PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI FILM Ba0

iii
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI FILM Ba0.4Sr0.6Ti03
DIBANDINGKAN DENGAN FILM Ba0.5Sr0.5Ti03
AYUB IMANUEL A.S
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
iii
iii
AYUB IMANUEL A.S. Pembuatan dan Karakterisasi Film Ba0,4Sr0,6Ti03 dibandingkan
dengan Film Ba0,5Sr0,5Ti03. Dibimbing oleh Dr.Ir.IRZAMAN, M.Si dan FAOZAN S.Si,M.Si.
Abstrak
Penelitian dengan menggunakan film Ba0,4Sr0,6TiO3 (BST) dibandingkan dengan film
Ba0,5Sr0,5Ti03 berdasarkan karakterisasi sifat optik, listrik, dan sensitifitas dengan metode
yang sama yaitu sol gel dengan teknik spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30
detik. Proses pembuatan fotodioda Ba0,4Sr0,6Ti03 dengan menumbuhkannya di permukaan
substrat Si(100) type-p pada konsentrasi 1 M dan proses annealing pada variasi suhu yaitu
800oC, 850oC, 900oC dengan waktu masing-masing 15 jam. Karakterisasi I-V dilakukan pada
kondisi terang dan gelap dengan filter warna hijau, kuning dan merah. Hasil yang diperoleh
menunjukkan bahwa film bersifat fotodioda. Konduktivitas listrik (σ) dengan variasi suhu
800oC, 850oC, 900oC berturut-turut yaitu 0,36 x 10-4 S/m, 3,77 x 10-4 S/m, 50,25 x 10-5 S/m.
Nilai σ tersebut berada dalam rentang σ semikonduktor, sehingga film BST yang dihasilkan
merupakan material semikonduktor sedangkan pada karakterisasi konstanta dielektrik (𝜀)
dengan variasi tegangan yaitu 1 volt, 2 volt dan 5 volt yang masing-masing pada suhu 800oC,
850oC, 900oC dapat disimpulkan bahwa konstanta dielektrik bahan semakin besar akibat
bertambahnya tegangan. Karakteristik sifat optik dilakukan pada pengukuran absorbansi dan
reflektansi film. Pada suhu 800oC, 850oC, 900oC berdasarkan kurva absorbansi yang
diperoleh memperlihatkan panjang gelombang yang paling banyak diserap dan dipantulkan
berturut-turut yaitu berkisar 340-430 nm, 345-520 nm, 340-1020 nm.
Kata Kunci : Film Ba0,4Sr0,6Ti03 , annealing, sifat listrik, sifat optik, sifat sensitifitas.
iii
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI FILM Ba0.4Sr0.6Ti03
DIBANDINGKAN DENGAN FILM Ba0.5Sr0.5Ti03
AYUB IMANUEL A.S
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
iii
JUDUL
: Pembuatan dan Karakterisasi Film Ba 0.4Sr0.6Ti03 Dibandingkan dengan Film
Ba0.5Sr0.5Ti03
NAMA
: Ayub Imanuel A.S
NIM
: G74061566
Disetujui,
Pembimbing
Pembimbing
(Dr. Ir.IRZAMAN, M.SI)
Pembimbing I
(FAOZAN S.SI, M.SI)
Pembimbing II
Diketahui,
Ketua Departemen Fisika
Dr. Akhiruddin Maddu
NIP. 196609071988021006
Tanggal lulus :
iii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah
melimpahkan berkat, anugerah serta kasih karunia-Nya kepada saya sebagai penulis
sehingga dapat menyelesaikan hasil penelitian
yang berjudul “Pembuatan dan
Karakterisasi Film Ba0.4Sr0.6TiO3 dibandingkan dengan Film Ba0.5Sr0.5TiO3 ”, sebagai
salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah
membantu dalam penyelesaian penulisan hasil penelitian ini, yaitu kepada
1. Keluarga (papa, mama, nova, sena, andre) terima kasih atas segala limpahan kasih
sayang dan doa yang senantiasa diberikan.
2. Bapak Dr.Ir. Irzaman, M.SI dan Bapak Faozan S.SI, M.SI selaku Dosen
pembimbing yang telah membimbing, mengarahkan dan senantiasa memberikan
motivasi sehingga tersusunnya skripsi ini.
3. Bapak Ir. Hanedi Darmasetiawan, MS selaku pihak editor atas saran dan
masukannya.
4. Bapak Drs. Mahfuddin Zuhri, MSI yang telah memberikan dukungan dan fasilitas
komputer.
5. Prof.Dr.Ir Bungaran Saragih,Msc,dr. Bona Simanungkalit, Hj Meilani Leimena
yang terus memberikan motivasi dan saran untuk tetap fokus pada bakat dan minat
yang saya miliki.
6. Teman-teman Cisco seperjuangan selama di IPB atas segala bantuan, semangat,
kebersamaan yang indah dan tak terlupakan.
7. Teman-teman kesekretariatan GMKI cabang Bogor yang menghadirkan tawa dan
semangat.
8. Rekan-rekan fisika angkatan 42,43, 44, 45, dan 46 serta fisika S2
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan hasil penelitian
ini. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak agar dapat
memperbaiki penulisan hasil skripsi kedepannya.
Bogor, 6 Februari 2012
Ayub Imanuel A.S
iii
RIWAYAT HIDUP
Penulis terlahir
dari pasangan Adat Jonatan
Subakti dan Darmita Vionelita P di Bandung pada
tanggal 16 April 1988. Penulis merupakan anak
kedua dari empat bersaudara.
Lulus dari SMA Negeri 1 Ciruas, penulis
melanjutkan studinya di Institut Pertanian Bogor,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Jurusan Fisika pada tahun 2006 lewat jalur SPMB
(Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru).
Selama kuliah, penulis pernah aktif dikegiatan eksternal kampus sebagai anggota
GMKI (Gerakan Mahasiswa Kristen Indonesia).
iii
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI .................................................................................................................vi
DAFTAR GAMBAR .................................................................................................. viii
DAFTAR TABEL.......................................................................................................... ix
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................................... x
BAB I. PENDAHULUAN .............................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ...................................................................................................... 1
1.2 Tujuan Penelitian .................................................................................................. 1
1.3 Perumusan Masalah .............................................................................................. 1
1.4 Hipotesis ............................................................................................................... 1
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Material Ferroelektrik ........................................................................................... 1
2.2 Domain ................................................................................................................. 2
2.3 Polarisasi Saturasi (Ps) .......................................................................................... 2
2.4 Polarisasi Remanen (Pr) ........................................................................................ 2
2.5 Medan Koersif (EC) .............................................................................................. 2
2.6 Barium Stronsium Titanat (Ba xSr1-xTiO3) .............................................................. 2
2.7 Substrat-Si (Silikon) .............................................................................................. 3
2.8 Dioda................................................................................................................... 3
2.9 Fotodioda .............................................................................................................. 4
2.10 Metode Chemical Solution Deposition ................................................................ 5
2.11 Metode Volumetric .............................................................................................. 6
2.12 Kapasitor dan Konstanta Dielektrik..................................................................... 6
2.13 Time Constant .................................................................................................... 7
2.14 Spektroskopi Optik ............................................................................................. 8
2.15 Hasil Karakterisasi Konstanta Dielektrik Film Ba0.5Sr0.5Ti03 ............................... 9
2.16 Hasil Karakterisasi I-V meter Film Ba0.5Sr0.5Ti03 ............................................. 11
2.17 Hasil Karakterisasi Reflektansi dan Absorbansi Film Ba 0.5Sr0.5Ti03 .................. 11
2.18 Hasil Karakterisasi Konduktivitas Listrik Film Ba 0.5Sr0.5Ti03............................ 12
BAB III. BAHAN DAN METODE ............................................................................... 12
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ............................................................................. 12
3.2 Alat dan Bahan .................................................................................................. 12
3.3 Metode Penelitian .............................................................................................. 12
3.3.1 Pembuatan film Ba0,4Sr0,6TiO3 murni ........................................................... 12
3.3.3 Proses penumbuhan film BST murni .......................................................... 13
3.3.4 Proses annealing ........................................................................................ 13
3.3.5 Pembuatan kontak pada film BST .............................................................. 13
3.3.6 Metode karakterisasi .................................................................................. 13
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN....................................................................... 14
4.1 Karakterisasi Absorbansi dan Reflektansi ............................................................ 14
4.1.1 Perhitungan nilai energy gap ........................................................................ 15
4.2 Karakterisasi Arus Tegangan .............................................................................. 16
4.3 Karakterisasi Konduktivitas Listrik .................................................................... 17
4.4 Karakterisasi Konstanta Dielektrik ..................................................................... 18
vi
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................................... 22
5.1 Kesimpulan ........................................................................................................ 222
5.2 Saran .................................................................................................................. 22
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................... 23
LAMPIRAN ................................................................................................................. 25
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Kurva histerisis sifat BST .............................................................................. 2
Gambar 2. Struktur Ba0,25Sr0,75TiO3 ................................................................................. 3
Gambar 3. Struktur dua dimensi kristal silikon ................................................................ 3
Gambar 4. Struktur pasangan elektron – hole dioda ......................................................... 4
Gambar 5. Forward bias dan reversed bias ..................................................................... 4
Gambar 6. Karakteristik dioda ......................................................................................... 4
Gambar 7. Penampang melintang fotodioda. ................................................................... 5
Gambar 8. Keadaan fotodioda persambungan p-n ............................................................ 5
Gambar 9. Spin coater .................................................................................................... 6
Gambar 10. Kapasitor keping sejajar .............................................................................. 6
Gambar 11. Rangkaian pengisian muatan pada kapasitor ................................................. 8
Gambar 12. Hubungan konstanta dielektrik dan film BST murni ..................................... 9
Gambar 13. Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 1 volt .................. 9
Gambar 14. Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 2 volt ................ 10
Gambar 15. Sinyal keluaran pada osiloskop ketika diberikan tegangan 5 volt ................ 11
Gambar 16. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat A .................................. 11
Gambar 17. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat B .................................. 11
Gambar 18. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat C .................................. 11
Gambar 19. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat D .................................. 11
Gambar 20. Hubungan antara absorbansi dan panjang gelombang ................................ 11
Gambar 21. Hubungan antara reflektansi dan panjang gelombang ................................ 11
Gambar 22. Indeks bias film BST murni ....................................................................... 12
Gambar 23. Hubungan konduktivitas listrik dan waktu annealing film Ba0,5Sr0,5Ti03 ..... 12
Gambar 24. Proses annealing ........................................................................................ 13
Gambar 25. Prototype sel fotovoltaik tampak atas ......................................................... 13
Gambar 26. Rangkaian penentu konstanta dielektrik film BST murni ........................... 13
Gambar 27. Spektrum absorbansi BST terhadap panjang gelombang ............................. 15
Gambar 28. Spektrum reflektansi BST terhadap panjang gelombang ............................. 15
Gambar 29. Hubungan ln[(Rmax-Rmin)/(R-Rmin)]2 dan energy gap pada suhu 800oC......... 15
Gambar 30. Hubungan ln[((Rmax-Rmin)/(R-Rmin)]2 dan energy gap pada suhu 850oC ....... 16
Gambar 31. Hubungan ln[(Rmax-Rmin)/(R-Rmin)]2 dan energy gap pada suhu 900oC......... 16
Gambar 32. Hubungan energy gap dan suhu ................................................................ 16
Gambar 33. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) BST pada kondisi terang dan gelap .... 16
Gambar 34. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat A .................................. 17
Gambar 35. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat B .................................. 17
Gambar 36. Hubungan arus (I) dan tegangan (V) pada substrat C .................................. 17
Gambar 37. Hubungan konduktivitas listrik dan suhu film Ba0,4Sr0,6Ti03 ....................... 17
Gambar 38. Sinyal keluaran osiloskop pada suhu film BST 800oC................................. 19
Gambar 39. Sinyal keluaran osiloskop pada suhu film BST 850oC................................ 20
Gambar 40. Sinyal keluaran osiloskop pada suhu film BST 900oC................................ 21
Gambar 41. Hubungan antara konstanta dielektrik dengan suhu.................................... 21
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Panjang gelombang berdasarkan spektrum cahaya tampak ................................. 8
Tabel 2. Nilai konstanta dielektrik film BST murni ......................................................... 9
Tabel 3. Nilai konduktivitas film BST murni berdasarkan perbedaan
waktu annealing .............................................................................................. 12
Tabel 4. Perbandingan karakterisasi absorbansi dan reflektansi
film Ba0,4Sr0,6Ti03 dan Ba0,5Sr0,5Ti03 ................................................................. 15
Tabel 5. Nilai konduktivitas film Ba0,4Sr0,6Ti03 berdasarkan
perbedaan suhu annealing.............................................................................. 17
Tabel 6. Perbandingan karakterisasi konduktivitas film
Ba0,4Sr0,6Ti03 dan Ba0,5Sr0,5Ti03 .......................................................................................................................... 18
Tabel 7. Hasil karakterisasi konstanta dielektrik
film Ba0,4Sr0,6Ti03 ........................................................................................................................................................... 21
ix
x
Lanjutan lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V)
a. Data karakterisasi substrat 800oC
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Diagram alur kerja penelitian..................................................................... 26
Lampiran 2. Data karakterisasi arus tegangan (I-V) ....................................................... 27
Lampiran 3. Data substrat film Ba0,4Sr0,6Ti03 ................................................................. 32
Lampiran 4. Pengolahan data konstanta dielektrik ......................................................... 33
Lampiran 5. Pengolahan data konduktivitas................................................................... 34
x
1
Lanjutan lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V)
a. Data karakterisasi substrat 800oC
Tujuan khusus hasil penelitian ini adalah:
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Di era globalisasi sekarang ini, semakin
pesatnya perkembangan ilmu pengetahuan dan
teknologi di dunia hal ini dimanfaatkan dan
dikembangkan oleh manusia untuk dapat
membantu pekerjaan mereka sehingga dapat
menyelesaikan segala aktivitas dengan lebih
mudah dan efisien. Oleh karena itu, setiap
manusia terutama mahasiswa dituntut agar
mampu beradaptasi dengan perkembangan
ilmu pengetahuan dan teknologi tersebut.
