EFEK FOTOVOLTAIK DA YA G DIDADAH IOBIU
advertisement
EFEK FEK FOTOVOLTAIK DA PIROELEKTRIK Ba0,25Sr0,75TiO3 (BST) YAG DIDADAH IOBIUM (BST) MEGGUAKA METODE CHEMICAL SOLUTIO DEPOSITIO Agung Seno Hertanto DEPARTEME FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DA ILMU PEGETAHUA ALAM ISTITUT PERTAIA BOGOR 2008 Agung Seno Hertanto. EFEK FOTOVOLTAIK DA PIROELEKTRIK Ba0,25Sr0,75TiO3 (BST) YAG DIDADAH IOBIUM (BST) MEGGUAKA METODE CHEMICHAL SOLUTIO DEPOSITIO. Dibimbing oleh Dr. Irzaman dan Dr. Akhiruddin Maddu. Abstrak Telah dilakukan penumbuhan film tipis Ba0,5Sr0,5TiO3 (BST) dengan pendadah Niobium (Nb2O5) di atas substrat Si (100) tipe-p. Metode yang digunakan adalah metode chemical solution deposition (CSD) dengan teknik spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm dalam waktu 30 detik. Pelapisan dilakukan hanya satu lapisan untuk setiap substrat. Dibuat film tipis BNST dengan konsentrasi 0,5 M dan annealing pada suhu 8500C, 9000C dan 9500C. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, efek fotovoltaik film tipis BST dan BNST mengalami kenaikan ketika suhu annealing bertambah. Pada uji piroelektrik, nilai koefisien piroelektrik menurun ketika suhu annealing dinaikkan dan lebih rendah lagi ketika diberikan pendadah niobium. Pada penentuan konstanta dielektrik menunjukkan adanya penurunan ketika suhu annealing dinaikkan, begitu pula dengan penambahan pendadah niobium yang membuat nilai konstanta dielektrik semakin menurun. Hasil SEM dengan perbesaran 20.000 kali dari film tipis BNST menunjukkan adanya kehomogenan pada morfologi permukaannya. Selain morfologi, juga didapat nilai ketebalan film tipis BNST yaitu sebesar 0,432 µm. Hasil EDS menunjukkan bahwa komposisi penyusun pada BNST tidak sepenuhnya sesuai dengan stokiometri yang dipakai pada saat pembuatannya. Kata Kunci : BST, CSD, niobium, annealing, SEM, EDS EFEK FOTOVOLTAIK DA PIROELEKTRIK Ba0,25Sr0,75TiO3 (BST) YAG DIDADAH IOBIUM (BST) MEGGUAKA METODE CHEMICAL SOLUTIO DEPOSITIO Skripsi Sebagai Salah Satu Syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor Oleh: Agung Seno Hertanto G74104049 DEPARTEME FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DA ILMU PEGETAHUA ALAM ISTITUT PERTAIA BOGOR 2008 Judul Nama NRP : Efek Fotovoltaik dan Piroelektrik Ba0,25Sr0,75TiO3 (BST) yang didadah Niobium (BNST) Menggunakan Metode Chemical Solution Deposition : Agung Seno Hertanto : G74104049 Menyetujui Pembimbing 1 Pembimbing 2 Dr. Irzaman NIP. 132 133 395 Dr. Akhiruddin Maddu NIP. 132 206 239 Mengetahui : Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor Dr. Drh. Hasim, DEA NIP. 131 578806 Tanggal Lulus : PRAKATA Segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karuniaNya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan pembuatan skripsi dengan judul Efek Fotovoltaik dan Piroelektrik Ba0,25Sr0,75TiO3 (BST) yang didadah iobium (BST) Menggunakan Metode Chemical Solution Deposition disusun untuk memenuhi salah satu syarat dalam menyelesaikan Jenjang Strata Satu (S-1) pada Program Studi Fisika. Dalam proses pembuatan skripsi ini terdapat banyak pihak yang membantu, baik secara langsung maupun tidak langsung. Untuk itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya, kepada : 1. Orang tuaku tercinta yang telah memberikan dukungan, baik moril maupun materil. 2. Dr. Irzaman selaku pembimbing I yang telah memberikan ide, nasehat dan motivasi sehingga penelitian ini dapat terlaksana. 3. Dr. Akhiruddin Maddu selaku pembimbing II yang senantiasa memberi pengarahan terbaik. 4. Ibu Mersi Kurniati, M.Si dan Bapak Faozan, M.Si selaku ketua sidang dan dosen penguji. 5. Seluruh dosen Departemen Fisika IPB yang telah memberikan ilmu yang bermanfaat. 