tinjauan pustaka

23
TINJAUAN PUSTAKA
Bahan Ferroelektrik
Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara
spontan pada material akibat penerapan medan listrik yang mengakibatkan adanya
ketidaksimetrisan
struktur
kristal
pada
suatu
material
ferroelektrik.
Ferroelektrifitas merupakan fenomena yang ditunjukkan oleh kristal dengan suatu
polarisasi spontan dan efek histerisis yang berkaitan dengan perubahan dielektrik
dalam menanggapi penerapan medan listrik. Sifat histerisis dan konstanta
dielektrik yang tinggi dapat diaplikasikan pada sel memori Dynamic Random
Acess Memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melebihi 1 Gbit seperti
yang ditunjukkan pada Gambar 2. Sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai
mikroaktuator dan sensor, sifat polaryzability dapat digunakan sebagai Non
Volatile Ferroelectric Random Acsess Memory (NVRAM), sifat pyroelektrik
dapat diterapkan pada sensor inframerah dan sifat elektrooptik dapat diaplikasikan
pada switch termal infra merah (Syafutra, 2008).
Film tipis ferroelektrik merupakan material elektronik yang memiliki sebuah
polarisasi listrik dengan adanya medan listrik eksternal, polarisasi ini dapat
dihilangkan dengan memberikan medan eksternal yang arahnya berlawanan. Sifat
listrik yang ditunjukkan material ini berkaitan dengan sifat listrik mikroskopiknya.
Muatan positif dan negatif pada material ini tidak selalu terdistribusi secara
simetris. Jika jumlah muatan dikali jarak untuk semua elemen dari sel satuan tidak
nol maka sel akan memiliki momen dipol listrik. Momen dipol persatuan volume
disebut sebagai polarisasi dielektrik (Syafutra, 2008). Contoh bahan ferroelektrik
adalah LiTaO3, BaxSr1-xTiO3, dan turunannya.
Kurva hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E)
ditunjukkan pada Gambar 3, ketika kuat medan listrik ditingkatkan maka
polarisasi meningkat cepat (OA) hingga material akan mengalami kondisi saturasi
(AB). Jika kuat medan diturunkan, polarisasinya tidak kembali lagi ke titik O,
melainkan mengikuti garis BC. Ketika medan listrik tereduksi menjadi nol,
material akan memiliki polarisasi remanan (Pr) (OC). Untuk menghapus nilai
24
Gambar 3. Kurva histerisis
polarisasi dari material dapat dilakukan dengan menggunakan sejumlah medan
listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga dari medan listrik untuk
mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan koersif (Ec). Jika medan
listrik kemudian dinaikkan kembali, material akan kembali mengalami saturasi,
hanya saja bernilai negatif (EF). Putaran kurva akan lengkap jika ,medan listrik
dinaikkan lagi dan pada akhirnya akan didapatkan kurva hubungan polarisasi (P)
dengan medan koersif (Ec) yang ditunjukkan loop histerisis (Marwan, 2007).
Bahan Barium Stronsium Titanat (BST)
Barium stronsium titanat (BST) adalah film tipis yang berpotensi untuk
DRAM dan NVRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi, kebocoran arus
rendah dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperatur
Curie. Temperatur Curie pada barium titanat adalah 130oC dan dengan adanya
doping stronsium temperatur Curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat
digunakan pada devais yang memerlukan temperatur kamar. Film tipis BST telah
difabrikasi dengan beberapa teknik seperti sputtering, laser ablation, dan sol-gel
process. Kenaikan temperatur annealing akan menaikkan ukuran grain dalam
kristal film tipis BST. Pada suhu annealing 700oC struktur BST yang teramati
adalah struktur kubik dengan konstanta kisi a= 3,97Å untuk 30% mol stronsium.
Konstanta dielektriknya diukur dari kurva C-V kira-kira 120 dengan faktor
disipasi 0,0236. Kebocoran rapat arus dari film adalah 4x10-8A/cm dari
perhitungan I-V menggunakan divais peralatan fabrikasi (Giridharan et al. 2001).
Kapasitor BST memiliki keuntungan yaitu punya range 0,5 pF sampai 500 nF.
Gambar 4 adalah contoh chip kapasitor BST.
25
Gambar 4. Chip kapasitor BST
Berikut Persamaan reaksi barium stronsium titanat (BST):
0,5Ba(CH3COO)2 + 0,5Sr(CH3COO)2 + Ti(C12H28O4) + 22O2 → Ba0,5Sr0,5TiO3 +
17H2O + 16CO2
Film tipis BaxSr1-xTiO3 ( BST ) merupakan material ferroelektrik yang
banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik tinggi
(εr>> εSiO2) dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage
capacity) sehingga dapat diaplikasikan sebagai kapasitor (Syafutra, 2008).
