KARAKTERISTIK MORFOLOGI DAN OPTIK FILM

PKMI-3-5-1
KARAKTERISTIK MORFOLOGI DAN OPTIK FILM TIPIS TiO2:Co
YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE MOCVD DI ATAS
SUBSTRAT SILIKON
Iing Mustain
Jurusan pendidikan Fisika, Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung
ABSTRAK
Telah dilakukan karakterisasi film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan
metode MOCVD di atas substrat silikon dengan temperatur penumbuhan yang
bervariasi. Karakterisasi meliputi morfologi, karakteristik optik, kekristalan, dan
sifat kemagnetan dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM),
Photoluminescence (PL), X-Ray diffractometer (XRD), dan Vibrating Sample
Magnetometer (VSM). Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa morfologi film
sangat dipengaruhi oleh temperatur penumbuhan yang digunakan. Morfologi film
terbaik terjadi pada film yang ditumbuhkan dengan temperatur 450oC, yang
ditandai dengan butiran kristal yang tersebar merata dan kompak membentuk
ketebalan film yang merata. Pola pertumbuhan butiran berbentuk kolumnar.
Kehadiran atom-atom Co dalam film ditandai dengan adanya pergeseran nilai
celah pita energi dari celah pita energi bahan dasarnya TiO2. Sampel film
TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan temperatur penumbuhan 450oC memiliki
orientasi kristal tunggal dengan struktur kristal anatase pada bidang (213). Film
ini menunjukkan sifat ferromagnetik yang tergolong bahan magnet lunak (soft
magnetic) yang ditandai dengan nilai koersifitas sekitar 100 Oersted.
Kata kunci: Morfologi, Opik, MOCVD, TiO2:Co, temperatur penumbuhan
PENDAHULUAN
Adanya kendala dalam transport listrik pada sistem persambungan
semikonduktor/sumber spin (logam feromagnetik) pada struktur piranti spintronik
merupakan salah satu alasan dikembangkannya semikonduktor magnetik yang
dikenal dengan Dilute Magnetic Semiconductor (DMS) sebagai pengganti bahan
logam feromagnetik. Dengan menggunakan DMS, maka sistem persambungan
semikonduktor/sumber spin (DMS) pada piranti spintronik akan memiliki kualitas
baik karena keduanya sama-sama merupakan bahan semikonduktor sehingga akan
memiliki konduktivitas listrik yang hampir sama. Dengan hampir samanya nilai
konduktivitas listrik antara bahan semikonduktor dan bahan sumber spin, maka
nilai efisiensi injeksi arus spin dari sumber spin dapat ditingkatkan, bahkan hingga
nilai optimumnya (Flederling, R., 1999; Chambers, S. A., 2003)
Semikonduktor magnetik dapat diperoleh dengan cara mendadah bahan
semikonduktor dengan suatu elemen magnetik (Matsumoto, Y., 2001).
Pengembangan DMS terutama diarahkan pada pencarian bahan yang memiliki
temperatur curie yang tinggi (high temperature curie). Hal ini dilakukan dengan
harapan divais spintronik yang dikembangkan nantinya dapat dioperasikan pada
temperatur ruang (300 K). Pada awalnya, penelitian intensif dilakukan terhadap
bahan semikonduktor GaAs yang didadah unsur Mn (GaAs:Mn) (Ohno, Y., 1999).
Akan tetapi DMS ini memiliki temperatur curie di bawah temperatur kamar, yaitu
sekitar 110 K. Sehingga bahan ini dinilai kurang manjanjikan untuk aplikasinya.
PKMI-3-5-2
Pencarian bahan baru untuk kepentingan ini terus dilakukan, dan akhirakhir ini bahan semikonduktor oksida TiO2 yang didadah unsure Cobalt (TiO2:Co)
ditemukan menunjukkan sifat feromagnetisme pada temperatur ruang (Matsumoto,
Y., 2001). Tentunya penemuan ini memberikan kemajuan yang signifikan dalam
pengembangan bahan DMS selanjutnya.
Sifat fisis bahan TiO2:Co dalam bentuk film tipis sangat dipengaruhi oleh
metode dan kondisi penumbuhannya. Film TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan
metode PLD (pulsed laser deposition) pada tekanan parsial tinggi (>10-6 Torr)
tidak menunjukka efek anomali, sementara penumbuhan pada tekanan parsial
yang lebih rendah menghasilkan film dengan kekosongan oksigen tinggi, yang
dapat menyebabkan peningkatan nilai resistivitas bahan (Hong, N. H., 2003).