6. Keluarga besar Fisika 41, klien-klien yang setia dan teman-teman seperjuangan. Penulis menyadari bahwa dalam pembuatan skripsi ini masih banyak terdapat kekurangan dan kelemahannya, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran untuk penyempurnaan dimasa yang akan datang. Akhirnya penulis berharap semoga apa yang tertulis dalam skripsi ini dapat menjadi suatu sumbangsih pikiran dan juga menambah wawasan bagi penulis khususnya dan bagi pembaca pada umumnya. Bogor, September 2008 Penulis RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 9 Desember 1983 dari pasangan Bapak Wasino dan Ibu Sumarti. Penulis merupakan putra pertama dari empat bersaudara. Penulis menempuh pendidikan di TK Perintis Jakarta (1988 – 1989), SDN 17 Pagi Jakarta (1989 - 1995), SLTPN 117 Jakarta (1995 – 1998), SMKN 26 Jakarta (1998 – 2002), Sekolah Tinggi Ilmu Komputer Cipta Karya Informatika (2002-2007) 2007) dan tahun 2004 penulis masuk ke Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor melalui jalur SPMB. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah aktif sebagai Ketua Departemen Syiar SERUM-G, G, Ketua Departemen Sains SERUM-G, S Staf Ahli Departemen Infokom BEM FMIPA IPB, Ketua ROHIS Kelas, Ketua Departemen Instrumentasi dan Teknologi HIMAFI, Ketua HIMAFI (Himpunan Mahasiswa Fisika IPB) periode 2006 - 2007. Selain itu, penulis pernah menjadi asisten praktikum Eksperimen Fisika sika I dan Eksperimen Fisika II, Penulis juga aktif mengajar mata pelajaran Komputer di SDIT UMMUL QURO BOGOR. DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PENGESAHAN...................................................................................................... i PRAKATA ............................................................................................................................... ii RIWAYAT HIDUP .................................................................................................................. iii DAFTAR ISI ............................................................................................................................ iv DAFTAR TABEL .................................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................... vi DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................................ vii PENDAHULUAN.................................................................................................................... 1 Latar Belakang .............................................................................................................. 1 Tujuan Penelitian ........................................................................................................... 1 TINJAUAN PUSTAKA........................................................................................................... Barium Stronsium Titanat (Ba0.5Sr0.5TiO3).................................................................... Silikon ........................................................................................................................... Bahan Pendadah ............................................................................................................ Niobium Pentaoksida (Nb2O5)....................................................................................... Metode Chemical Solution Deposition (CSD)............................................................... Efek Fotovoltaik ............................................................................................................ Konstanta Dielektrik...................................................................................................... SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDS (Electron Dispersion Spectroscopy) . 1 1 1 2 2 2 3 3 4 BAHAN DAN METODE ........................................................................................................ Tempat dan Waktu Penelitian........................................................................................ Alat dan Bahan .............................................................................................................. Metode Penelitian .......................................................................................................... Persiapan Substrat Si (100) Tipe-p ..................................................................... Pembuatan Larutan BST dan BNST ................................................................... Proses Pendeposisian BST dan BNST ................................................................ Proses Annealing ................................................................................................ Pembuatan Sel Fotovoltaik ................................................................................. Karakterisasi .................................................................................................................. Karakterisasi Fotovoltaik .................................................................................... Karakterisasi Konstanta Dielektrik ..................................................................... Karakterisasi Piroelektrik ................................................................................... 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................................................................ Hasil Karakterisasi SEM dan EDS ................................................................................ SEM .................................................................................................................... EDS..................................................................................................................... Hasil Karakterisasi Efek Fotovoltaik............................................................................. Hasil Karakterisasi Piroelektrik ..................................................................................... Hasil Karakterisasi Konstanta Dielektrik ...................................................................... 7 7 7 7 8 8 10 KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................................................ 10 Kesimpulan ................................................................................................................... 10 Saran.............................................................................................................................. 11 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................. 11 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 4.1. Data komposisi penyusun film BST ............................................................................ 7 Tabel 4.2. Arus fotovoltaik film tipis BST dan BNST pada tiga variasi intensitas sumber ......... 8 Tabel 4.3. Hasil keseluruhan koefisien piroelektrik pada film tipis BST dan BNST ................... 10 Tabel 4.4. Hasil keseluruhan konstanta dielektrik pada film tipis BST dan BNST...................... 10 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Gambar 2.2. Gambar 2.3. Gambar 2.4. Gambar 3.1. Gambar 3.2. Gambar 3.3. Gambar 3.4. Gambar 3.5. Ilustrasi dari tingkat donor dan akseptor ............................................................... 2 Simple Variable Spin Coater ................................................................................. 2 Sel fotovoltaik ....................................................................................................... 3 Sinyal hasil interaksi berkas elektron dengan spesimen ........................................ 4 Proses annealing.................................................................................................... 5 Struktur dan konfigurasi pengukuran sel fotovoltaik ............................................ 5 Rangkaian pengukuran fotovoltaik ........................................................................ 6 Rangkaian penentuan konstanta dielektrik film tipis ............................................. 6 Rangkaian current to voltage converter ................................................................ 6 Gambar 4.1. Morfologi permukaan film tipis BST diatas substrat Si (100) tipe-p dengan temperatur annealing 9000C dan perbesaran 20.000 kali ...................................... 7 Gambar 4.2. Penampang melintang film tipis BST diatas substrat Si (100) tipe-p dengan temperatur annealing 9000C dan perbesaran 20.000 kali ...................................... 7 Gambar 4.3. Grafik komponen penyusunan BST hasil karakterisasi EDS ............................ ... 