Bidang elektronik saat ini memegang peranan
penting diberbagai sektor pembangunan
terutama ilmu pengetahuan dan teknologi. Hal
ini menyebabkan banyak orang melakukan
penelitian dan pembuatan alat-alat serta
komponen-komponen
elektronika
yang
diharapkan mempunyai sifat dan karakteristik
tertentu.Penelitian yang belakangan ini
menarik perhatian para ahli fisika yaitu
material ferroelektrik karena material ini bisa
dikembangkan lebih lanjut terhadap device
generasi baru sehubungan dengan sifat-sifat
unik yang dimilikinya. Material ferroelektrik,
terutama yang didasari oleh campuran barium
stronsium titanat (BST), diharapkan memiliki
energi yang tinggi karena memiliki konstanta
dielektrik dan kapasitas penyimpanan muatan
yang tinggi sehingga banyak digunakan
sebagai FRAM (ferroelectric random access
memory) selain itu sifat histerisis dan konstanta
dielektriknya yang tinggi dapat diterapkan
pada sel memori dynamic random acsess
memory
(DRAM)
dengan
kapasitas
penyimpanan melampaui 1 Gbit [1]. Sifat
piezoelektriknya dapat digunakan sebagai
mikroaktuator dan sensor, sifat piroelektrik
dapat diterapkan pada infrared sensor, sifat
polaryzability dapat diterapkan sebagai non
volatile ferroelektrik random acsess memory
(NVRAM), serta sifat electro-optic dapat
digunakan dalam switch thermal infrared [2].
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan umum
penelitian ini adalah
membuat film BST murni ferrolektrik
Ba0,4Sr0,6TiO3 murni dengan menggunakan
metode chemical solution deposition (CSD)
yang kemudian diuji karakteristik sensor
cahaya dan sensor suhu dari film BST murni
yang dibuat.
1. Melakukan karakterisasi arus–tegangan (I-V).
2. Menguji sifat reflektansi dan absorbansi.
3. Menentukan konstanta dielektrik dan waktu
konstantnya.
4. Menguji sifat konduktivitas listrik.
1.3 Perumusan Masalah
1. Bagaimanakah hasil karakterisasi film
Ba0,4Sr0,6TiO3 murni yang dihasilkan terhadap
uji sifat listriknya ( I-V, konduktivitas,
absorbansi dan reflektansi serta konstanta
dielektrik) dibandingkan dengan film
Ba0,5Sr0,5TiO3 murni ?
2. Apakah pembuatan film Ba0,4Sr0,6TiO3 murni
dipermukaan substrat silikon type-p dengan
variasi waktu tetap yaitu 15 jam pada suhu
yang berbeda yaitu 800oC, 850oC, 900oC akan
dihasilkan film yang memiliki sensitifitas dan
sifat histerisis yang lebih baik dibandingkan
film Ba0,5Sr0,5TiO3 murni ?
1.4 Hipotesis
1. Pembuatan
film
Ba0,4Sr0,6TiO3
murni
dipermukaan substrat silikon type-p dengan
variasi waktu tetap yaitu 15 jam pada suhu
yang berbeda yaitu 800oC, 850oC, 900oC pada
karakterisasi I-V, konduktivitas, absorbansi
dan reflektansi serta konstanta dielektrik lebih
baik dibandingkan film Ba0,5Sr0,5TiO3 murni
karena komposisi faktor molarnya lebih
banyak.
2. Pembuatan
film
Ba0,4Sr0,6TiO3 murni
dipermukaan substrat silikon type-p dengan
variasi waktu tetap yaitu 15 jam pada suhu
yang berbeda yaitu 800oC, 850oC, 900oC akan
dihasilkan film yang memiliki sensitifitas dan
sifat histerisis yang lebih baik dibandingkan
film Ba0,5Sr0,5TiO3 murni.
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Material Ferroelektrik
Material
ferroelektrik
memiliki
kemampuan untuk mengubah arah listrik
internal, dapat terpolarisasi secara spontan dan
menunjukkan efek histerisis yang berkaitan
dengan
pergeseran
dielektrik
dalam
menanggapi medan listrik internal. Polarisasi
yang terjadi merupakan hasil dari penerapan
medan listrik yang mengakibatkan adanya
2
ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu
material ferroelektrik [1], selain itu
ferroelektrik merupakan material yang
memiliki polarisasi listrik dengan adanya
medan listrik eksternal, polarisasi ini dapat
dihilangkan dengan memberikan medan listrik
eksternal yang arahnya berlawanan. Sifat
listrik yang ditunjukkan material ini berkaitan
dengan sifat listrik mikroskopiknya. Jika
jumlah muatan dikali jarak semua elemen dari
sel satuan tidak nol maka sel akan memiliki
momen dipol listrik. Kurva hubungan antara
polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E)
ditunjukkan pada Gambar 1. Ketika kuat
medan listrik ditingkatkan maka polarisasi
meningkat cepat (OA) hingga material akan
mengalami kondisi saturasi (AB), jika nilai
kuat medan listrik mengalami penurunan,
polarisasinya tidak kembali lagi ke titik O,
melainkan mengikuti garis BC, ketika medan
listrik tereduksi menjadi nol, maka material
memiliki polarisasi remanan (Pr) (OC), untuk
menghapus nilai polarisasi dapat dilakukan
dengan menggunakan sejumlah medan listrik
pada arah yang berlawanan (negatif). Harga
medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi
menjadi nol disebut medan koersif (Ec),jika
medan listrik kemudian dinaikkan kembali,
maka material akan kembali mengalami
saturasi, yang bernilai negatif (EF). Putaran
kurva menjadi lengkap jika medan listrik
dinaikkan lagi yang akhirnya didapatkan suatu
kurva hubungan polarisasi (P)
Gambar 1. Kurva histerisis sifat BST
dengan medan koersif (Ec) yang ditunjukan
loop histerisis [3]. Luasan dalam kurva
histerisis ini berbanding lurus dengan energi
yang didisipasikan dalam proses irreversible
pemagnetan dan penghilangan sifat magnet [4].
2.2 Domain
Dalam kristal ferroelektrik, terdapat suatu
daerah yang memiliki orientasi dipol yang
seragam, yang disebut domain. Struktur dan
sifat domain memegang peranan penting dalam
penentuan sifat bahan ferroelektrik [5].
2.3 Polarisasi Saturasi (Ps)
Polarisasi saturasi tercapai pada saat
seluruh arah orientasi domain searah dengan
medan listrik eksternal. Pada keadaan ini nilai
polarisasinya tetap walaupun medan listrik
eksternal bertambah besar.
2.4 Polarisasi Remanen (Pr)
Polarisasi remanen adalah nilai polarisasi
Ύ pada bahan ferroelektrik walaupun sudah
tidak lagi dipengaruhi medan listrik.
2.5 Medan Koersif (EC)
Medan koersif pada bahan ferroelektrik
adalah medan yang diperlukan untuk merubah
polarisasinya dari nilai polarisasi remanen
menjadi nol (P=0). Nilai medan koersif suatu
bahan bergantung dari banyak parameter
antara lain perlakuan suhu dan perlakuan listrik
suatu bahan.
2.6 Barium Stronsium Titanat (BaxSr1xTiO3)
Material
yang
digunakan
dalam
pembuatan lapisan BST murni ini adalah
BaxSr1-xTiO3 (BST). BST merupakan bahan
yang memiliki konstanta dielektrik yang tinggi,
serta kapasitas penyimpanan muatan yang
tinggi. Pembuatan BST dapat menggunakan
peralatan yang cukup sederhana, biaya murah
dan dilakukan dalam waktu yang relatif
singkat. BST memiliki potensi untuk
menggantikan film BST murni SiO2 pada
rangkaian metal oxide semikonduktor (MOS)
namun konstanta dielektrik yang dimiliki oleh
BST tersebut masih rendah dibandingkan
dengan bentuk bulknya. Hal ini berkaitan
dengan ukuran mikro, tingkat tekanan yang
baik, kekosongan oksigen, formasi lapisan
interfacial dan oksidasi pada silikon
[6].Struktur BST sendiri berbentuk kubus
seperti pada Gambar 2. Ion barium (Ba2+)
terletak di ujung rusuk kubus, ion titanium
(Ti4+) terletak pada diagonal ruang sedangkan
ion oksigen terletak pada diagonal bidang unit
sel yang berbentuk kubus.
Barium stronsium titanat juga banyak
digunakan sebagai FRAM karena memiliki
konstanta dielektrik yang tinggi dan kapasitas
penyimpanan muatan yang tinggi. BST dapat
diaplikasikan dalam berbagai macam piranti
seperti konstanta dielektrik yang tinggi
sehingga BST dapat digunakan sebagai
DRAMs (dynamic access random memories)
dan juga dapat diaplikasikan dalam pembuatan
multi-layer capasitor (MLC), 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 suhu curie yang dapat
diaplikasikan sebagai NVRAM (non volatile
random access memories) dan FRAM
(ferroelectric random access memories).
Suhu Curie material barium titanat murni
sebesar
130°C.
Dengan
penambahan
3
stronsium, suhu barium titanat menurun
menjadi suhu kamar [7]. Film BST murni
dapat dibuat dengan berbagai teknik antara lain
chemical solution deposition sputtering, laser
ablasi, MOCVD dan proses sol gel [8].
Persamaan reaksi BST ialah :
0,25Ba(CH3COO)2+0,75Sr(CH3COO)2+Ti(C12
H28O4)+22O2→Ba0,25Sr0,75TiO3 +H2O + 16CO2
semikonduktor bersifat isolator karena tidak
ada elektron yang dapat berpindah untuk
menghantarkan listrik.
Gambar 3. Struktur dua dimensi kristal silikon
Gambar 2. Struktur Ba0,25Sr0,75TiO3
(a) Polarisasi ke atas (b) Polarisasi kebawah
Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan
kovalen yang lepas karena energi kalor,
sehingga memungkinkan elektron terlepas dari
ikatannya namun hanya sedikit yang dapat
terlepas, sehingga tidak memungkinkan
menjadi konduktor yang baik [11].
2.7 Substrat-Si (Silikon)
2.8 Dioda
Silikon adalah unsur yang paling
melimpah di kerak bumi setelah oksigen.
Sebagian besar unsur bebas silikon tidak
ditemukan di alam. Oleh karena itu, silikon
dihasilkan dengan mereduksi kuarsa dan pasir
dengan karbon yang berkualitas tinggi. Silikon
untuk pengunaan semikonduktor dimurnikan
lebih lanjut dengan metode pelelehan berzona
kristal czochralski. Kristal silikon ini memiliki
kilap logam dan mengkristal dengan struktur
intan [9].
Silikon oksida (SiO2) digunakan sebagai
gate dielektrik karena bentuk non kristal
(amorphous) yang sesuai dengan insulator,
dengan daya tahan terhadap medan listrik yang
tinggi (sekitar 10 MV/cm), kestabilan terhadap
panas dan lebih lagi karena kualitas interlayer
Si/SiO2 yang tinggi (jumlah muatan yang
terjebak dalam interlayer (<1011/cm). Kualitas
Si/SiO2 ini penting karena merupakan bagian
utama channel dari carrier (baik hole atau
elektron) melintas. Sampai saat ini belum ada
yang bisa menandingi SiO2 dalam hal daya
hantar listrik [10].
Struktur atom kristal silikon, satu inti atom
(nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron
valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika
dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah
elektron atom kristal tersebut membentuk
ikatan kovalen dengan ion-ion atom
tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0
K), struktur atom silikon divisualisasikan
seperti pada Gambar 3.
Ikatan kovalen menyebabkan elektron
tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti
atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan
Dioda adalah sambungan p-n yang
berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan
type-p akan menjadi sisi anoda sedangkan
bahan type-n akan menjadi katoda. Bergantung
pada polaritas tegangan yang diberikan
kepadanya, dioda bisa berlaku sebagai sebuah
saklar tertutup apabila bagian anoda
mendapatkan tegangan positif sedangkan
katodanya mendapatkan tegangan negatif dan
berlaku sebagai saklar terbuka apabila bagian
anoda
mendapatkan
tegangan
negatif
sedangkan katoda mendapatkan tegangan
positif. Kondisi tersebut terjadi hanya pada
dioda ideal. Pada dioda faktual (riil), perlu
tegangan lebih besar dari 0,7 V (untuk dioda
yang terbuat dari bahan silikon). Tegangan
sebesar 0,7 V ini disebut sebagai tegangan
halang (barrier voltage). Dioda yang dibuat
dari bahan germanium memiliki tegangan
halang kira-kira 0,3 V [12].
Pada saat dioda tidak diberikan panjar
tegangan (unbiased) seperti ditunjukkan
Gambar 2.4, terjadi difusi elektron ke segala
arah pada setiap tepi-tepi semikonduktor.
Beberapa difusi melewati junction, sehingga
terbentuk 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 elektron
bebas dan hole. Daerah ini disebut dengan
depletion region. Pada suatu saat, depletion
region akan berlaku sebagai penghalang bagi
elektron untuk berdifusi lanjut melalui
junction. Diperlukan tegangan tertentu agar
elektron dapat menembus penghalang tersebut,
yang dikenal dengan istilah tegangan offset.
4
Jika dioda diberi tegangan seperti pada
Gambar 5, yaitu kutub positif baterai
dihubungkan dengan bahan type-p dan kutub
negatifnya dihubungkan dengan bahan type-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 type-n menuju junction. Elektron ini
dapat melewati junction dan jatuh ke dalam
hole.
Gambar 4. Struktur pasangan elektron
(a) kondisi awal,(b) kondisi setelah terjadi
difusi elektron, (c) daerah pengosongan
atau disebut arus balik (reverse current),
disamping itu juga terdapat low leakage
current (LLC). Jika keadaan ini terus berlanjut,
akan tercapai titik pendobrakan, yang disebut
dengan breakdown voltage.