Penumbuhan film TiO2:Co dengan MBE (molecular beam epitaxy) menghasilkan
kluster-kluster logam Co yang berukuran beberapa puluh nanometer yang
menghasilkan pulau-pulau berkonduktivitas listrik tinggi (Yang, J. S., 2003).
Salah satu metode penumbuhan film tipis semikonduktor yang akhir-akhir
ini banyak dipergunakan adalah MOCVD (metalorganic chemical vapor
deposition). Metode ini memiliki beberapa keunggulan terutama dalam hal
menghasilkan film yang memiliki ketebalan merata dan sangat tipis, bahkan hanya
beberapa monolayer saja, kemudahan dalam pengaturan persen dadahan, dan
kemudahan dalam penumbuhan struktur multilapisan. Sehingga dengan
menggunakan MOCVD, persen dadahan Co pada semikonduktor TiO2 akan
sangat mudah dikontrol. Parameter kunci dalam penumbuhan bahan
semikonduktor dengan MOCVD adalah temperatur penumbuhan, laju alir sumber2sumber metalorganik, dan tekanan reaktor (Razeghi, M., 1995)
Dalam makalah ini dipaparkan tentang kebergantungan karakteristik film tipis
TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan MOCVD terhadap temperatur penumbuhan.
Karakteristik film TiO2:Co yang ditinjau meliputi karakteristik kekristalan,
morfologi, sifat optik dan respon magnetiknya.
METODE PENDEKATAN
Film tipis TiO2:Co ditumbuhkan dengan metode MOCVD di atas substrat
silicon (100) dengan metode MOCVD vertikal,
menggunakan parameter
penumbuhan seperti ditunjukkan pada tabel 1. Sumber metalorganik yang
digunakan adalah Cairan Titanium (IV) Isoproxide [Ti{OCH(CH3)2}4] 99,99 %
dan serbuk Tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5 heptanedionato) cobalt (III), Co(TMHD)3
99%, dan gas oksigen sebagai sumber O. Serbuk Co(TMHD)3 dilarutkan dalam
pelarut Tetrahydrofuran (THF,C4H8O) dengan konsentrasi 0,2 mol per liter. Hasil
larutan dan bahan cair Ti{OCH(CH3)2}4 kemudian dicampur dengan
perbandingan tertentu dan kemudian dimasukkan ke dalam bubbler yang
dihubungkan dengan ruang reaksi dengan sistem pempipaan. Bubbler dipanaskan
untuk menguapkan bahan. Uap bahan dialirkan dari bubbler ke ruang reaksi
dengan dibonceng oleh gas Argon (Ar). Tekanan uap dalam bubbler dikendalikan
dengan suatu katup pengendali. Tekanan awal ruang reaksi divakum hingga 10-2
Torr. Gas O2 dilairkan ke ruang reaksi ketika proses penumbuhan berlangsung.
Skema sistem reactor MOCVD vertikal yang digunakan untuk penumbuhan film
TiO2:Co diperlihatkan pada gambar 1.
PKMI-3-5-3
Tabel 1. Parameter penumbuhan film tipis TiO2:Co diatas substrat silikon
Parameter deposisi
penumbuhan
Temperatur penumbuhan
Temperatur bubbler (Tb)
Tekanan uap bahan campuran (Pb)
Laju aliran gas O2
Laju aliran gas Ar
Tekanan total penumbuhan (PT)
Waktu penumbuhan
#1
400 oC
50 oC
260 Torr
60 sccm
100
sccm
2 Torr
2 jam
Sampel
#2
#3
o
450 C
500 oC
o
50 C
50 oC
260 Torr 260 Torr
60 sccm 60 sccm
100
100
sccm
sccm
2 Torr
2 Torr
2 jam
2 jam
#4
550 oC
50 oC
260 Torr
60 sccm
100
sccm
2 Torr
2 jam
Karakteristik kekristalan film diinvestigasi dari pola difraksi sinar-X hasil
karakterisasi XRD (X-ray diffractometer) menggunakan radiasi Cu Kα (λ =
1,54056 A) merek Philips tipe PW3710. Ketebalan dan morfologi permukaan
film dianalisis dari hasil pencitraan SEM (scanning electron microscope) tipe
Jeol JSM 6360LA. Sifat optik diwakili oleh nilai celah pita energi optik bahan
yang ditentukan berdasarkan hasil pengukuran PL (photoluminescence), dan sifat
magnetic film diuji dengan sistem VSM (vibrating sample magnetometer).