Beberapa penelitian juga berpendapat kalau BST memiliki potensi untuk
mengganti lapisan tipis SiO2 pada sirkuit MOS di masa depan. Dari penelitian
yang telah dilakukan sampai saat ini, lapisan tipis BST biasanya memiliki
konstanta dielektrik yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya.
Struktur mikro butir yang baik, tingkat tekanan yang tinggi, kekosongan oksigen,
formasi lapisan interfacial, dan oksidasi pada bottom electrode atau Si dipercaya
menjadi faktor yang menyebabkan penurunan sifat listrik ini. Film tipis BST dapat
dibuat dengan berbagai teknik di antaranya CSD, sputtering, laser ablasi,
MOCVD dan proses sol gel.
Bahan Pendadah Tantalum Pentaoksida (Ta2O5)
Pendadah memiliki fungsi untuk merubah parameter kisi, konstanta
dielektrik, sifat elektrokimia, sifat elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari film
tipis. Bahan pendadah material ferroelektrik terbagi menjadi dua jenis yaitu soft
dopant dan hard dopant. Ion soft dopant dapat menghasilkan material
ferroelektrik memiliki koefisien elastisitas yang lebih tinggi, sifat medan koersif
yang lebih rendah, faktor kualitas mekanik dan listrik yang lebih rendah. Soft
dopant disebut juga donor dopant karena menyumbang valensi yang berlebih
pada struktur Kristal BST. Sedangkan ion hard dopant dapat menghasilkan
26
material ferroelektrik menjadi lebih hardness, sifat medan koersif yang lebih
tinggi, faktor kualitas mekanik dan listrik yang lebih tinggi. Hard dopant disebut
juga acceptor dopant karena menerima struktur berlebih dalam struktur Kristal
BST ( Utami, 2007).
Tantalum merupakan logam yang memiliki kemiripan sifat-sifat kimia
dengan unsur non logam, tantalum lebih banyak ditemui dalam bentuk anion
dibandingkan kation. Beberapa persenyawaan yang penting dari tantalum adalah
halida dan oksida halida yang bersifat volatil dan mudah terhidrolisis. Beberapa
sifat dari tantalum adalah logam mengkilat, titik lelehnya tinggi 2468oC, tahan
terhadap asam, dapat larut dalam campuran HNO3-HF, bereaksi lambat dengan
leburan NaOH. Ta2O5 merupakan persenyawaan dengan oksigen yang berbentuk
serbuk putih dan bersifat inert, tidak larut dengan semua asam kecuali dengan HF
pekat serta dapat larut dalam leburan NaOH dan NaHSO4. Persenyawaan halida
tantalum adalah pentafluorida, dibuat dari reaksi fluorinasi dari logamnya,
merupakan padatan putih volatil, dalam keadaan cair tidak berwarna dan volatil.
Persenyawaan halida tantalum yang lain adalah pentaklorida dibuat melalui reaksi
klorinasi dari logamnya, merupakan padatan kuning, terhidrolisis menjadi hidrat
oksida (Darjito, 2002). Penambahan sedikit pendadah dapat menjadikan
perubahan parameter kisi, konstanta dielektrik, sifat elektro-kimia, sifat elektrooptik dan sifat pyroelektrik dari keramik pada film tipis. Penambahan tantalum
pentaoksida
akan
mendapatkan
bahan
pyroelektrik
bersifat
menyerupai
semikonduktor tipe-n (Darjito, 2002). Gambar 5 menunjukkan atom tantalum
menggantikan atom titanium pada struktur BST (Darjito, 2002). Berat molekul
tantalum pentaoksida lebih besar dibandingkan BST (barium stronsium titanat)
besarnya berat bahan pendadah memungkinkan ketika proses annealing dilakukan
pada temperatur tinggi bahan pendadah tidak mengalami penguapan. Pada
annealing dengan temperatur tinggi dapat mengakibatkan film tipis BST yang
telah dideposisi menguap sehingga mengurangi kualitas kristal film tipis BST.
Dengan adanya penambahan tantalum pentaoksida 2,5%, 5%, 7,5% dan 10 %,
bahan pendadah yang tidak mengalami penguapan, maka lapisan film tipis BSTT
(semikonduktor tipe-p) akan lebih banyak terisi tantalum, sehingga akan
meningkatkan sifat listriknya.