Jika sebuah dioda dihubungkan dengan
sumber tegangan Vin, yang dapat diubah-ubah
besarnya, maka akan didapat tegangan (Vd)
dan arus (Id) pada dioda yang berbeda-beda
pula dengan menghubungkan titik-titik
tegangan dan arus dioda. Pada saat dibalik
tegangan panjarnya, maka akan didapat grafik
dioda seperti pada Gambar 6, hal ini
menjelaskan karakteristik dioda yaitu sebagai
komponen non-linear bila diberikan forward
biased dioda menjadi sangat tidak konduktif
sebelum tegangannya melampaui potensial
barrier, sehingga arusnya sangat kecil. Ketika
tegangannya mendekati potensial barrier,
pasangan elektron-hole mulai melintasi
junction diatas 0,7 volt, biasa disebut tegangan
lutut (knee voltage), Vg, atau tegangan offset,
dioda menjadi sangat konduktif dan
mengalirkan arus yang besar. Semakin besar
tegangannya, maka arus bertambah semakin
cepat. Hal ini menunjukkan, bahwa dioda
memiliki tahanan tertentu, disebut tahanan bulk
(bulk resistance). Sebaliknya, pada saat dioda
dalam bentuk reverse biased, terdapat arus
balik yang sangat kecil,jika tegangan ini
ditambah, akan dicapai tegangan breakdown,
sehingga terjadi peningkatan arus yang sangat
besar yang dapat merusakkan dioda, sehingga
perlu hati-hati dalam hal memberikan tegangan
dioda, agar tidak sampai ke daerah breakdown.
Gambar 5. Forward bias dan reversed bias
Keterangan : pada gambar sebelah kiri forward
bias dan sebelah kanan reversed
bias
bila ini terjadi, elektron akan dapat terus
bergerak melalui hole pada bahan type-p yang
ada menuju kutub positif baterai.
Sebaliknya, jika sumber tegangan tersebut
dibalik polaritasnya, maka rangkaian yang
tampak pada Gambar 5. 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 membuat lapisan
pengosongan semakin besar sehingga beda
potensialnya
mendekati
harga
sumber
tegangan. Namun pada situasi ini, masih
terdapat arus kecil, arus pembawa minoritas,
Gambar 6. Karakteristik dioda
2.9 Fotodioda
Fotodioda adalah semikonduktor sensor
cahaya yang menghasilkan arus atau tegangan
ketika sambungan semikonduktor p-n dikenai
cahaya. Fotodioda dapat dianggap sebagai
baterai solar, tetapi biasanya mengacu pada
sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya
[13]. Cahaya yang dapat dideteksi oleh
fotodioda ini mulai dari cahaya inframerah,
cahaya tampak, ultraviolet sampai dengan
sinar-X. [13]. Pada Gambar 7 memperlihatkan
penampang bagian dari fotodioda. Fotodioda
memiliki daerah permukaan aktif yang
5
ditumbuhkan di permukaan substratyang akan
menghasilkan persambungan p-n. Ketebalan
lapisan yang ditumbuhkan biasanya 1 µm atau
lebih kecil pada daerah persambungan lapisanp dan lapisan-n tedapat daerah deplesi. Daerah
spektral dan frekuensi aktif dari fotodioda
bergantung pada ketebalan lapisan atau doping
[13]. Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron
dalam struktur kristalnya akan terstimulus. Jika
energi cahaya lebih besar daripada energy gap
(Eg), elektron akan pindah ke pita konduksi,
dan meninggalkan hole pada pita valensi. Pada
Gambar 8 menunjukkan keadaan fotodioda
persambungan p-n, dapat dilihat pasangan
elektron-hole terjadi pada lapisan-p dan
lapisan-n.
Gambar 7. Penampang melintang fotodioda.
Gambar 8. Keadaan fotodioda persambungan p-n.
di dalam lapisan deplesi, medan listrik
mempercepat elektron-elektron ini menuju
lapisan-n dan hole menuju lapisan-p. Pasangan
elektron - hole dihasilkan di dalam lapisan-n,
bersamaan dengan elektron yang datang dari
lapisan-p yang bersama-sama menuju pita
konduksi di sebelah kiri (pita konduksi). Pada
saat itu juga hole didifusikan melewati lapisan
deplesi dan akan dipercepat, kemudian hole ini
akan dikumpulkan pada pita valensi lapisanp.Pasangan elektron-hole yang dihasilkan
sebanding dengan cahaya yang diterima oleh
lapisan-p dan lapisan-n. Muatan positif
dihasilkan pada lapisan-p dan muatan negatif
pada lapisan-n. Jika lapisan-p dan lapisan-n
dihubungkan dengan rangkaian terbuka (I = 0),
elektron akan mengalir dari lapisan-n dan hole
akan mengalir dari lapisan-p [13].
2.10 Metode Chemical Solution Deposition
Film BST murni yang memiliki ketebalan
sekitar satu mikron ideal biasanya digunakan
pada berbagai sensor. Pembuatan film BST
murni ini dapat dilakukan dengan cara
sputtering, metal organic vapour deposition
(MOCVD) dan variasi metode chemical
solution deposition. Metode chemical solution
deposition (CSD) merupakan cara pembuatan
film dengan pendeposisian larutan bahan kimia
di permukaan substrat, yang dipreparasi
dengan spin coating pada kecepatan putar
tertentu,yang biasanya digunakan kecepatan
putar 3000 rpm.
Spin coating seperti yang terlihat pada
Gambar 9 adalah cara yang mudah dan efektif
dalam pelapisan film di permukaan substrat
datar. Spin coating merupakan teknik pelapisan
bahan dengan cara menyebarkan larutan ke
permukaan substrat kemudian diputar dengan
kecepatan tertentu yang konstan untuk
memperoleh lapisan baru yang homogen. Spin
coating melibatkan akselerasi dari genangan
cairan di substrat yang berputar. Material
pelapis di deposisi 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 radial substrat
yang bervariasi terhadap waktu.
Pada saat t=0, penggenangan awal dan
pembasahan menyeluruh pada permukaan
substrat (tegangan permukaan diminimalisasi
yakni tidak adanya getaran, noda kering dan
sebagainya). Piringan lalu dipercepat dengan
kecepatan rotasi yang spesifik sehingga
menyebabkan bulk dari cairan terdistribusi
secara merata [14]. Ilmu fisika yang
melatarbelakangin melibatkan kesetimbangan
antara gaya sentrifugal yang diatur oleh
kecepatan putar dan viskositas. Beberapa
parameter dalam spin coating adalah
1.
2.
3.
4.
viskositas larutan
kandungan padatan
kecepatan sudut
waktu putar
Proses pembentukan film dipengaruhi oleh
dua parameter bebas yaitu kecepatan putar dan
viskositas. Rentang ketebalan film yang
dihasilkan oleh spin coating adalah 1-200µm.
Salah satu keuntungan metode CSD adalah
sangat fleksibel untuk komposisi material
apapun, sejak persiapan larutan precursor
prosesnya cepat dan tiap komposisi material
yang
diinginkanuntuk
dicampur
pada
komponen awal dengan nisbah yang
diinginkan. Selanjutnya tidak diperlukan
teknik khusus dan biayanya juga murah [15].
6
Gambar 9. Spin coater
2.11
Metode Volumetric
Metode ini dapat dipakai dengan tepat jika
film
BST
murni
yang
ditumbuhkandipermukaan substrat terdeposisi
secara merata. Metode ini dilakukan dengan
cara menimbang massa substrat sebelum
dilapisi film BST murni dan menimbang
substrat setelah perlakuan annealing dan
terdapat film BST murni di permukaan
substrat, sehingga didapatkan massa film BST
murni yang terdeposisi pada permukaan
substrat. Ketebalan film BST murni dari
metode ini menggunakan rumus (2.1) :
Muatan positif tidak dapat mengalir menuju
ujung kutup negatif dan sebaliknya muatan
negatif tidak bisa menuju ke ujung kutup
positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik
yang non-konduktif. Muatan elektrik ini
"tersimpan" selama tidak ada konduksi pada
ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, fenomena
kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya
muatan-muatan positif dan negatif di awan
[13]. Kemampuan material untuk polarisasi
dinyatakan
sebagai
permisivitas
dan
permitivitas relatif (κ) adalah nisbah antara
permitivitas material (ε) dengan permitivitas
vakum (ε0). Nilai konstanta dielektrik
merupakan material yang dapat menyimpan
muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi
kapasitor sebagai penyimpan muatan [16].
Contoh perhitungan konstanta dielektrik dapat
dilakukan dengan persamaan (2.2) sebagai
berikut :
𝐼 = 𝐼0 𝑒 −τ/𝑅𝐶
(2.2)
Keterangan :arus listrik (I) pada rangkaian, Io
yaitu arus listrik di rangkaian kapasitor pada
kondisi awal (A), τ yaitu time constant (s), R
yaitu hambatan arus (ohm) dan C yaitu
kapasistansi substrat BST (F). Nilai maksimum
terlihat pada persamaan (2.3) dan (2.4) yaitu
terjadi pada saat
𝐼
𝐼 = 𝑒0 ,
(2.3)
Keterangan :e yaitu muatan elektron yang
besarnya 1,602 x 10-19 C, sehingga
𝐼0
𝑒
= 𝐼0 𝑒 −τ/𝑅𝐶
(2.4)
dengan menggunakan persamaan yaitu pada
saat kapasitor terisi penuh secara eksponensial
[17], maka nilai kapasitansi didapatkan :
sehingga didapat hubungan melalui persamaan
(2.5) dan (2.6) yaitu:
τ = 5 RC
2.12
Kapasitor dan Konstanta Dielektrik
Kapasitor adalah piranti yang berfungsi
untuk menyimpan muatan dan energi listrik.
Kapasitor terdiri dari konduktor yang
berdekatan tetapi terisolasi satu dengan lainnya
dan membawa muatan yang sama besar namun
berlawanan. Struktur sebuah kapasitor terbuat
dari dua buah plat metal yang dipisahkan oleh
suatu bahan dielektrik seperti terlihat pada
Gambar 10. Bahan-bahan dielektrik yang
umum dikenal misalnya udara, vakum,
keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung
plat metal diberi tegangan listrik, maka
muatan-muatan positif akan mengumpul pada
salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada
saat yang sama muatan-muatan negatif
terkumpul pada ujung metal yang satu lagi.
Gambar 10. Kapasitor keping sejajar
(2.5)
7
𝐴
Dari hubungan 𝐶 = 𝜀𝑟 𝜀𝑜 𝑑
𝑑𝑄
𝐼 = + 𝑑𝑡
(2.6)
Keterangan :
(2.10)
Keterangan : t yaitu waktu (s)
𝜀𝑟 = permitivitas nisbi
εo = permitivitas vakum dalam ruang hampa
= 8.85 x 10-12 C2/N m2
A = luas kontak aluminium (m2)
Substitusikan persaman (2.10) ke (2.9)
sehingga didapatkan persamaan (2.11) :
𝜀=𝑅
𝑑𝑄
𝑑𝑡
+
𝑄
(2.11)
𝐶
d = ketebalan film (m)
C = kapasistansi pada substrat (F)
sehingga diperoleh konstanta dielektrik film
BST murni seperti pada persamaan :
𝐶𝑑
ĸ = 𝐴𝜀
(2.7)
0
pada saat t=0, muatan (Q) pada kapasitor nol
dan arusnya I0 = ε/R. Muatan lalu bertambah
dan arus berkurang, seperti tampak pada
persamaan (2.9). Muatan mencapai maksimum
Qf = Cεketika arus I sama dengan nol.
Persamaan (2.11) diubah menjadi bentuk
persamaan (2.12) :
Keterangan :
𝑑𝑄
𝑅𝐶 𝑑𝑡 = 𝐶𝜀 − 𝑄
ĸ = konstanta dielektrik
2.13 Time Constant
Time konstan atau yang biasa disebut
sebagai konstanta waktu merupakan waktu
yang dibutuhkan muatan untuk berkurang
menjadi 1/e dari nilai awalnya yang biasanya
disimbolkan dengan τ dan dirumuskan sebagai
τ = RC [4]. Pada kapasitor, muatan disimpan
dalam material dielektrik yang mudah
terpolarisasi dan mempunyai tahanan listrik
yang tinggi sekitar 1011 ohm untuk mencegah
aliran muatan di antara pelat kapasitor.
Kapasitor dapat digunakan untuk pengisian
dan pengosongan muatan. Proses pengisian
muatan pada kapasitor dapat dianalisis seperti
pada Gambar 11. Asumsikan mula-mula
kapasitor tidak bermuatan. Saklar, terbuka
pada awalnya, ditutup pada saat t = 0. Muatan
mulai mengalir melalui resistor dan menuju
plat positif kapasitor. Jika muatan pada
kapasitor pada beberapa saat adalah Q dan arus
rangkaian
adalah
I,
aturan
simpal
kirchoffmemberikan hubungan :
𝜀 − 𝑉𝑅 − 𝑉𝐶 = 0
𝑄
𝜀 − 𝐼𝑅 − 𝐶 = 0
Lalu pisahkan variabel-variabel Q dan t dengan
mengalikan tiap sisi dengan dt/RC dan
membaginya dengan Cε – Q seperti persamaan
(2.13) :
𝑑𝑄
𝐶𝜀−𝑄
(2.9)
Keterangan : I yaitu arus pada rangkaian (A),
R yaitu hambatan pada rangkaian (ohm), Q
yaitu muatan pada kapasitor (C) sedangkan C
yaitu kapasistansi (F).
Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju
ketika muatan pada kapasitor meningkat
seperti pada persamaan (2.10) :
𝑑𝑡
= 𝑅𝐶
(2.13)
dengan mengintegralkan tiap sisi diperoleh
persamaan (2.14) :
-ln (Cε-Q)= t/RC+ A
(2.14)
Keterangan : A adalah konstanta sembarang
dengan mengeksponensialkan persamaan (2.14)
didapat persamaan (2.15) dan (2.16) :
𝐼𝑡
𝑡
𝐶𝜀 − 𝑄 = 𝑒 −𝐴 𝑒 −𝑅𝐶 = 𝐵𝑒 −𝑅𝐶
(2.15)
atau
𝑄 = 𝐶𝜀 − 𝐵𝑒 −𝑡/𝑅𝐶
(2.16)
A
Keterangan : B = e adalah konstanta. Nilai B
ditentukan oleh kondisi awal Q = 0 pada t = 0,
dengan membuat t = 0 dan Q = 0 dalam
persamaan (2.15) sehingga menghasilkan
persamaan (2.17) dan (2.18) yaitu :
(2.8)
Keterangan :𝑉𝑅 yaitu tegangan jatuh pada
resistor (V), 𝑉𝐶 yaitu tegangan jatuh pada
kapasitor (V) dan 𝜀 yaitu beda potensial (V),
atau
(2.12)
0 = Cε – B
(2.17)
B = Cε
(2.18)
atau
dengan mensubstitusikan persamaan (2.16) ke
persamaan (2.15) maka didapat persamaan
(2.19) yaitu :
𝑡
𝑡
𝑄 = 𝐶𝜀 1 − 𝑒 −𝑅𝐶 = 𝑄𝑓 1 − 𝑒 −𝜏
(2.19)
Keterangan : Qf = Cε adalah muatan akhir.
Arus diperoleh dengan mendifferensialkan
persamaan (2.19) sehingga didapatkan
persamaan (2.20) dan (2.21) :
8
𝐼=
𝑑𝑄
𝑑𝑡
−𝑡
= −𝐶𝜀𝑒 𝑅𝐶 (−1/𝑅𝐶)
(2.20)
atau
𝜀
𝐼 = (𝑒 −𝑡/𝑅𝐶 ) =𝐼0 𝑒 −𝑡/𝜏
(2.21)
𝑅
Keterangan : τ = time constant
S
C
R
ε
Gambar 11. Rangkaian pengisian muatan pada
kapasitor
Keterangan :
S = saklar
C = kapasitor (F)
ε = beda potensial (V)
R = hambatan (ohm)
2.14
2αt = ln[(Rmax – Rmin)/(R – Rmin)]
Spektroskopi Optik
Sifat optik suatu material semikonduktor
diketahui dapat digunakan untuk menentukan
lebar celah pita energi (energy gap). Proses
absorpsi terjadi ketika foton dengan energi
lebih besar dari celah pita energi
semikonduktor terserap oleh material. Proses
ini biasanya menghasilkan pasangan elektronhole[12]. Sifat optik dapat diketahui juga dari
spektrum reflektansi, nilai reflektansi film BST
diperoleh dalam bentuk spektrum reflektansi
(%) terhadap panjang gelombang (λ) [18].
Pada semikonduktor, koefisien absorpsi (α)
merupakan fungsi dari panjang gelombang
atau energi foton, ditunjukkan berdasarkan
Persamaan (2.4) dan (2.5) :
α = 4πĸe
λ
(2.23)
Keterangan : hv adalah energi foton (eV) pada
substart BST, γ adalah konstanta dan Eg yaitu
energy gap (eV) pada substrat BST.
(2.24)
Keterangan : t yaitu ketebalan film (m), Rmax
dan Rmin nilai maksimum dan minimum dari
reflektansi film BST dan R nilai reflektansi
yang bersesuaian dengan energi foton. Dengan
memplotkan nilai (αhυ)2 pada sumbu-y dan
(hυ) pada sumbu-x akan didapatkan garis lurus
pada rentang energygap tertentu, dengan
mengekstrapolasi garis lurus ini pada saat nilai
dari [ln {(Rmax – Rmin)/(R – Rmin)}]2 = 0,
didapatkan kisaran energy gapdari film BST
[20, 4].
Tabel 1. Panjang gelombang berdasarkan
spektra cahaya tampak
Spektra
(2.22)
Keterangan : π yaitu konstanta, κe adalah
koefisien pemadaman (extinction), λ yaitu
panjang gelombang (m).
α = (hv-Eg)γ
Terdapat dua jenis transisi dari pita ke pita
yaitu diizinkan (allowed) dan terlarang
(forbidden). Untuk material dengan energy gap
yang langsung, transisi kebanyakan terjadi
antara dua pita yang memiliki nilai κ yang
sama, Transisi langsung yang diizinkan dapat
terjadi pada seluruh nilai κ, sedangkan transisi
langsung yang terlarang hanya dapat terjadi
pada saat κ ≠ 0. Untuk transisi langsung
perkiraan nilai γ sebesar 1/2 dan 3/2 secara
berurutan untuk yang diizinkan dan terlarang
[19]. Untuk κ = 0, energy gap didefinisikan
hanya transisi yang diizinkan (γ = 1/2) yang
terjadi dan ini digunakan untuk menentukan
energy gap secara eksperimen. Pada transisi
tidak
langsung
berperan
dalam
mempertahankan momentum. Pada transisi ini,
tiap fonon (dengan energi Ep) ada yang diserap
dan ada yang diemisikan, dan koefisien
absorpsi(α)dapat dimodifikasi.
Energy gap film BST dapat dihitung
menggunakan metode Tauc, seperti yang telah
dilakukan
[20,4].
Metode
Tauc
ini
menggunakan hubungan koefisien absorbansi
dengan energi foton yang datang pada film
BST. Beberapa penelitian yang telah dilakukan
sebelumnya menyebutkan bahwa koefisien
absorbansi sebanding dengan nilai dari
ln[(Rmax – Rmin)/(R – Rmin)] seperti
ditunjukkan pada persamaan (2.6) :
Ungu
Biru
Hijau
Kuning
Jingga
Merah
Panjang gelombang
(nm)
380 - 450
450 - 495
495 - 570
570 - 590
590 - 620
620 - 750
9
2.15 Hasil Karakterisasi Konstanta
Dielektrik Film Ba0.5Sr0.5Ti03
Pada
penelitian
yang
dilakukan
sebelumnya didapat konstanta dielektrik Film
Ba0.5Sr0.5Ti03 yaitu
Tabel 2. Nilai konstanta dielektrik film BST
murni
(c)
(d)
Waktu annealing film Ba0,5Sr0,5Ti03 (jam)
Gambar 12. Hubungan konstanta dielektrik dan
waktu annealing film Ba0,5Sr0,5Ti03
(e)
Gambar13. Sinyal keluaran pada osiloskop ketika
diberikan tegangan 1 volt
a) Sinyal keluaran sebelum film BST murni
dipasang.
b) Sinyal keluaran setelah film BST murni 8 jam
annealing dipasang
c) Sinyal keluaran setelah film BST murni 15 jam
annealing dipasang
(a)
d) Sinyal keluaran setelah film BST murni 22 jam
annealing dipasang
e) Sinyal keluaran setelah film BST murni 29 jam
annealing dipasang
(b)
10
a) Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.
b) Sinyal keluaran setelah film BST 8 jam
annealing dipasang
c) Sinyal keluaran setelah film BST 15 jam
annealing dipasang
d) Sinyal keluaran setelah film BST 22 jam
(a)
annealing dipasang
e) Sinyal keluaran setelah film BST 29 jam
annealing dipasang
(b)
(a)
(c)
(b)
(d)
(c)
(e)
Gambar 14. Sinyal keluaran pada osiloskop
ketika diberikan tegangan 3 volt
(d)
11
(e)
Gambar 15. Sinyal keluaran pada osiloskop
ketika diberikan tegangan 5 volt
a) Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.
Gambar 18. Hubungan arus (I) dan tegangan
(V) pada substrat C
b) Sinya keluaran setelah film BST 8 jam
annealing dipasang
c) Sinyal keluaran setelah film BST 15 jam
annealing dipasang
d) Sinyal keluaran setelah film BST 22 jam
annealing dipasang
e) Sinyal keluaran setelah film BST 29 jam
annealing dipasang
2.16 Hasil Karakterisasi I-V meter Film
Ba0.5Sr0.5Ti03
Pada
penelusuran
literatur,
didapat
karakterisasi
I-V
meter
pada
Film
Ba0.5Sr0.5Ti03 yaitu
Gambar 16. Hubungan arus (I) dan tegangan
(V) pada substrat A
Gambar 19. Hubungan arus (I) dan tegangan
(V) pada substrat D
2.17
Hasil Karakterisasi Reflektansi dan
Absorbansi Film Ba0.5Sr0.5Ti03
Pada
penelusuran
literatur,
didapat
karakterisasi reflektansi dan absorbansi pada
film Ba0.5Sr0.5Ti03 yaitu
Gambar 20. Hubungan absorbansi dan panjang gelombang
Gambar 21. Hubungan reflektansi dan panjang gelombang.
Gambar 17. Hubungan arus (I) dan tegangan
(V) pada substrat B
12
3.2 Alat dan Bahan
Gambar 22. Indeks bias film BST murni
2.18 Hasil Karakterisasi Konduktivitas Listrik
Film Ba0.5Sr0.5Ti03
Pada
penelusuran
literatur,
didapat
karakterisasi reflektansi dan absorbansi pada
Film Ba0.5Sr0.5Ti03 yaitu
Tabel 3. Nilai konduktivitas film BST murni
berdasarkan perbedaan waktu annealing
Film BST murni
Annealing 8 jam
Annealing 15 jam
Annealing 22 jam
Annealing 29 jam
Konduktivitas listrik σ (S/cm)
1,49 x 10-5
2.05 x 10-5
2,27 x 10-5
6,66 x 10-5
Waktu annealing film Ba0.5Sr0.5Ti03 (jam)
Gambar 23. Hubungan konduktivitas listrik dan
waktu annealing film Ba0,5Sr0,5Ti03
Alat yang akan digunakan pada penelitian
ini adalah neraca analitik model BL 6100,
reaktor spin coater, mortal, pipet,pinset, gelas
ukur 10 ml, hot plate, gunting, spatula,
stopwatch, tabung reaksi, sarung tangan karet,
cawan petris, tissue, isolasi, LCR meter, I-V
meter, osiloskop, potensiometer, hambatan 10
kΩ dan 100 kΩ.
Bahan yang digunakan dalam penelitian
ini
adalah
bubuk
barium
asetat
[Ba(CH3COO)2, 99%], stronsium asetat
[Sr(CH3COO)2, 99%], titanium isopropoksida
[Ti(C12O4H28), 97.999%], 2-metoksietanol,
substrat Si (100) type-p, aquades, HF (asam
florida), kaca preparat dan alumunium foil
3.3 Metode Penelitian
Gambar 12 memperlihatkan skema
diagram alir penelitian pembuatan film BST
murni,
adapun
penjelasan
tahap-tahap
lengkapnya sebagai berikut :
3.3.1 Pembuatan film Ba0,4Sr0,6TiO3 murni
Substrat yang digunakan adalah substrat Si
(100) type-p. Substrat dipotong membentuk
segiempat berukuran 0.5 cm x 0.5 cm dengan
menggunakan mata intan. Kebersihan substrat
sebagai tempat penumbuhan film BST murni
perlu dijaga agar film BST murni dapat
tumbuh baik dan merata. Substrat Si(100) yang
telah dipotong kemudian dicuci dengan
menggunakan asam flurida (HF) 5% dicampur
dengan aquades sebanyak 2%. Pencucian
dilakukan dengan mencelupkan substrat ke
dalam larutan,indikator bersih jika air yang ada
pada permukaan substrat langsung hilang
(gaya kohesi antara air dan substrat kecil).
Setelah terlihat indikator tersebut substrat
langsung ditempatkan di permukaan spin
coating untuk membuang air yang tersisa.
3.3.2
BAB III. BAHAN DAN METODE
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium
Material
dan
Laboratorium
Biofisika,
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian
Bogor
dan
Laboratorium
MOCVD,
Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi
Bandung dari bulan April 2011 sampai dengan
bulan Januari 2012.
Pembuatan
murni
larutan
Ba0,4Sr0,6TiO3
Film BST murni Ba0,4Sr0,6TiO3 yang
ditumbuhkan dipermukaan substrat dengan
metode
CSD
dibuat
dengan
cara
mencampurkan barium asetat [Ba(CH3COO)2,
99%] + stronsium asetat [Sr(CH3COO)2,
99%]+ titanium isopropoksida [Ti(C12O4H28),
97.99%] + 2-metoksi etanol sebagai bahan
pelarut. Dalam penelitian ini, digunakan fraksi
molar Ba sebesar 0.4 sedangkan fraksi molar
Sr sebesar 0,6 agar mendapatkan komposisi
yang sesuai dengan yang diharapkan, bahanbahan tersebut sebelumnya diperhalus dengan
spatula dan ditimbang dengan menggunakan
13
neraca
analitik
sebelum
dilakukan
pencampuran. Setelah bahan-bahan dicampur,
larutan dikocok selama satu jam dengan
menggunakan ultrasonik yaitu bransonic 2510.
Setelah itu larutan disaring dengan kertas
saring untuk mendapatkan larutan yang
bersifat homogen dan BST siap di deposisi
dengan teknik CSD. Persamaan reaksinya ialah
:
0,4Ba(CH3COO)2+0,6Sr(CH3COO)2+Ti(C12H28
O4)+22O2→Ba0,4Sr0,6TiO3 +17H2O + 16CO2
film BST murni dengan ukuran 0.5 cm x 0.5
cm menggunakan aluminium foil. Bahan
kontak yang dipilih adalah aluminium
99,999%. Setelah kontak terbentuk maka
proses selanjutnya adalah pemasangan hider
dan penyolderan kawat tembaga pada kontak,
agar proses karakterisasi film BST murni dapat
dilakukan dengan mudah. Gambar dari film
BST murni yang telah diberi kontak dan hider
ditunjukkan oleh Gambar 25.
3.3.3 Proses penumbuhan film BST murni
Substrat silikon (100) type-p yang telah
dicuci dengan larutan asam flurida (HF) 5%
dicampur dengan aquades sebanyak 2% siap
dilakukan penumbuhan film BST murni
dengan menggunakan reaktor spin coating.