MFC
Pencampur
Gas
Jalur pipa
Yang dipanaskan
MFC
Jarum
Katup
Manometer
Heater
Ti,Co
Katup Throttle
Pompa Rotary
Ar
Bubbler
Filter
Pompa Root
Blower
Gambar 1. Skema reaktor MOCVD vertikal
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari hasil penumbuhan film tipis TiO2:Co dengan metode MOCVD diatas
substrat silikon pada temperatur yang berbeda diperoleh empat sampel film
O2
PKMI-3-5-4
dengan masing-masing temperatur penumbuhan 400oC, 450 oC, 500 oC, dan
550 oC.
Morfologi film tipis TiO2:Co untuk masing-masing temperatur
penumbuhan ditunjukkan oleh gambar 2. Dari keempat bentuk morfologi film
TiO2:Co, sampel yang ditumbuhkan dengan temperatur penumbuhan 450 oC
memiliki morfologi paling baik yang ditandai dengan ketebalan film yang
seragam, batas butiran kristal tampak jelas dan pola pertumbuhan yang
membentuk kolumnar, serta butiran-butiran kristal tersebar dengan sangat rapat
tanpa membentuk pori.
(a)
(c)
(b)
(d)
Gambar 2. Potret SEM penampang lintang
film tipis TiO2:Co yang
ditumbuhkan pada masing-masing temperatur (a) 400 0C, (b) 450
0
C, (c) 500 0C, (d) 550 0C
Karakeristik optik film tipis TiO2:Co ditunjukkan oleh gambar 3. Dari
gambar tersebut dapat dilihat bahwa keempat sampel film tipis TiO2:Co yang
ditumbuhkan memiliki karakteristik optik yang relatif sama. Puncak intensitas PL
terjadi pada panjang gelombang 4440 Å, besar panjang gelombang ini bersesuaian
dengan nilai celah pita (Eg) sekitar 2.79 eV. Masuknya Co pada matriks TiO2
telah memperkecil nilai celah pita energi basisnya (TiO2) yang bernilai sekitar
3,10 eV. Hasil karakteristik optik ini dapat dipastikan bahwa film TiO2:Co telah
terbentuk. Dari hasil ini juga tampak bahwa variasi temperatur penumbuhan tidak
mempengaruhi nilai Eg bahan.
Pola difraksi sinar-x dari sampel film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan
pada temperatur penumbuhan 450oC ditunjukkan pada gambar 4. Tampak bahwa
orientasi kekristalan bahan sudah mengarah pada orientasi kristal tunggal yaitu
orientasi bidang anatase (213). Hal ini menunjukkan bahwa butiran penyusun
film tumbuh ke sat arah orientasi tertentu yaitu arah bidang (213). Hasil ini
sesuai dengan hasil potret SEM penampang lintang sampel ini yang menunjukkan
PKMI-3-5-5
bentuk butiran penyusun film yang secara umum seragam. Dengan tumbuhnya
struktur kristal anatase, sangat menguntungkan dari segi kepemilikikan mobilitas
pembawa muatan yang lebuh tinggi jika disbanding dengan struktur rutile.
Grafik PL Film Tipis TiO2 :Co
Si (400)
In te n s ity (a .u
.)