7 Gambar 4.4. Diagram hasil pengukuran arus sel fotovoltaik pada tiga variasi intensitas .......... 8 Gambar 4.5. Grafik hasil uji piroelektrik film tipis BST dengan suhu annealing 8500C ........... 9 Gambar 4.6. Grafik hasil uji piroelektrik film tipis BNST dengan suhu annealing 8500C ........ 9 Gambar 4.7. Grafik hasil uji piroelektrik film tipis BST dengan suhu annealing 9000C ........... 9 Gambar 4.8. Grafik hasil uji piroelektrik film tipis BNST dengan suhu annealing 9000C ........ 9 Gambar 4.9. Grafik hasil uji piroelektrik film tipis BST dengan suhu annealing 9500C ........... 9 Gambar 4.10. Grafik hasil uji piroelektrik film tipis BNST dengan suhu annealing 9500C ........ 9 Gambar 4.11. Diagram perbandingan nilai koefisien piroelektrik ............................................... 9 Gambar 4.12. Kurva perbandingan konstanta dielektrik pada tiga variasi suhu anealing ........... 10 DAFTAR LAMPIRA Lampiran 1. Diagram alir penelitian ............................................................................................ 13 PEDAHULUA Latar Belakang Sejak tahun 1989, film tipis ferroelektrik telah mendapat perhatian khusus dalam aplikasi elektronik. Hal yang menarik adalah dapat digunakan untuk FRAM (Ferroelectric Random Access Memory). Film tipis BaxSr1banyak digunakan sebagai xTiO3 (BST) FRAM karena memiliki konstanta dielektrik dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi Aplikasi elektronik yang paling utama dari film tipis ferroelektrik adalah : 1. !on-volatile memori yang menggunakan kemampuan polarisasi yang tinggi 2. Kapasitor film tipis yang menggunakan sifat dielektrik 3. Sensor piroelektrik yang menggunakan perubahan konstanta dielektrik karena pengaruh suhu 4. Aktuator piezoelektrik yang menggunakan efek piezoelektrik yaitu timbulnya polarisasi akibat perubahan tekanan1. Film tipis BaxSr1-xTiO3 dapat dibuat dengan metode chemical solution deposition (CSD). Keunggulan dari metode ini adalah dapat mengontrol stokiometri film dengan kualitas yang baik, prosedur yang mudah dan membutuhkan biaya yang relatif murah. Spin coater yang digunakan memakai kecepatan putar 3000 rpm dan waktu putar selama 30 detik2. Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan film tipis Ba0,25Sr0,75TiO3 (BST) dan Ba0,25Sr0,75TiO3 yang didadah dengan Niobium Penta Oksida (Nb2O5) 5% (BNST) dengan metode CSD (chemical solution deposition) yang kemudian akan dilakukan karakterisasi yaitu, uji efek fotovoltaik, penentuan konstanta dielektrik dan pengujian lainnya. Tujuan Penelitian 1. Melakukan penumbuhan film tipis dari bahan Ba0,25Sr0,75TiO3 baik murni maupun yang didadah Niobium diatas substrat Si (100) tipe-p dengan metode chemical solution deposition (CSD). 2. Mempelajari sifat fotovoltaik dari film tipis. 3. Menguji sifat piroelektrik film tipis. 4. Menentukan konstanta dielektrik film tipis. 5. Mengamati morfologi bahan dan menentukan ketebalan film tipis serta mengetahui unsur-unsur kimia penyusun film tipis. TIJAUA PUSTAKA Barium Stronsium Titanat (Ba0.5Sr0.5TiO3) Barium Stronsium Titanat atau yang biasa disebut dengan BST banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik yang tinggi dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi3. Karakteristik BST dapat diaplikasikan dalam berbagai macam piranti seperti; konstanta dielektrik yang tinggi membuat BST dapat digunakan sebagai DRAMs (Dynamic Access Random Memories)4 dan juga dapat diaplikasikan dalam pembuatan multi-layer capasitor (MLC)5, selain itu BST juga memiliki kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity), kebocoran arus yang rendah (low leakage current) dan memiliki kekuatan breakdown yang tinggi pada temperatur curie yang dapat diaplikasikan sebagai NVRAM (!on-Volatile Random Access memories) dan FRAM (Ferroelectric Random Access Memories)6. Selain itu, BST dipilih karena pembuatannya dapat dilakukan di laboratorium dengan peralatan sederhana. Berikut Persamaan reaksi BST yang digunakan pada penelitian ini : 0.25Ba(CH3COO)2 + 0.75Sr(CH3COO)2 + Ti(C12H28O4) + 22O2 Ba0.25Sr0.75TiO3 + 16CO2 + 17H2O Silikon Silikon