Piringan reaktor spin coating di tempel dengan
doubletip di tengahnya, kemudian substrat
diletakkan di permukaan film. Penempelan
doubletip ini, agar substrat tidak terlepas saat
piringan reaktor spin coating berputar. Substrat
yang telah ditempatkan di permukaan piringan
spin coating ditetesi larutan BST sebanyak 1
sampai 3 tetes. Kemudian reaktor spin coating
diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30
detik.
Gambar 24. Proses annealing
Film BST
3.3.4 Proses annealing
Proses annealing pada suhu yang berbeda
akan menghasilkan karakterisasi film BST
murni yang berbeda dalam hal struktur kristal,
ketebalan dan ukuran butir. Substrat (100)
type-p yang telah ditumbuhi lapisan BST
murni dilakukan proses annealing pada suhu
800oC, 850oC, 900oC pada substrat Si (100)
type-p dengan lapisan BST murni. Pada
perlakuan pertama yaitu suhu 800oC dengan
kenaikan suhu pemanasan 1,670C/menit yang
ditahan selama 15 jam, selanjutnya dilakukan
furnace cooling secara manual sampai
didapatkan kembali suhu ruang. Pada
perlakuan kedua yaitu suhu850oC dengan
kenaikan suhu pemanasan 1,670C/menit, yang
ditahan selama 15 jam, selanjutnya dilakukan
furnace cooling secara manual sampai
didapatkan kembali suhu ruang. Pada
perlakuan ketiga yaitu suhu 900oC dengan
kenaikan suhu pemanasan 1,670C/menit yang
ditahan selama 15 jam,selanjutnya dilakukan
furnace cooling secara manual sampai
didapatkan kembali suhu ruang proses
annealing dapat ditunjukkan pada Gambar 24.
3.3.5 Pembuatan kontak pada film BST
Setelah dilakukan proses annealing,
proses selanjutnya adalah persiapan pembuatan
kontak yang meliputi proses penganyaman
Gambar 25. Prototype sel fotovoltaik tampak atas
Gambar 26. Rangkaian penentu konstanta
dielektrik film BST murni
3.3.6 Metode karakterisasi
Ada beberapa metode karakterisasi yang
dilakukan pada penelitian ini antara lain :
a. Karakterisasi
Ba0.4Sr0.6Ti03
konstanta
dielektrik
film
Pada karakterisasi ini, rangkaian yang
digunakan adalah rangkaian pada Gambar 26.
Dari rangkaian pengukuran ini ditentukan nilai
kapasitansi film sedangkan untuk penentuan
besar konstanta dielektriknyamenggunakan
persamaan (2.1).
14
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
b. Karakterisasi I-V meter film Ba0.4Sr0.6Ti03
Pengukuran hubungan arus dan tegangan
menggunakan alat I-V meter. Data keluaran
dari alat I-V meter merupakan nilai arus dan
tegangan, kemudian dapat dibuat grafik
hubungan tegangan dan arus menggunakan
microsoft excel. Dari grafik hubungan tersebut
dapat diketahui karakteristik film BST murni
yang dibuat, apakah bersifat dioda, resistansi
atau kapasitansi.
c. Karakterisasi reflektansi dan absorbansi film
Ba0.4Sr0.6Ti03
Karakterisasi
ini
dilakukan
untuk
mendapatkan spektrum absorbansi dan
reflektansi film BST murni sehingga dapat
ditentukan daerah serapan panjang gelombang
paling besar dari film BST murni.
Karakterisasi sifat optik dari film BST murni
menggunakan kabel fiber optic sebagai media
transmisi gelombang. Tungsten halogen
lampdigunakan sebagai sumber gelombang.
Perangkat alat kemudian dihubungkan dengan
spectrophotometer Vis-NIR ocean optics USB
1000
oceanoptic
sebagai
detektor.
Spectrophotometer Vis-NIR ocean optics USB
1000
oceanoptic
mendeteksi
panjang
gelombang dari 339 nm sampai 1022 nm
dengan menggunakan metode refleksi.
Spectrophotometer kemudian dihubungkan
dengan komputer. Hubungan absorbansi dan
reflektansi terhadap panjang gelombang
ditampilkan melalui softwarespectra-suite
sehingga diperoleh kurva absorbansi terhadap
panjang gelombang dan reflektansi terhadap
panjang gelombang pada komputer.
d.
Karakterisasi
Ba0.4Sr0.6Ti03
konduktivitas
listrik
film
Konduktivitas film listrik diukur dengan
menggunakan LCR meter. Dari alat dan
rangkaian listrik tersebut didapatkan nilai
konduktansi (G). Nilai resistansi didapatkan
dari persamaan R=1/G sedangkan nilai
konduktivitas dapat dicari dari persamaan
𝜎=
𝐺𝐿
𝐴
(2.26)
Keterangan :
σ = konduktivitas listrik (S/m)
L = jarak antara 2 kontak (m)
G = konduktansi yang terukur pada
LCR meter (S)
A = luas penampang kontak (m2)
Semikonduktor yaitu bahan penghantar
listrik yang karakteristiknya berada diantara
bahan insulator dan konduktor. Film BST yang
dibuat merupakan persambungan antara dua
buah semikonduktor. Silikon yang digunakan
merupakan semikonduktor type-p, sedangkan
lapisan BST merupakan semikonduktor typen.Persambungan antara type-p dan type-n
disebut p-n junction, hal ini memiliki
karakteristik seperti dioda. Persambungan p-n
berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan
type-p menjadi sisi anoda sedangkan bahan
type-n menjadi katoda bergantung pada
polaritas tegangan yang diberikan pada dioda.
Penelitian ini lebih memfokuskan pada
pembuatan
film
Ba0.4Sr0.6TiO3
murni
dipermukaan substrat silikon type-p yang
dilakukan annealing dengan variasi waktu
tetap yaitu 15 jam pada suhu yang berbeda
yaitu substrat A pada suhu 800oC, substrat B
pada 850oC dan substrat C pada suhu 900oC.
4.1 Karakterisasi Absorbansi dan Reflektansi
Uji absorbansi dilakukan untuk melihat
spektrum serapan film BST, yang selanjutnya
dijadikan dasar untuk memilih sumber cahaya
yang akan digunakan ketika film BST
dijadikan sebagai sensor. Sumber cahaya yang
digunakan yaitu panjang gelombang cahaya
tampak, sedangkan alat yang digunakan dalam
karakterisasi ini yaitu spektrofotometer.
Pada hasil karakterisasi absorbansi dapat
dilihat pada Gambar 27. Dari Gambar 27
tersebut dapat disimpulkan bahwa substrat A
maksimum menyerap panjang gelombang 340
nm yaitu spektrum ultraviolet dan minimum
menyerap lebih dari 430 nm pada spektrum
ungu, sedangkan substrat B memiliki dua
puncak serapan yaitu menyerap panjang
gelombang 345 nm pada spektrum ungu dan
panjang gelombang 520 nm pada spektrum
hijau dan substrat C memiliki dua puncak
daerah absorbansi yaitu panjang gelombang
340 nm pada spektrum ungu dan panjang
gelombang 1020 nm pada daerah spektrum
inframerah.
Proses annealing dapat mempengaruhi
kemampuan absorbansi BST ketika bekerja
terhadap cahaya serta efektivitas rentang
panjang gelombang tertentu[22]. Kemungkinan
perubahan daerah serapan tersebut disebabkan
oleh pertumbuhan butir kristal yang
menimbulkan proses pemadatan (densification)
dan penyusutan ketebalan film [22].
Disamping itu, annealing juga mempengaruhi
ukuran butiran film, butiran menjadi lebih
rapat atau kompak, teratur dan homogen [22].
15
Hal ini menunjukkan bahwa homogenitas dan
kerapatan butiran kristal dalam film semakin
ditingkatkan dengan adanya annealing.
Perbandingan karakterisasi absorbansi dan
reflektansi pada film Ba0,4Sr0,6Ti03 dan
Ba0,5Sr0,5Ti03 dapat terlihat pada suhu 850oC
dan waktu annealing 15 jam, hal ini dapat
dilihat pada tabel 4.
Tabel 4. Perbandingan karakterisasi absorbansi
dan
reflektansi
film
Ba0,4Sr0,6Ti03dan
Ba0,5Sr0,5Ti03
berdasarkan Tabel 4 dapat disimpulkan bahwa
aplikasi
maupun
penggunaan
film
Ba0,4Sr0,6Ti03 lebih baik pada spektrum ungu
dan hijau sedangkan pada film Ba 0,5Sr0,5Ti03
lebih baik menggunakan spektrum biru dan
kuning
Gambar 27. Hubungan absorbansi dan
panjang gelombang
pada energy gap [23]. Besarnya energy gap ini
berpengaruh pada proses absorpsi dan
transmisi foton. Ketika material semikonduktor
disinari maka foton diserap dan menimbulkan
pasangan elektron-hole.[23]
Energy gap adalah suatu celah energi
minimal yang harus dimiliki oleh elektron agar
dapat berpindah dari pita valensi ke pita
konduksi [23]. Elektron pada pita valensi ini
dapat berpindah ke pita konduksi dengan
penambahan energi eksternal yang berasal dari
medan listrik eksternal, energi termal, dan
energi energi foton[24], sehingga elektron
lebih banyak berada pada pita konduksi,
sebaliknya pada pita valensi terjadi hole.
Elektron yang tereksitasi saat dikenai energi
foton yang dibawa oleh cahaya, membuat
kondisi pita konduksi lebih bermuatan negatif,
sebaliknya pita valensi lebih bermuatan positif
karena kekurangan elektron. Perbedaan
pembawa muatan dari dua kondisi potensial
yang akan menghasilkan terjadinya arus pada
rangkaian luar yang dihubungkan dengan film
BST [24].
Nilai reflektansi minimum yang setara
dengan nilai absorbansi maksimum, dapat
digunakan untuk menghitung energy gap dari
sebuah semikonduktor, karena pada rentang
panjang gelombang ini merupakan nilai yang
maksimal dalam penyerapan energi foton oleh
elektron untuk melewati energy gap [25].
Berdasarkan dengan data spektrum reflektansi
pada Gambar 28, reflektansi minimum
(absorbansi maksimum) terjadi pada panjang
gelombang pendek. Berdasarkan spektrum
reflektansi, didapat nilai energy gap dari
masing-masing substrat BST dengan variasi
suhu 800oC, 850oC dan 900oC menggunakan
metode Tauc [25] berturut-turut yaitu 3,48 eV,
2,42 eV dan 3,4 eV. Hasil ini sesuai dengan
literatur yang memperlihatkan nilai energy gap
semikonduktor yaitu berkisar 2,4-4 eV [26].
Gambar 28 Hubungan reflektansi dan panjang
gelombang
4.1.1 Perhitungan nilai energy gap
Pengukuran sifat optik merupakan hal
yang sangat penting dalam penentuan energy
gap
material
semikonduktor.
Transisi
elektronik yang terjadi akibat foton bergantung
Gambar 29 Hubungan [ln(
)]2 dan
energy gap pada suhu 800oC
16
Gambar 30 Hubungan [ln(
)]2 dan
energy gap pada suhu 850oC
Gambar 31 Hubungan [ln(
)]2 dan
energy gap pada suhu 900oC
Film BST
Gambar 32 Hubungan energy gap dan suhu
pada film BST
pada film BST maka menyebabkan film BST
menjadi lebih konduktif akibat pemberian
cahaya [27]. Terjadinya sifat konduktif pada
film BST karena adanya energi foton yang
diserap oleh elektron sehingga mudah
menyebabkan elektron menjadi lebih banyak
muncul [27] dari karakteristikI-V yang
dilakukan maka dapat diketahui bahwa film
BST yang dibuat mempunyai sifat sebagai
dioda [27], selain itu dengan adanya perbedaan
kurva ketika diberikan cahaya dan tanpa
cahaya, maka film BST yang dibuat juga
mempunyai sifat sebagai fotodioda[27]. Hal ini
terlihat pada Gambar 33, bahwa terdapat
pergeseran kurva terang dan gelap, hal ini
berarti BST sensitif terhadap cahaya yang
datang.
Pada penelitian lebih lanjut, dilakukan
karakterisasi I-V dengan memvariasikan
spektrum sumber cahaya dengan menggunakan
filter warna hijau, kuning, dan merah hal ini
bertujuan untuk mengetahui kepekaan film
BST pada cahaya tampak yang datang. Pada
Gambar 34 dapat disimpulkan bahwa pada
substrat A spektrum merah lebih sensitif dari
spektrum lainnya karena lebih mendekati pada
kondisi terang dan spektrum hijau lebih
lemah, sedangkan substrat B pada Gambar 35
spektrum yang lebih sentisitif yaitu spektrum
hijau dan spektrum kuning karena spektrum
tersebut lebih peka terhadap intensitas cahaya
yang datang. Pada Gambar 36 yaitu substrat C,
spektrum hijau lebih sensitif dari spektrum
lainnya karena lebih mendekati pada kondisi
terang dan spektrum kuning lebih lemah,
kepekaan spektrum cahaya kemungkinan
disebabkan oleh rekombinasi elektron dan hole
yang terbentuk lebih banyak ketika film
diberikan intensitas cahaya[28].
4.2 Karakterisasi Arus Tegangan
Karakterisasi tegangan dilakukan untuk
melihat sifat dominan dari film BST, apakah
bersifat dioda, fotodioda, resistor atau
fotoresistor [26].Pengukuran kurva arustegangan (I-V) menggunakan alat I-V meter.
Pengukuran tersebut dilakukan dengan dua
perlakuan yaitu pada kondisi gelap dan kondisi
terang dengan intensitas cahaya 405 lux.
Tegangan yang pada sumbu horizontal
merupakan variabel bebas. Pada perlakuan
yang dilakukan, tegangan yang diberikan dari 10 V sampai 10 V.
