampiran 3. Data massa film sebelum dilakukan annealing dan sesudah proses annealing, contoh perhitungan time constant dan konstanta dielektrik, perhitungan konduktivitas listrik, perhitungan indeks miller dan parameter kisi. Data massa film sebelum dilakukan annealing dan sesudah annealing Film LiNbO3 pada molaritas (M) dan waktu annealing (jam) 0,5 ; 1 1;8 1 ; 15 2 ; 22 Massa film sebelum annealing (gram) Massa film setelah annealing (gram) 0,0471 0,0468 0,0339 0,0475 0,0470 0,0467 0,0336 0,0470 Contoh perhitungan time constant dan konsanta dielektrik Contoh perhitungan : volts/div = 1 volt sec/div = 10 µs = 3 volt V1 V2 = 5 volt Frekuensi = 20 kHz Hambatan (R) = 104 ohm ρft = 6,02 g/cm3 ε0 = 8,85 x 10-12 F/m = 1- e –t/RC t = τ , V = Vo ( 1- e – 1 ) V = Vo (1-0,368) V = Vo ( 1- e –t/τ ), τ = R C V = Vo ( 1- 1/e ) V = 0,63 Vo 1 M (waktu annealing 1 jam) Gambar 4.15 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 3 volt setelah film 1 M, pada waktu annealing 8 jam dipasang 23 Lanjutan Lampiran 3 M1 = 0,0471 gr M2 = 0,0470 gr Luas film ( Aft ) = 0,374 cm2 Luas kontak (Akontak ) = 2,09 x 10-6 m2 • Vo = 3 volt V = 0,63 . 3 = 1,89 volt, maka dari gambar diatas didapatkan time constant (τ) ketika V = 1,89 volt yaitu τ = 2,9 µs = 2,9 x 10 -6 s CLiNbO3 = τ /R = 2,9 x 10 -6 s / 10-4 Ω = 2,9 x 10-10 F d = M1-M2/ρft . Aft = 0,0471- 0,0470 / 6,02 . 0,374 d = 0,4442 x 10 -6 m ε = CLiNbO3.d /ɛ0. Akontak = 2,9 x10-10. 0,4442 x10-6/ 8,85 x10-12. 2,09 x10-6 = 6,9 Gambar 4.16 Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberika tegangan 5 volt setelah film 2 M, pada waktu annealing 1 jam dipasang Vo = 5 volt V = 0,63 . 5 = 3,15 volt, maka dari gambar diatas didapatkan time constant (τ) ketika V = 3,15 volt yaitu τ = 2,5 µs = 2,5 x 10-6 s CLiNbO3 = τ /R= 2,5 x 10 -6 s / 10-4 Ω = 2,5 x 10-10 F ε = CLiNbO3.d /ɛ0. Akontak = 2,5 x10-10. 0,4442 x10-6/ 8,85 x10-12. 2,09 x10-6 = 6,0 24 Lanjutan Lampiran 3 Contoh perhitungan konduktivitas listrik film Film LiNbO3 pada molaritas (M) dan waktu annealing (jam) 0,5 ; 1 1M;8 1 M ; 15 2 M ; 22 Jarak antar kontak L ( x 10-3 m ) Luas kontak A 10-6 m2) 2,5 1,2 2,1 2,3 diketahui 2,09 0,99 1,44 1,65 (x • 0,5 M dan 1 jam annealing 12493 106 25 103 209 106 !" #$ %&'( Mencari indeks miller dan parameter kisi dari kurva XRD Tabung x-ray Target Tegangan Arus Scan range Sampling pitch : Cu ,λcu = 1,54056 Å : 40.0 (kV) : 30.0 (mA) : 5.0000-90.0000 (deg) : 0.0200 Konduktansi G ( x 10-6 S) 1,2493 1,6874 1,5551 4,7808 Σ 5 4 3 2 1 No Puncak 311 220 200 111 110 hkl Σ 5 4 3 2 No Puncak 1 77.80 64.33 44.30 38.12 33.74 2θ 77.80 64.33 44.30 38.90 32.17 22.15 19.06 16.87 θ 38.90 32.17 22.15 19.06 16.87 33.74 38.12 θ 2θ 10 8 4 2 2 α 188 100 64 16 4 4 α2 1 0 0 1 0 θ 0.95534 0.81235 0.48778 0.38107 0.30850 Sin22 θ 2 1 0 0 1 0 θ2 12 10 0 0 2 0 θ α 0.39434 0.28341 0.14215 0.10664 0.08422 Sin2 θ Film LiNbO3 pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam 0.95534 0.81235 0.48778 0.38107 0.30850 Sin22 θ 0.19717 0.14170 0.07108 0.05332 0.04211 Sin2 θ /2 0.39434 0.28341 0.14215 0.10664 0.08422 Sin2 