kristal murni adalah material rapuh berwarna abu-abu metalik. Dengan modulus Young sebesar 190 GPa untuk <111>, 170 GPa untuk <110> dan 130 GPa untuk <100>. Silikon memiliki koefisien ekspansi termal yang rendah dan konduktivitas termal yang tinggi, meleleh pada 1.413oC (1.686 K). Berat atom silikon adalah 4,6638 x10-23 g/mol, densitasnya 2,328 gcm-3. Silikon memiliki struktur kristal yang sama dengan intan (fcc) dengan konstanta kisi 0,543095 nm7. Struktur atom kristal silikon terdiri dari satu inti atom yang masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 buah elektron (oktaf), sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. hole atau secara singkat membuat film fi tipis cenderung bertipe-p10. iobium (b2O5) Bahan pendadah yang digunakan dalam penelitian ini adalah Niobium penta oksida (Nb2O5). Gambar 2.1 Ilustrasi dari tingkat donor dan akseptor. Bahan Pendadah Pendadah adalah bahan ahan yang digunakan untuk menambah jumlah elektron atau hole pada semikonduktor.. Penambahan bahan pendadah dapat menyebabkan perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektro optik dan sifat piroelektrik roelektrik dari keramik ddan film tipis. Untuk menaikkan konsentrasi elektron atau hole,, diperlukan impuritas dalam kristal semikonduktor. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1, dopan-dopan dopan tersebut memiliki energi sedikit lebih besar diatas pita valensi (akseptor) atau sedikit lebih rendah dibawah pita konduksi (donor). Akseptor menerima penambahan elektron dari pita valensi dan termuati ion-ion ion negatif, sehingga membentuk sebuah hole (doping p). ). Donor melepaskan sebuah elektron kedalam pita konduksi dan termuati ion-ion ion positif (doping n). Konsentrasi pembawa minoritas menjadi jauh lebih kecil dibandingkan konsentrasi pembawa mayoritas8. Bahan pendadah material ferroelektrik dibedakan menjadi dua jenis, yaitu soft dopant dan hard dopant,, ion soft dopant dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi soften,, seperti koefisien elastis lebih tinggi, sifat medan koersif yang lebih rendah, faktor kualitas mekanik yang lebih rendah dan kualitas listrik yang lebih rendah. Soft dopant disebut juga dengan istilah donor dopan karena menyumbang valensi yang berlebih pada struktur kristal BST1, 9. Ion hard dopant dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi lebih hardness, loss dielectric yang rendah, bulk resistivitas lebih rendah, sifat medan koersif lebih tinggi, faktor kualitas mekanik lebih tinggi dan faktor kualitas listrik lebih tinggi. Hard dopant disebut juga dengan istilah acceptor dopant karena menerima valensi yang berlebih di dalam struktur kristal BST1,9. Bahan pendadah jenis hard dopant merupakan bahan pendadah yang dapat menghasilkan film tipis yang pembawa mayoritasnya adalah Metode Chemical Solution Deposition (CSD) Metode Chemical Solution Deposition (CSD) merupakan cara pembuatan film dengan pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, yang dipreparasi dengan spin coating pada kecepatan putar tertentu terten biasanya digunakan kecepatan putar 3000 rpm3,12. Spin coating adalah lah cara yang mudah dan efektif dalam pelapisan film tipis diatas substrat datar. Spin Coating merupakan teknik pelapisan bahan dengan cara menyebarkan larutan keatas substrat kemudian diputar dengan kecepatan konstan untuk memperoleh lapisan baru yang homogen. ogen. Spin coating melibatkan akselerasi dari genangan cairan diatas substrat yang berputar. Material pelapis dideposisi di tengah substrat. Ilmu fisika yang melatarbelakanginya melibatkan keseimbangan antara gaya sentrifugal yang diatur oleh kecepatan putar dan viskositas. Beberapa parameter yang terlibat dalam spin coating adalah: a. b. c. d. Viskositas larutan Kandungan padatan Kecepatan angular Waktu putar Pada Gambar 2.2 diperlihatkan contoh c dari alat Spin Coating yang digunakan. Proses pembentukan film dipengaruhi oleh dua parameter bebas yaitu kecepatan putar dan viskositas. Rentang ketebalan film yang dihasilkan oleh spin coating adalah 1-200µm. Gambar 2.2 Simple Variable ariable Spin Coater. Coat