(d)
Intensitas (a.u)
(c)
(b)
A(213)
(a)
30
4000
4500
5000
5500
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
2 Theta (derajat)
6000
Panjang Gelombang (Angstrom)
Gambar 3. Grafik intensitas PL (a.u) Gambar 4. Pola XRD
film tipis
terhadap panjang gelom-bang
TiO2:Co yang ditumbuhkan
(Å) untuk setiap sampel yang
pada temperatur 450oC
ditumbuhkan pada temperatur
penum-buhan : (a) 400oC, (b)
450oC, (c) 500 oC, dan (d) 550 oC
Hasil pengujian sifat kemagnetan film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan
pada temperatur 450oC ditunjukkan dengan kurva histerisis magnetisasi pada
gambar 5. Dari kurva histerisis magnetisasi tersebut dapat ditentukan medan
koersif sekitar 100 Oe, magnetisasi remanen sekitar 350 emu/cm3 dan faktor
demagnetisasi nya sekitar 0.394. Berdasarkan nilai-nilai karakteristik kemagnetan
ini, maka film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan tergolong pada magnet lunak (soft
magnetic). Munculnya sifat kemagnetan bahan ini sekali lagi menunjukkan bahwa
unsur magnetik Co telah masuk pada matrik TiO2, karena awalnya bahan TiO2 ini
7
bukan merupakan bahan magnetik.
3
3
M(x10 )(emu/cm)
3
2
10
8
1
6
4
2
0
0
-2
-4
-1
-6
-8
-10
-2
-3
-2
-1
0
1
2
3
H ( x10 2 ) ( O e )
-3
-12
-8
-4
0
4
8
12
3
H (x10 )(O e)
Gambar 5. Kurva Histerisis Magnetisasi Antara Medan koersif (Hc) Terhadap
Magnetisasi Remanen (Mr) Pada Film Tipis TiO2:Co Yang
Ditumbuhkan Pada Temperatur 450oC.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil analisis data yang diperoleh dari berbagai hasil
karakterisasi bahan TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan MOCVD pada
temperature penumbuhan bervariasi, maka dapat disimpulkan bahwa :
PKMI-3-5-6
1. Karakteristik film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan metode MOCVD
secara umum dipengaruhi oleh temperatur penumbuhan yang digunakan.
Morfologi film tipis terbaik terjadi pada sampel yang ditumbuhkan dengan
temperatur penumbuhan 450 OC.
2. Pergeseran nilai pita energi TiO2:Co dari celah pita energi bahan dasarnya
TiO2 menunjukkan bahwa atom Co telah terinkorporasi kedalam matrik TiO2.
Variasi temperatur penumbuhan tidak mempengaruhi nilai celah pita energi
optik bahan secara signifikan.
3. Struktur kekristalan film tipis TiO2:Co yang ditumbuhkan dengan temperatur
penumbuhan 450oC adalah anatase dengan orietasi kristal tunggal pada
bidang (213). Film ini menunjukkan sifat feromagnetik yang tergolong
magnet lunak (soft magnetic), yang ditandai dengan nilai medan koersifnya
sekitar 100 Oe.
DAFTAR PUSTAKA
Flederling, R., Keim, M., Reuscher, G., Ossau, W., Schmidt, G., Waag, A., &
Molenkamp, L. W., Injection and detection of a spin-polarized current in
a light-emitting diode, Nature 402, 788 (1999)
Chamber, S. A., & Yoo, Y, K., New materials for spintronic, MRS Bulettin 28,
706 (2003)
Hong, N. H., Sakai, J., Prellier, W., & Hassini, A., Co distribution in
ferromagnetic rutile Co-doped TiO2 thin film grown by laser ablation on
silicon substrate, Appl. Phys. Lett. 83, 3129 (2003)
Matsumoto, Y., Murakami, M., Shono, T., Hasegawa, T., Fukumura, T.,
Kawasaki, M., Ahmet, P., Chikyow, T., Koshihara, s., & Koinuma, H.,
Room-temperature ferromagnetism in transparent transition metal-doped
titanium dioxide, Science 291, 854 (2001)
Ohno, Y., Young, D. K., Beschoten, B., matsukura, F., Ohno, H., & Awschalom,
D. D., Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor
heterostructure, Nature 402, 790 (1999)
Razeghi, M., “ The MOCVD Challenge Volume 2: A Survey of GaInAsP-GaAs
for photonic and electronic device application,” Institute of Physics
Publishing , pp. 29-42, Philadelphia, Pennsylvania (1995)
Yang, J. S., Kim, D. H., Bu, S. D., Noh, T. W., Park, S. H., Khim, Z. G., Lyo, I.
W., & Oh, S. J., Surface structures of a Co-doped anatase TiO2 (001) film
investigated by scanning tunneling microscopy, Appl. Phys. Lett. 82, 3080 (2003)
PKMI-3-5-7