θ 0.13145 0.09447 0.04738 0.03555 0.02807 Sin2 θ 3 Lampiran 4. Tabel hasil perhitungan indeks miller, perhitungan parameter kisi 9.55342 8.12349 4.87784 3.81072 3.08497 δ 0.09858 0.07085 0.03554 0.02666 0.02105 Sin2 θ /4 205.09083 91.26780 65.99106 23.79331 14.52161 9.51704 δ2 0.07887 0.05668 0.02843 0.02133 0.01684 9.55342 0.00000 0.00000 3.81072 0.00000 θδ αδ 8 4 3 2 s 11 193.82483 95.53418 64.98791 19.51136 7.62145 6.16994 11.09248 7.97205 3.99870 2.99972 2.36897 Sin2 θ /A 13.36414 Sin2 θ /5 7.16096 3.94338 2.26725 0.56861 0.21328 0.16843 α sin2 θ 0.50098 0.39434 0.00000 0.00000 0.10664 0.00000 θ sin2 θ 311 220 200 111 110 hkl 7.42911 3.76727 2.30225 0.69340 0.40638 0.25981 δ sin2 θ 25 Σ 5 4 3 2 1 No Puncak Σ 5 4 3 2 No Puncak 1 311 220 200 111 110 hkl 78.15 64.97 44.55 2θ 78.15 64.97 44.55 38.33 31.61 θ 39.08 32.49 22.28 19.17 15.81 39.08 32.49 22.28 19.17 15.81 31.61 38.33 θ 2θ 10 8 4 2 2 α 0.95783 0.82099 0.49215 0.38464 0.27472 Sin22 θ 188 100 64 16 4 4 α2 2 1 0 0 1 0 θ 2 1 0 0 1 0 θ2 0.39732 0.28845 0.14368 0.10777 0.07418 Sin2 θ 12 10 0 0 2 0 θ α 0.95783 0.82099 0.49215 0.38464 0.27472 Sin2 θ 0.39732 0.28845 0.14368 0.10777 δ 9.57831 8.20993 4.92146 3.84635 13.42467 9.57831 0.00000 0.00000 3.84635 0.00000 θδ 11.06138 8.03045 4.00002 3.00039 2.06521 Sin2 θ /A 205.70914 91.74408 67.40287 24.22080 14.79444 7.54694 δ2 0.07946 0.05769 0.02874 0.02155 0.01484 Sin2 θ /5 2.74717 0.09933 0.07211 0.03592 0.02694 0.01855 Sin2 θ 4 0.07418 0.13244 0.09615 0.04789 0.03592 0.02473 Sin2 θ /3 Sin22 θ 0.19866 0.14423 0.07184 0.05389 0.03709 Sin2 θ /2 Film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 15 jam Lanjutan Lampiran 4 194.33544 95.78313 65.67940 19.68585 7.69271 5.49434 αδ 11 8 4 3 2 s 7.21951 3.97325 2.30763 0.57472 0.21555 0.14836 α sin2 θ 311 220 200 111 110 hkl 0.50510 0.39732 0.00000 0.00000 0.10777 0.00000 θ sin2 θ 7.49933 3.80570 2.36818 0.70712 0.41454 0.20379 δ sin2 θ 26 44.15 64.50 77.74 3 4 5 Σ 5 4 3 2 1 No Puncak 311 220 200 111 110 hkl 37.98 Σ 30.90 2 2θ No Puncak 1 77.74 64.50 44.15 37.98 30.90 2θ θ 38.87 32.25 22.08 18.99 15.45 38.87 32.25 22.08 18.99 15.45 θ 10 8 4 2 2 α 0.95491 0.81466 0.48517 0.37870 0.26372 Sin22 θ 188 100 64 16 4 4 α2 1 0 0 1 0 θ 2 1 0 0 1 0 θ2 0.39383 0.28474 0.14124 0.10589 0.07097 Sin2 θ 12 10 0 0 2 0 θ α 0.95491 0.81466 0.48517 0.37870 0.26372 Sin2 θ 0.39383 0.28474 0.14124 0.10589 δ 9.54908 8.14660 4.85167 3.78700 13.33609 9.54908 0.00000 0.00000 3.78700 0.00000 θδ 11.15338 8.06413 4.00002 2.99879 2.00984 Sin2 θ /A 202.38725 91.18497 66.36712 23.53869 14.34140 6.95507 δ2 0.07877 0.05695 0.02825 0.02118 0.01419 Sin2 θ /5 2.63725 0.09846 0.07119 0.03531 0.02647 0.01774 Sin2 θ /4 0.07097 0.13128 0.09491 0.04708 0.03530 0.02366 Sin2 θ /3 Sin22 θ 0.19691 0.14237 0.07062 0.05294 0.03548 Sin2 θ /2 Film LiNbO3 pada molaritas 1 M dan waktu annealing 22 jam Lanjutan Lampiran 4 192.91881 95.49082 65.17282 19.40668 7.57401 5.27449 αδ 11 8 4 3 2 s 7.13489 3.93826 2.27796 0.56496 0.21177 0.14194 α sin2 θ 311 220 200 111 110 hkl 0.49971 0.39383 0.00000 0.00000 0.10589 