Prinsip
kerja
I-V
meter
yaitu
menghasilkan arus yang terjadi karena saat
film BSTmemiliki dua muatan yaitu positif dan
negatif
yang
diberikan
tegangan
sehinggaelektron dan hole akan berekombinasi
dan pergerakan elektron akan menghasilkan
arus [26], dengan banyaknya elektron bebas
Gambar 33 Hubungan arus (I) dan tegangan
(V) BST pada kondisi terang dan
gelap
17
Gambar 34 Hubungan arus (I) dan tegangan
(V) pada substrat A
Gambar 35 Hubungan arus (I) dan tegangan
(V) pada substrat B
umum
suhu
annealing
menurunkan
konduktivitas listrik film BST, penurunan ini
disebabkan terjadinya peningkatan evaporasi
lapisan film BST [28] akibatnya dapat
menurunkan jumlah konsentrasi pembawa.
Berdasarkan Tabel 5, data nilai σ film
Ba0,4Sr0,6Ti03
diperoleh nilai konduktivitas
berkisar antara 10-8 S/cm sampai 103 S/cm, hal
ini sesuai dengan literatur [29] sehingga film
Ba0,4Sr0,6Ti03 merupakan bahan material
semikonduktor karena nilai σ yang didapat
berkisar
dalam
konduktivitas
listrik
semikonduktor.
Tiga mekanisme transport yang dapat
terjadi pada batas butir ialah: emisi termionik,
emisi medan termionik, dan emisi medan.
Emisi termionik merupakan
mekanisme
hamburan pada batas butir untuk film
semikonduktor polikristalin[30]. Berdasarkan
statistic Maxwell Boltzmann, konduksi yang
dibatasi oleh emisi termionik atas penghalang
potensial Schottky dinyatakan oleh (Seung et
al.,2007)
σ = L.e2.N.(2πm*kT)-1/2exp(-E/kT)
(2.27)
Keterangan: σ = konduktivitas listrik (S/m), E
adalah energi (J), L adalah ukuran butir (m) dan
N adalah konsentrasi pembawa muatan (m-3).
dengan demikian ukuran butir L sangat
berpengaruh terhadap konduktivitas material
atau resistivitasnya.
Pada Tabel 6, dapat dibandingkan berdasarkan
pada saat suhu annealing 850oC dan waktu
annealing 15 jam bahwa film Ba0,5Sr0,5Ti03
memiliki konduktivitas yang lebih besar
dibandingkan film Ba0,4Sr0,6Ti03
Gambar 36 Hubungan arus (I) dan tegangan
(V) pada substrat C
4.3 Karakterisasi Konduktivitas Listrik
Pengukuran konduktivitas listrik film BST
dilakukan
dengan
mengukur
nilai
konduktansinya
menggunakan
alat
LCRmetermodel
HIOKI
3522-50.
Uji
konduktivitas pada penelitian ini bertujuan
untuk menentukan apakah bahan film BST
yang
dibuat
termasuk
konduktor,
semikonduktor atau isolator. Berdasarkan
literatur suatu bahan material dikatakan
bersifat semikonduktor jika nilai konduktivitas
listriknya berkisar antara 10-8 S/cm sampai 103
S/cm [28]. Pengaruh suhu annealing terhadap
konduktivitas film BST dapat dilihat pada
Tabel 5.
Pada Tabel 5, diketahui bahwa konduktivitas
maksimum film Ba0,4Sr0,6Ti03 terjadi pada suhu
800oC dan minimum pada suhu 900oC. Secara
Tabel 5. Nilai konduktivitas film Ba0,4Sr0,6Ti03
berdasarkan perbedaan suhu annealing
Suhu annealing film BST Konduktivitas listrik σ (S/m)
Suhu 800oC
3,6 x 10-5
o
Suhu 850 C
3,77 x 10-4
o
Suhu 900 C
5,025 x 10-4
Fghs
Film Film BST
Gambar 37 Hubungan konduktivitas listrik
dan suhu film Ba0,4Sr0,6Ti03
18
Tabel 6. Perbandingan karakterisasi
konduktivitas film Ba0,4Sr0,6Ti03 dan
Ba0,5Sr0,5Ti03
(c)
4.4 Karakterisasi Konstanta Dielektrik
Kapasitansi adalah kemampuan penyimpanan
muatan untuk suatu perbedaan potensial
tertentu. Satuan dari kapasitansi adalah
coulomb per volt, yang disebut farad (F).
Ketika ruang di antara dua konduktor pada
kapasitor diisi dielektrik, kapasitansi naik
sebanding dengan faktor ĸ yang merupakan
karakteristik dielektrik dan disebut konstanta
dielektrik.Karakterisasi konstanta dielektrik
didapat menggunakan rangkaian listrik seperti
pada Gambar 26 dengan frekuensi 20 kHz dan
hambatan 10 kΩ dengan variasi frekuensi input
pada range10 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 100 kHz,
250 kHz, 500 kHz, 1 MHz sehingga hasil
outputnya dapat dilihat pada layar osiloskop,
sehingga dari grafik osiloskop pada gambar 39,
40 dan 41 tersebut dapat dihitung time constant
(τ)
serta
kapasitansi
dan
konstanta
dielektriknya [17].
(d)
(e)
(a)
(f)
(b)
(g)
19
(h)
Gambar 38 Sinyal keluaran osiloskop pada
suhu film BST 800oC
(c)
Keterangan :
a. Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.
b. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 10 kHz
c. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 20 kHz
d. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
(d)
frekuensi 30 kHz
e. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 100 kHz
f. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 250 kHz
g. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 500 kHz
(e)
h. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 1MHz
(f)
(a)
(g)
(b)
20
(h)
Gambar 39 Sinyal keluaran osiloskop pada suhu
film BST 850oC
Keterangan :
(c)
a. Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.
b. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 10 kHz
c. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 20 kHz
(d)
d. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 30 kHz
e. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 100kHz
f. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 250 kHz
g. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 500 kHz
(e)
h. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 1 MHz.
(f)
(a)
(g)
(b)
21
Tabel
7.
Hasil karakterisasi konstanta
dielektrik film Ba0,4Sr0,6TiO3
(h)
Gambar 40 Sinyal keluaran osiloskop pada suhu
film BST 900oC
Keterangan :
a. Sinyal keluaran sebelum film BST dipasang.
b. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 10 kHz
c. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 20 kHz
d. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 30 kHz
e. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 100 kHz
f. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 250 kHz
g. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 500 kHz
h. Sinyal keluaran setelah film BST diberi
frekuensi 1MHz
Berdasarkan Gambar 38, 39 dan 40, dapat
dianalisa bahwa kelengkungan pada sinyal
kotak menunjukkan adanya penyimpanan
muatan pada material tersebut. Penyimpanan
muatan ini dapat mengindikasikan bahwa film
Ba0,4Sr0,6Ti03 bersifat kapasitor. Pada variasi
suhu konstanta dielektrik terlihat semakin kecil
akibat bertambahnya suhu annealing, hal ini
dilihat berdasarkan Tabel 7, pada suhu 900oC
nilai kontanta dielektrik paling rendah
dibandingkan dengan suhu lainnya, turunnya
nilai konstanta dielektrik akibat ketebalan film
BST semakin kecil karena terjadi penguapan
pada film BST akibat kenaikan suhu
annealing[30].
Gambar 41 Hubungan konstanta dielektrik dengan suhu
Penelitian lebih lanjut yaitu variasi
frekuensi pada range 10 kHz, 20 kHz, 30 kHz,
100 kHz, 250 kHz pada masing-masing suhu
800oC, 850oC, 900oC, dapat dilihat pada Tabel
7 dapat disimpulkan bahwa konstanta
dielektrik semakin kecil akibat bertambahnya
frekuensi
dan
faktor-faktor
yang
mempengaruhi hasil ini yaitu ketebalan film
serta ketelitian dalam membaca gambar pada
osikoskop. Pada frekuensi 500 kHz dan 1
MHz, frekuensi sumber lebih cepat
dibandingkan frekuensi pengisian film BST
mengakibatkan polarisasi listrik yang terbentuk
lebih cepat pada saat pengisian dan
pengosongan muatan pada film BST. Film
Ba0,4Sr0,6Ti03 pada suhu annealing 8500C dan
waktu annealing 15 jam memiliki nilai
konstanta dielektrik yang lebih besar daripada
film Ba0,5Sr0,5Ti03 yaitu sebesar 24 kHz pada
frekuensi 10 kHz hal ini sesuai dengan
persamaan 2.29 yaitu
C = ĸ Co
Keterangan : C yaitu diantara plat ada bahan
(F), ĸ yaitu konstanta dielektrik, C0 yaitu
diantara plat vakum (F).
Persambungan p-n yang terbentuk pada
film BST dan substrat, film BST yang bertipe
–n memiliki muatan negatif bebas serta ion
positif statik sedangkan substrat memiliki
muatan positif bebas dan ion negatif statik,
tepat pada daerah sambungan dan sekitarnya
terjadi difusi muatan bebas yaitu elektron
menuju type–p dan hole menuju type–n[32].
22
Peristiwa difusi tersebut disertai terjadinya
rekombinasi, yaitu penggabungan elektron dan
hole lalu hilang, dengan rekombinasi ini
disekitar daerah sambungan tidak ada lagi
muatan-muatan bebas dan yang tertinggal
hanya ion-ion statik. Ion-ion statitik yaitu ionion dari atom donor dan akseptor. Daerah
sambungan seperti ini disebut dengan lapisan
deplesi. Karena daerah deplesi mengandung
muatan positif statik pada salah satu sisi dan
muatan negatif pada sisi lain, maka timbul
medan listrik pada daerah deplesi tersebut dan
ini dapat dipandang sebagai keping sejajar
[33]. Dengan demikian daerah deplesi
memiliki nilai kapasitansi.
Hole dalam tipe–p lebih tinggi
konsentrasinya daripada hole dalam tipe–n
maka mereka berdifusi dari daerah tipe–p ke
tipe–n,akantetapi proses ini tidak terjadi terusmenerus jika hole meninggalkan daerah type-p
dan jatuh ke dalam daerah type-n[34]
akibatnya sebuah acceptor akan diionisasikan
menjadi negatif dalam daerah type-p sehingga
membentuk kumpulan muatan negatif, hal
yang sama terjadi pada elektron yang
meninggalkan muatan positif pada daerah typen sehingga membangkitkan medan listrik dan
membentuk kumpulan muatan positif. Medan
listrik inimenghambat hole untuk berdifusi dari
daerahtype-p ke type-n dan hal sama terjadi
pada elektonyang terhambat berdifusi dari
type-n ke type-p [35].
Tabel 8.Perbandingan film BST ditinjau dari sifat
listrik, sifat optik pada suhu annealing
8500C dan waktu annealing 15 jam yang
merupakan nilai terbaik.
Keterangan (-) : Tidak ada data.
(*) : Tidak ada data.
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Penelitian perbandingan film Ba0,4Sr0,6TiO3
terhadap film Ba0,5Sr0,5Ti03 ditinjau dari
karakterisasi sifat optik, listrik, dan sensitifitas
dengan metode yang sama yaitu sol gel dengan
teknik spin coating pada kecepatan putar 3000
rpm selama 30 detik. Hasil karakterisasi
absorbansi dan reflektansi pada panjang
gelombang cahaya tampak pada film
Ba0,4Sr0,6TiO3 lebih baik pada spektrum ungu
dan hijau yaitu nilainya lebih besar pada
daerah serapan panjang gelombang dibanding
spektrum cahaya tampak gelombang dibanding
spektrum cahaya tampak lainnya, sedangkan
karakterisasi
arus-tegangan
(I-V)
dan
konduktivitas listrik menunjukkan bahwa film
Ba0,4Sr0,6TiO3 merupakan semikonduktor yang
bersifat fotodioda. Konstanta dielektrik pada
film Ba0,4Sr0,6TiO3 lebih besar dari film
Ba0,5Sr0,5TiO3 hal ini dikarenakan kapasistansi
yang semakin besar.
5.2 Saran
Untuk penelitian film Ba0,4Sr0,6TiO3, lebih
lanjut bisa dijadikan aplikasi misalnya sensor
sebagai
pembuatan
robot.
Penulis
menyarankan pengukuran film BST dengan
metode volumetrik dan menggunakan scanning
electron microscopy (SEM).
23
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Seo,
J.Y,
S.W,
Park.
2004.
Chemicalmechanical
planarization
characteristic of ferroelectric film for FRAM
applications. J. of Korean Physics society.45
(3). 769-772.
[2]. Azizahwati. 2002. Studi morfologi permukaan
film BST murni Pb0.525Zr0.475TiO3 yang
ditumbuhkan dengan metode DC unbalanced
magnetron sputtering. J. Nasional Indonesia.
Universitas Riau, 5 (1). 50-56.
[3]. Xu, Y. 1991. Ferroelectric Material and Their
Applications. North-Holland. Netherland
[4]. Tipler, P.A. 1991. Physics for Scientist and
Engineers. Worth Publisher Inc.
[5]. Malvino, A.P. 2003. Prinsip Elektronika.
Salemba Teknika. Jakarta
[6]. Giridharan, N.V, P. Ramasamy, R. Jayavel,.
2001. Structural, morphoogical and electrical
studies on barium strontium titanate thin films
prepared by sol-gel technique. Crystal Growth
Centre, Anna University, Chennai, India, 36
(1), 65-72.
[7]. Fuad, A, M. Barmawi, P. Arifin, D. Kurnia,
Bilalodin dan Awitdrus. 1999. Karakterisasi
kapasitansi tegangan film BST murni
ferroelektrik Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan struktur
metal-ferroelektrik-semikonduktor (MFS) dan
potensi
penerapannya
pada
memori.
Proceedings, Industrial Electronic Seminar .
[8]. Darmasetiawan,
H.
2005.
Optimal
penumbuhan film BST murni BaTiO3yang
didadah Indium dan Vanadium (BIVT) serta
penerapannya sebagai sel surya. Institut
Pertanian Bogor.
[9]. Saito,T,Ismunandar. “Kimia
anorganik
”1996.Web. 13 November 2010. Permission
of
Iwanami
ShatenPublishers.
(http://www.kimia-unsur-non logam.com)
[10]. Tanjuang, F.“Perkembangan struktur dan
material film BST murni penyusu
silikon.2003.Web.14Desember2010
(http://inf.untagsby.ac.id/pustaka/publichtml
/Campuran/PDF/fitrcmos.pdf)
[11]. Endarko.“Piranti semikonduktor pdf”. 2008.
Web.15 Oktober 2011.(http://www.
geocities.com)
[12]. Arifin, I. “Elektronika 1.”2004. Web. 14
Oktober 2011.(http://elektronika 1)(9-12).
[13]. Hamamatsu.“Silicon photodiode
Technical”2008.Web.14 Oktober 2011
www.sales.hamamatsu.com
[14]. Darmasetiawan,H,Irzaman, M.Hikam dan T.
Yogaraksa. 2002. Growth oflead zirconium
titanate (PbZr0,52Ti0,48O3) thin filmusing
chemical solution deposition (CSD)
methode.
[15]. Kugeler, C, Wiedenbruck R. 2006.
Integration of Ferroelectric Thin filmsinto
Silicon Based Microsystems.
[16]. Smallman, R.E, R.J, Bishop. 2000.
Metalurgi Fisik dan Rekayasa Material.
Erlangga, Jakarta.
[17] Willam H, Jack E, Steven M. Durban.2002.
Engineering Circuit Analysis. McGraw
Companies,inc. California.
[18]. Krane, K. 1992. Fisika Modern. Penerjemah :
Hans J. UI Press : Depok
[19]. Sze,S.M. 1981. Physics of Semiconductor
Devices 2nd edn. John Wiley andSons.
Singapore.
[20]. Blackburn,
J.A.
2001.
Moderni
Instrumentation for Scientist and Engineers.
Spinger-Verlag. New York Inc.
[21]. Iskandar,Johan.2010. Uji sifat listrik dan sifat
struktur fotodioda ferroelektrik film BST
murni barium stronsium titanateberdasarkan
perbedaan waktu annealing. Departemen
Fisika – Institut Pertanian Bogor .
[22]. Riyanto.Semikonduktivitas.pdf.2009.
Web.12
Oktober
2010
(http://www.pdffactory.com)
[23]. Rio, S.R , M. Iida. 1999. Fisika dan
Teknologi
Semikonduktor.
PT.
PradnyaParamita: Jakarta.
[24]. Omar, M.A. 2007. Elementary Solid State
Physics.
Addison-WesleyPublishing
Company, Inc .
[25]. Ho, J.J, Y.K. Fang, W.J. Lee,
J.
Lee,F.Y.Chen, W.T. Hsieh, S.F.Ting,
M.S.Ju, S.B. Huang, K.H. Wu and C.Y.
Chen. 1999. IEEE Trans Electron Devices.
46 (12), 2289
[26]. Cheng, J.G, J.Tang, A.J. Zhang, X.J. Meng
and J.H. Chu. 2000. Sol-gel derived
pyroelectric barium strontium titanate thin
films for infrared detector applications.
Applied physics amaterials science and
processing.71, 67-670.
[27]. Iskandar, Ridwan. 2010. Karakterisasi film
BST murni ferrolektrik
Ba0,25Sr0,75TiO3
dengan pendadah ferium oksida (Fe203)
memanfaatkan larutan etilane glykol dan
dengan
menggunakan
metode
CSD.
Departemen Fisika – Institut Pertanian Bogor
[28]. Dahrul,M. 2010. Pendadahan, karakterisasi,
aplikasi film BST murni Ba0.5Sr0.5Ti03
sebagai
pengukur
konsentrasi
gula.
Departemen Fisika – Institut Pertanian Bogor
[29]. Schwartz, R.W. 1997. Chemical solution
deposition of perovskite thin films.
department of ceramic and materials
engineering, Clemson University, Clemson,
South Carolina 29634-0907, 9 (11), 23252340.
24
[30]. Ramly, H.Sifat dielektrik bahan.2002. Web.
15 November 2011.(http://institut.fs.utm.
mv.ramli)
[31]. Pipek,
J.
2003.
Semiconductor
Optoelectronic Devices. Academic Press.
USA.
[32]. Sutrisno. 1986. Elektronika Teori dan
Penerapannya. ITB, Bandung
[33]. Lapedes
D.N.
1978.
McGraw-Hill
Dictionary of Scientific and Technical
Terms Second Edition. McGraw-Hill Inc.
[34]. Uchino, K. 2000. Ferroelectric Devices.
Marcel Dekker, Inc. USA.
[35]. Irzaman, Y. Darvina, A. Fuad, P. Arifin, M.
Budiman, and M. Barmawi. 2003. Physical
and pyroelectric properties of tantalum
oxide doped lead zirconium titanate
[Pb0.9950(Zr0,525Ti0,465Ta0,010)O3] thin films
and its application for IR Sensor. Physica
Status Solidi (a), Germany, 199 (3), 416424.
[36]. Munasir. 2004. Semikonduktor. Bagian
Proyek
Pengembangan
Kurikulum,
Direktorat Pendidikan Menengah Kejuruan,
Direktorat Jenderal Pendidikan Dasar dan
Menengah,
Departemen
Pendidikan
Nasional.
25
Lanjutan lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V)
a. Data karakterisasi substrat 800oC
LAMPIRAN
26
Lampiran 1. Diagram alur kerja penelitian
annealing
absorbansi dan reflektansi
27
Lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V)
a.
Data karakterisasi substrat 800oC
Tegangan
Gelap
Terang
Merah
Kuning
Hijau
(volt)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
-1.00E+01
-9.80E+00
-9.60E+00
-9.40E+00
-9.20E+00
-9.01E+00
-8.80E+00
-8.60E+00
-8.40E+00
-5.60E-05
-7.12E-05
-7.10E-05
-6.00E-05
-6.80E-05
-5.57E-05
-6.40E-05
-5.96E-05
-5.31E-05
-1.59E-04
-1.49E-04
-1.49E-04
-1.37E-04
-1.36E-04
-1.28E-04
-1.22E-04
-1.23E-04
-1.14E-04
-7.75E-04
-7.84E-04
-7.48E-04
-7.36E-04
-6.92E-04
-6.68E-04
-6.07E-04
-5.98E-04
-5.42E-04
-1.94E-04
-2.02E-04
-1.96E-04
-1.69E-04
-1.57E-04
-1.44E-04
-1.27E-04
-1.26E-04
-1.12E-04
-2.09E-04
-2.10E-04
-1.99E-04
-2.01E-04
-1.91E-04
-1.86E-04
-1.84E-04
-1.75E-04
-1.73E-04
-8.20E+00
-8.00E+00
-7.81E+00
-7.60E+00
-5.60E-05
-5.32E-05
-4.73E-05
-5.03E-05
-1.15E-04
-1.08E-04
-1.04E-04
-1.02E-04
-5.11E-04
-4.79E-04
-4.40E-04
-4.25E-04
-1.04E-04
-8.90E-05
-8.76E-05
-7.69E-05
-1.65E-04
-1.60E-04
-1.57E-04
-1.51E-04
-7.40E+00
-7.20E+00
-7.00E+00
-6.80E+00
-6.60E+00
-6.40E+00
-4.65E-05
-4.12E-05
-3.87E-05
-4.82E-05
-4.07E-05
-4.09E-05
-1.01E-04
-9.27E-05
-9.21E-05
-8.80E-05
-8.25E-05
-8.32E-05
-3.89E-04
-3.63E-04
-3.33E-04
-2.99E-04
-2.91E-04
-2.61E-04
-6.84E-05
-6.56E-05
-5.39E-05
-5.47E-05
-4.58E-05
-4.26E-05
-1.48E-04
-1.41E-04
-1.42E-04
-1.46E-04
-1.24E-04
-1.27E-04
-6.20E+00
-6.00E+00
-3.51E-05
-3.69E-05
-7.56E-05
-7.89E-05
-2.41E-04
-2.22E-04
-3.97E-05
-3.05E-05
-1.16E-04
-1.16E-04
-5.80E+00
-5.60E+00
-3.12E-05
-3.29E-05
-6.96E-05
-7.02E-05
-2.03E-04
-1.94E-04
-3.38E-05
-2.52E-05
-1.09E-04
-1.00E-04
-5.41E+00
-5.20E+00
-3.46E-05
-3.11E-05
-6.67E-05
-6.13E-05
-1.68E-04
-1.61E-04
-2.28E-05
-2.26E-05
-9.76E-05
-9.03E-05
-5.00E+00
-4.80E+00
-4.60E+00
-4.40E+00
-4.20E+00
-4.00E+00
-3.80E+00
-3.60E+00
-3.40E+00
-3.20E+00
-3.00E+00
-2.80E+00
-2.60E+00
-2.88E-05
-2.49E-05
-2.56E-05
-1.66E-05
-2.13E-05
-1.97E-05
-2.02E-05
-1.53E-05
-1.88E-05
-1.35E-05
-1.30E-05
-1.31E-05
-8.46E-06
-6.36E-05
-5.53E-05
-5.84E-05
-5.16E-05
-5.09E-05
-4.86E-05
-4.28E-05
-4.54E-05
-3.73E-05
-3.90E-05
-3.65E-05
-3.13E-05
-2.97E-05
-1.43E-04
-1.29E-04
-1.23E-04
-1.03E-04
-9.64E-05
-8.12E-05
-8.12E-05
-6.49E-05
-5.68E-05
-5.38E-05
-3.93E-05
-4.05E-05
-3.16E-05
-1.45E-05
-1.82E-05
-1.14E-05
-1.10E-05
-1.08E-05
-5.36E-06
-6.09E-06
-6.90E-06
-7.72E-06
-1.76E-06
1.03E-06
1.05E-06
-2.01E-06
-8.01E-05
-8.13E-05
-6.90E-05
-7.06E-05
-6.99E-05
-5.61E-05
-5.65E-05
-4.60E-05
-4.81E-05
-3.95E-05
-3.51E-05
-3.61E-05
-2.64E-05
28
Lanjutan lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V)
a. Data karakterisasi substrat 800oC
Tegangan
Gelap
Terang
Merah
Kuning
Hijau
(volt)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
-2.00E+00
-1.80E+00
-1.60E+00
-1.41E+00
-5.07E-06
-6.67E-06
-1.35E-06
-2.39E-06
-2.53E-05
-1.68E-05
-1.97E-05
-1.24E-05
-1.64E-05
-1.80E-05
-1.47E-05
-1.05E-05
-1.34E-06
-2.54E-06
3.05E-06
-1.22E-06
-1.62E-05
-2.00E-05
-1.24E-05
-1.05E-05
-1.21E+00
-9.99E-01
-7.89E-01
-6.04E-01
-4.01E-01
-1.99E-01
-1.78E-06
-2.91E-06
2.13E-06
-1.90E-06
-1.22E-06
2.62E-06
-1.27E-05
-6.96E-06
-3.70E-06
-6.47E-06
-2.86E-06
-1.80E-06
-1.16E-05
-5.03E-06
-1.27E-06
-9.52E-06
-4.78E-06
-1.63E-06
-1.75E-06
3.44E-06
9.10E-07
3.31E-06
-3.70E-06
-2.42E-06
-1.02E-05
-2.32E-06
-2.61E-06
-3.44E-06
2.85E-06
1.07E-06
-1.49E-03
2.02E-01
4.09E-01
5.94E-01
7.95E-01
1.00E+00
-2.81E-06
-2.61E-06
2.47E-06
2.60E-06
-3.37E-06
-2.50E-06
3.23E-06
-1.90E-06
2.05E-06
3.36E-06
-2.85E-06
3.35E-06
4.55E-06
-3.01E-06
6.12E-06
1.17E-05
1.03E-05
1.26E-05
3.11E-06
9.17E-07
3.07E-06
-3.78E-06
2.47E-06
1.23E-06
-2.11E-06
2.92E-06
-2.43E-06
-3.63E-06
4.15E-06
1.64E-06
1.20E+00
1.41E+00
2.72E-06
1.46E-06
2.59E-06
-6.92E-07
2.34E-05
1.99E-05
4.41E-06
2.49E-06
3.38E-06
-3.17E-06
1.60E+00
1.79E+00
2.67E-06
-2.92E-06
1.66E-06
5.56E-06
2.69E-05
3.43E-05
4.71E-06
-2.62E-06
5.33E-06
3.83E-06
2.00E+00
2.20E+00
2.40E+00
2.60E+00
2.80E+00
2.99E+00
3.21E+00
3.41E+00
2.07E-06
2.80E-06
-2.62E-06
4.04E-06
2.47E-06
3.57E-06
-1.05E-06
1.10E-06
9.43E-06
4.84E-06
7.04E-06
1.21E-05
1.98E-05
1.69E-05
2.56E-05
2.96E-05
4.60E-05
6.22E-05
5.85E-05
5.27E-05
6.05E-05
5.70E-05
7.04E-05
6.71E-05
2.57E-06
6.10E-06
5.95E-06
1.85E-06
1.57E-06
7.67E-06
2.29E-06
2.67E-06
3.49E-06
-2.00E-06
6.08E-06
1.12E-06
2.82E-06
8.32E-06
2.21E-06
4.71E-06
3.60E+00
3.79E+00
4.00E+00
4.20E+00
6.26E-06
2.26E-06
3.66E-06
7.73E-06
3.26E-05
4.21E-05
4.13E-05
5.17E-05
7.73E-05
8.43E-05
8.42E-05
9.68E-05
8.52E-06
3.60E-06
4.20E-06
9.62E-06
1.05E-05
4.26E-06
4.10E-06
9.27E-06
4.41E+00
4.60E+00
4.80E+00
5.00E+00
5.20E+00
5.40E+00
3.48E-06
6.69E-06
1.07E-05
4.29E-06
1.08E-05
1.82E-05
5.85E-05
6.57E-05
7.36E-05
7.69E-05
8.70E-05
8.86E-05
9.46E-05
1.05E-04
1.14E-04
1.15E-04
1.21E-04
1.34E-04
1.85E-06
8.12E-06
1.04E-05
3.61E-06
5.94E-06
9.74E-06