0.00000 θ sin2 θ 7.35378 3.76068 2.31970 0.68525 0.40100 0.18716 δ sin2 θ 27 Σ 4 3 2 1 No Puncak Σ 5 4 3 2 No Puncak 1 311 220 200 111 hkl 77.65 64.52 77.65 64.52 44.13 37.97 2θ 38.83 32.26 22.07 18.99 37.97 44.13 θ 2θ 38.83 32.26 22.07 18.99 θ 10 8 4 2 α 0.95425 0.81493 0.48482 0.37853 Sin22 θ 184 100 64 16 4 α2 1 0 0 1 θ 0.39306 0.28490 0.14112 0.10583 Sin2 θ 2 1 0 0 1 θ2 12 10 0 0 2 α θ 0.95425 0.81493 0.48482 0.37853 Sin2 θ 0.39306 0.28490 0.14112 δ 9.54254 8.14931 4.84818 13.32785 9.54254 0.00000 0.00000 3.78531 θδ 11.14111 8.07545 3.99997 2.99982 Sin2 θ /A 195.30483 91.06009 66.41132 23.50485 14.32858 δ2 0.07861 0.05698 0.02822 0.02117 Sin2 θ /5 3.78531 0.09826 0.07123 0.03528 0.02646 Sin2 θ /4 0.10583 0.13102 0.09497 0.04704 0.03528 Sin2 θ /3 Sin22 θ 0.19653 0.14245 0.07056 0.05292 Sin2 θ /2 Film LiNbO3 pada molaritas 2 M dan waktu annealing 22 jam Lanjutan Lampiran 4 187.58326 95.42541 65.19451 19.39272 7.57062 αδ 11 8 4 3 s 6.98594 3.93059 2.27922 0.56448 0.21167 α sin2 θ 311 220 200 111 hkl 0.49889 0.39306 0.00000 0.00000 0.10583 θ sin2 θ 7.15732 3.75078 2.32176 0.68417 0.40061 δ sin2 θ 28 ../! ! - - ".,-!,. 4 /#"/ 3 + 3 2 * 2 ../! ! 2= *#0##",2 2 * 2 2 * 2 -#0#"#,.1 ) 4!-" 1 A = D/10, B = λ2/(4c2) , C = λ2/(4a2) γ = l2 , δ = 10 sin2 2θ , a, b, c = parameter kisi, α = h2 + k2 , B= 6 ∆B = 0.0335933; 4 /#"/ Parameter kisi c = 9: 78 ".,-!,. 4 /#"/ + 3 + 3 * 2 * 2 #0##", ../! ! 2 = *#0##",2 5 * * 2 * 2 * 2 * 2 ) ".,-!,. 4!-" -#0#"#,.1 ) 4!-" 1 Dari matriks B tersebut, diperoleh ∆ B = 34.780874; ,, = 4.203 Å Dari matriks A di atas diperoleh determinan (D) = 1035.3503 + * A= * * * ) ".,-!,. ,, Keterangan : ∑ δ sin2 θ = C ∑ αδ + B ∑ γδ + A ∑ δ2 ∑ γ sin2 θ = C ∑ αγ + B ∑ γ2 + A ∑ γδ ∑ α sin2 θ = C ∑ α2 + B ∑ αγ + A ∑ αδ Metode cohen dan cramer ../! ! - - 4 /#"/ 3 + 3 2 * 2 ../! ! 2 = *#0##",2 2 * 2 2 * 2 -#0#"#,.1 ) 4!-" 1 ".,-!,. < ∆: = 0.033409 => 9< = 4.214 Å Film LiNbO3 2 M annealing 22 jam : a=b= 4,018 Å , c= 4,027 Å Film LiNbO3 1 M annealing 22 jam: a=b= 4,017 Å , c= 4,008 Å Film LiNbO3 1 M annealing 15 jam: a=b= 4,052 Å , c= 4,065 Å dengan cara yang sama diperoleh parameter kisi untuk film LiNbO3 yang lainnya yaitu : Parameter kisi a=b = B= Dari matriks C di atas diperoleh ∆ C = 34.590058 4 /#"/ + * ; *#0##", * * )4!-" Mencari Parameter kisi film LiNbO3 pada molaritas 0,5 M dan waktu annealing 15 jam Lanjutan Lampiran 4 29 30 Lampiran 5. Menentukan indeks bias dan energy gap Mencari indeks bias dapat menggunakan persamaan n = 1 1 , R merupakan reflektansi maksimum yang dapat diperoleh dari kurva persen reflektansi terhadap. panjang gelombang. Contoh perhitungannya sebagai berikut. Misalkan pada kurva persen reflektansi film LiNbO3 1 jam annealing, dari kurva tersebut reflektansi maksimum pada panjang gelombang 450 nm dengan persen reflektansi sebesar .9 %. ??@@ n = ??@@ = A ?BC = 1.93 Energy gap diperoleh dengan cara memplot kurva (αhν)2 terhadap energi. Keterangan: α = koefisien absorbansi, ν = frekuensi, energi = h.c/λ, h= konstanta planck ( 6.63 x 10-34 J.s) , c= kecepatan cahaya (2,998 x 108 m/s).