1.32E-05
1.55E-05
1.05E-05
1.49E-05
2.09E-05
1.46E-05
5.60E+00
5.80E+00
1.54E-05
2.18E-05
1.00E-04
1.05E-04
1.31E-04
1.46E-04
1.14E-05
7.04E-06
2.42E-05
2.10E-05
29
Lanjutan lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V)
a. Data karakterisasi substrat 800oC
Tegangan
Gelap
Terang
Merah
Kuning
Hijau
(volt)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
6.80E+00
7.00E+00
7.20E+00
7.40E+00
7.60E+00
7.80E+00
8.00E+00
8.20E+00
8.40E+00
8.60E+00
8.80E+00
9.00E+00
9.20E+00
9.40E+00
9.60E+00
9.79E+00
1.00E+01
8.79E-05
8.82E-05
1.00E-04
9.83E-05
1.05E-04
1.12E-04
1.17E-04
1.28E-04
1.25E-04
1.33E-04
1.41E-04
1.45E-04
1.51E-04
1.50E-04
1.62E-04
1.59E-04
1.68E-04
1.82E-04
1.97E-04
2.09E-04
2.31E-04
2.19E-04
2.55E-04
2.67E-04
2.73E-04
2.89E-04
2.98E-04
3.22E-04
3.34E-04
3.00E-04
3.67E-04
3.86E-04
4.29E-04
5.30E-04
1.82E-04
1.94E-04
1.92E-04
2.11E-04
2.14E-04
2.29E-04
2.41E-04
2.44E-04
2.63E-04
2.65E-04
2.82E-04
2.98E-04
3.06E-04
3.30E-04
3.39E-04
3.60E-04
3.82E-04
1.15E-05
1.49E-05
9.15E-06
1.20E-05
1.64E-05
1.05E-05
1.31E-05
1.78E-05
1.03E-05
1.79E-05
1.40E-05
1.52E-05
1.97E-05
1.28E-05
1.95E-05
1.70E-05
1.66E-05
3.10E-05
3.62E-05
4.19E-05
3.66E-05
4.74E-05
4.36E-05
5.06E-05
5.38E-05
5.19E-05
6.23E-05
5.91E-05
6.64E-05
7.12E-05
6.87E-05
7.85E-05
8.14E-05
8.27E-05
30
Lanjutan lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V)
b. Data karaktersasi substrat 850oC
Tegangan
Gelap
Terang
Merah
Kuning
Hijau
(volt)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
-10
-9.5
-9
-8.5
-8
-7.5
-7
0.000283867
0.000276257
-0.00027102
0.000255552
0.000245817
0.000223792
0.000206412
0.000644062
0.000599022
-0.00055577
0.000513695
-0.0004756
0.000435572
0.000395663
0.000241444
0.000232577
-0.00021132
0.000203003
0.000207039
0.000179801
0.000165223
-0.000588001
-0.000546476
-0.000486909
-0.000443712
-0.000402938
-0.000338111
-0.000323648
0.000634618
0.000571068
0.000533467
0.000496152
0.000468748
0.000426938
0.000379583
-6.5
-6
0.000183752
0.000162476
0.000356053
0.000314777
0.000133576
0.000128488
-0.000265002
-0.000232922
0.000345339
-0.00031799
-5.5
-5
0.000141039
0.000122164
0.000282339
0.000246056
0.000107995
-8.21359E05
-0.000199783
-0.000171748
0.000282877
-0.00024546
-4.5
-4
-0.00010628
-8.35701E05
-0.00021474
-0.00017153
-6.81662E05
-4.73115E05
-0.000128906
-9.39858E-05
-0.00021344
-0.00017962
-3.5
-3
-6.28092E05
-4.35719E05
-0.00014111
-0.00010724
-2.73188E05
-2.26498E05
-7.43867E-05
-5.51239E-05
-0.00014869
-0.00126147
-2.5
-2
-1.5
-1
-2.3022E-05
-1.21372E05
-4.45269E06
-2.24715E07
-8.17563E-05
-4.19965E-05
-3.03091E-05
-1.26322E-05
-1.82503E05
-1.38843E05
-8.45443E06
-3.70451E06
-4.12111E-05
-2.75968E-05
-1.53193E-05
-9.10155E-06
-6.95041E05
-4.81923E05
-3.28081E05
-1.5882E-05
-0.5
0
-1.88172E08
-1.28E-11
-1.61276E-08
-1.25E-10
-1.11967E06
9.45E-11
-1.06858E-06
-8.61E-11
-6.80142E06
6.76719E-08
0.5
1.45124E-08
4.31783E-09
1.12443E-08
3.67892E-09
1.24233E-05
31
1
1.5
2
2.46631E-08
2.78363E-08
3.93557E-08
9.95509E-09
1.63881E-05
2.57648E-05
2.21319E-08
9.36047E-06
1.78299E-05
5.78017E-09
2.01957E-05
3.20166E-05
3.31032E-05
5.78101E-05
0.00011045
2.5
3
3.5
4
9.35254E-08
1.84457E-07
3.58028E-07
4.56924E-05
3.91519E-05
5.14898E-05
8.34619E-05
9.74814E-05
2.78889E-05
3.27028E-05
4.14604E-05
5.23655E-05
4.23582E-05
5.36672E-05
7.18799E-05
9.43271E-05
0.000142515
0.000182932
0.000242391
0.000265694
4.5
5
5.03773E-05
7.40383E-05
0.000122078
0.000144032
6.46553E-05
7.46161E-05
0.000137478
0.000156643
0.000295467
0.000318231
5.5
6
8.39562E-05
9.52671E-05
0.000173077
0.000203607
8.56316E-05
9.88278E-05
0.000183106
0.00020949
0.000375929
0.000420207
6.5
7
7.5
8
0.000116533
0.00012559
0.000139736
0.000153599
0.000238982
0.00030681
0.000387732
0.00043136
0.00011806
0.000125861
0.000137313
0.000146985
0.000235851
0.000271465
0.000297436
0.000333941
0.000469106
0.000516237
0.000581669
0.000619061
8.5
9
9.5
0.00016729
0.000257483
0.00027714
0.000488544
0.000530894
0.000577551
0.000160486
0.000175839
0.000187773
0.000369489
0.000414413
0.000465888
0.0008107
0.000864253
0.000937025
32
Lanjutan lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V)
c.
Data karakterisasi substrat 900oC
Tegangan
Gelap
Terang
Merah
Kuning
Hijau
(volt)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
(ampere)
-1.00E+01
-9.50E+00
-9.00E+00
-5.874E-05
-5.161E-05
-4.874E-05
-2.439E-04
-6.887E-05
-6.329E-05
-1.109E-04
-1.032E-04
-8.230E-05
-4.801E-05
-4.752E-05
-4.517E-05
-3.819E-05
-5.899E-05
-4.554E-05
-8.50E+00
-8.00E+00
-4.075E-05
-3.148E-05
-6.422E-05
-5.905E-05
-7.661E-05
-6.823E-05
-3.699E-05
-2.994E-05
-3.724E-05
-3.093E-05
-7.50E+00
-7.00E+00
-6.50E+00
-6.00E+00
-5.50E+00
-5.00E+00
-3.037E-05
-2.633E-05
-2.027E-05
-1.573E-05
-1.262E-05
-1.008E-05
-4.817E-05
-3.743E-05
-2.749E-05
-1.637E-05
-1.862E-05
-1.355E-05
-6.126E-05
-5.152E-05
-4.394E-05
-3.506E-05
-2.905E-05
-2.330E-05
-2.742E-05
-2.339E-05
-1.933E-05
-1.733E-05
-1.276E-05
-1.037E-05
-2.533E-05
-2.051E-05
-1.594E-05
-1.255E-05
-9.468E-06
-6.463E-06
-4.50E+00
-4.00E+00
-3.50E+00
-3.00E+00
-1.009E-05
-3.341E-06
-1.953E-06
-5.339E-07
-1.295E-05
-8.329E-06
-2.154E-06
-1.316E-06
-1.816E-05
-1.328E-05
-9.012E-06
-5.975E-06
-8.301E-06
-5.238E-06
-2.314E-06
-2.068E-06
-5.050E-06
-3.576E-06
-2.100E-06
-1.363E-06
-2.50E+00
-2.00E+00
-1.50E+00
-1.00E+00
-1.214E-07
-8.262E-08
-1.893E-08
-8.408E-09
-3.352E-07
-7.065E-08
-1.247E-08
-6.948E-09
-4.724E-06
-2.291E-06
-7.105E-08
-4.985E-08
-6.431E-07
-2.771E-08
-1.200E-08
-7.190E-09
-7.420E-07
-4.014E-07
-1.703E-07
-1.052E-07
-5.00E-01
0.00E+00
-3.710E-09
-4.404E-11
-3.299E-09
8.310E-11
-5.426E-08
-1.979E-11
-3.401E-09
1.691E-10
-1.915E-08
-4.623E-11
5.00E-01
3.357E-09
3.327E-09
1.355E-08
3.470E-09
8.360E-08
33
1.00E+00
1.50E+00
2.00E+00
6.705E-09
1.039E-08
1.461E-08
6.613E-09
1.139E-08
1.450E-08
1.758E-08
8.978E-09
1.278E-08
6.757E-09
1.020E-08
1.359E-08
6.191E-07
1.840E-06
3.762E-06
2.50E+00
3.00E+00
3.50E+00
4.00E+00
1.875E-08
2.289E-08
8.991E-08
7.297E-08
2.082E-08
2.823E-08
3.750E-06
5.270E-06
1.672E-08
2.162E-08
1.778E-08
2.260E-08
1.848E-08
2.403E-08
2.190E-06
2.731E-06
6.311E-06
9.348E-06
1.214E-05
1.663E-05
4.50E+00
5.00E+00
4.330E-07
1.372E-05
9.623E-06
1.121E-05
3.188E-08
5.388E-08
8.336E-06
1.017E-05
2.081E-05
2.568E-05
5.50E+00
6.00E+00
1.564E-05
1.880E-05
1.600E-05
2.040E-05
8.532E-08
1.972E-05
1.199E-05
1.587E-05
4.195E-05
5.065E-05
6.50E+00
7.00E+00
7.50E+00
8.00E+00
2.422E-05
6.859E-05
8.071E-05
1.055E-04
1.144E-04
1.185E-04
1.391E-04
1.746E-04
2.278E-05
2.826E-05
3.057E-05
3.243E-05
1.952E-05
2.216E-05
4.307E-05
7.537E-05
5.851E-05
6.793E-05
7.866E-05
1.002E-04
8.50E+00
9.00E+00
1.033E-04
1.052E-04
1.825E-04
2.497E-04
3.704E-05
3.919E-05
8.671E-05
9.994E-05
1.156E-04
1.331E-04
34
Lampiran 3. Data substratfilm Ba0,4Sr0,6Ti03
No.
Substrat
Massa Keping (kg)
Massa BST (Z-X)
(kg)
Panjang
Lebar
Lebar BST
Luas BST
2
(m )
6020
0.0100
0.0103
0.0062
0.000062
0.0000001
0.0000001
6020
6020
0.0095
0.0106
0.0098
0.0098
0.0060
0.0060
0.000057
6.36E-05
0.0000001
0.0000001
6020
6020
0.0102
0.0103
0.0090
0.0108
0.0055
0.0065
5.61E-05
6.7E-05
2.9610E-07
0.0001205
0.0001127
0.0001204
2.4811E-07
50.25 E-5 s/m
57,8 E-5 s/m
0.0001258
0.0001152
0.0001344
0.0001255
0.0001152
0.0001342
0.0000005
0.0000001
0.0000001
6020
6020
6020
0.0108
0.0090
0.0120
0.0105
0.0102
0.0102
0.0070
0.0060
0.0065
7.56E-05
0.000054
0.000078
1.0986E-06
3.0762E-07
2.1297E-07
3.77 E-4 s/m
2,7 E-5s/m
0,38 E-5 s/m
(X)
(Y)
(Z)
1
800 C
10A
0.0001201
0.0001205
0.0000004
2
3
9
8
0.0001056
0.0001130
0.0001210
0.0001058
0.0001057
0.0001131
4.
5.
900 oC
12
13
0.0001139
0.0001203
0.0001131
8
9
10
850 oC
19 B
20
21
0.0001250
0.0001151
0.0001343
Massa
3
(kg/m )
Dimensi Keping (m)
Tebal BST (m)
1.0717E-06
2.9143E-07
konduktivitas
listrik
o
0.0001132
2.6118E-07
0.36 E-4 s/m
2.1 E-5 s/m
0.93 E-5 s/m
35
Lanjutan lampiran 2. Data karakterisasi arus-tegangan (I-V)
a. Data karakterisasi substrat 800oC
Lampiran 4. Pengolahan data konstanta dielektrik
Pada gambar diatas, data dapat diolah sebagai berikut :
a.
volt/div = 2 volt
d. peak to peak = 2 volt
b.
time/div = 10 µs
e. hambatan = 104 ohm
c.
ketebalan film = 2,974 x 10-7m (pada lampiran 3)
Dengan menggunakan persamaan τ = 5 RC yaitu pada saat kapasitor terisi penuh secara
eksponensial [17], maka nilai kapasitansididapatkan :
τ = 5 RC = 2.10 µS
5
= 4 µS
Jadi, 5 RC = 4 µS
C = 0.8 x 10-10
Menggunakan persamaan ε= CBST . d = 0,8.10-10 F x 2,914.10-7 = 2,63
εo . Akontak
8,85.10-12 x 10-6
36
Lampiran 6. Pengolahan data konduktivitas
1
𝐿
Berdasarkan pada persamaan 𝐺 = 𝑅 , diketahui𝑅 = 𝜎𝐴 , maka bias didapatkan nilai
konduktivitasnya yaitu :
𝜎𝐴
𝐺𝐿
𝐺= 𝐿
𝜎= 𝐴
Untuk substrat 800oC didapat nilai konduktivitasnya :
σ = 4,13.10-3x 2,9 x 10-7
5,7 x 10-5
σ =2,1 x 10-5 S/m