27
Gambar 5. Struktur Ba0.5Sr0.5TiO3 didadah Tantalum Pentaoksida
Fotodetektor
Fotodetektor terdiri dari beberapa jenis diantaranya devais tabung vakum,
fotodioda semikonduktor, devais fotokonduktif semikonduktor dan termokopel.
Aplikasi Film tipis BST sebagai fotodetektor dapat berupa devais fotodioda dan
fotokonduktiv. Dioda adalah sambungan p-n yang berfungsi terutama sebagai
penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi katoda sedangkan bahan tipe-n akan
menjadi anoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya,
diode bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anode
mendapatkan tegangan positif sedangkan katodenya mendapatkan tegangan
negatif) dan berlaku sebagai saklar terbuka (apabila bagian anode mendapatkan
tegangan negative sedangkan katode mendapatkan tegangan positif). Kondisi
tersebut terjadi hanya pada diode ideal. Pada diode faktual (riil), perlu tegangan
lebih besar dari 0,7V (untuk diode yang terbuat dari bahan silikon). Tegangan
sebesar 0,7V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Diode yang
terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3V
(Syafutra, 2007)
Fotodioda adalah semikonduktor sensor cahaya yang menghasilkan arus
atau tegangan ketika sambungan semikonduktor p-n dikenakan cahaya. Fotodioda
biasanya mengacu pada sensor untuk mendeteksi intensitas cahaya. Cahaya yang
dapat dideteksi oleh diode foto ini mulai dari cahaya infra merah, cahaya tampak,
ultra ungu sampai dengan sinar-X. Pada Gambar 6 memperlihatkan penampang
bagian dari fotodioda. Fotodioda memiliki daerah permukaan aktif yang
ditumbuhkan di atas permukaan substrat, yang pada akhirnya akan menghasilkan
persambungan p-n. Ketebalan lapisan yang ditumbuhkan biasanya memiliki
28
ketebalan 1μm atau lebih kecil lagi dan pada daerah persambungan lapisan-p dan
lapisan-n terdapat daerah deplesi. Daerah spektral dan frekuensi aktif dari
fotodioda bergantung pada ketebalan lapisan atau doping(Syafutra, 2008).
Jika cahaya mengenai fotodioda, elektron dalam struktur kristalnya akan
terstimulus. Jika energi cahaya lebih besar dari pada energy bandgap (Eg),
elektron akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan hole pada pita valensi.
Pada Gambar 6 terlihat pasangan elektron-hole terjadi pada lapisan-p dan lapisann. 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 samasama akan menuju pita konduksi di sebelah kiri. Pada saat itu juga hole
didifusikan melewati lapisan deplesi dan akan dipercepat, kemudian hole ini akan
dikumpulkan pada pita valensi lapisan-p. 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 luar, elektron akan mengalir dari
lapisan-n dan hole akan mengalir dari lapisan-p seperti pada Gambar 7 .
Gambar 6. Penampang melintang Fotodioda.
Gambar 7. Keadaan fotodioda persambungan p-n.
29
Gambar 8. Grafik karakteristik diode ideal silikon
Grafik karakteristik diode ideal silikon ditunjukkan pada Gambar 8.
Karakteristik diode menggambarkan perilaku diode ketika diberi panjar maju dan
panjar mundur. Grafik ini digambarkan dengan sumbu –X
X sebagai fungsi
tegangan dan sumbu-Y
Y sebagai arus listrik yang muncul.
Pada saat tegangan panjar maju ((forward bias) kurang dari 0,6 V, maka arus
listrik yang dihasilkan cukup kecil. Hal ini disebabkan karena adanya lapisan
penghalang (depletion
depletion layer) sehingga hambatan cukup besar. Saat tegangan
pajar maju lebih dari 0,6 V, arus yang mengalir bertambah besar. Hal itu terjadi
karena hambatan pada diode sambungan menjadi kecil. Pada saat panjar maju,
tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N, sehingga elektron dari sisi N akan
bergerak mengisi hole di sisi P. Jika elektron mengisi hole disisi P, maka akan
terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut aliran hole dari P
menuju N. Jika mengunakan terminologi arus listrik, maka di
dikatakan
katakan terjadi aliran
listrik dari sisi P ke sisi N.
Pada saat diberi panjar mundur ( reverse bias), arus yang mengalir sangat
kecil dan dapat diabaikan. Pada saat terjadi panjar mundur, lapisan penghalang
bertambah lebar. Dengan bertambah lebarnya lapisan
lapisan penghalang ini, arus listrik
akan sukar mengalir. Hanya arus listrik yang nilainya kecil yang disebabkan oleh
ikatan yang putus pada masing
masing-masing
masing semikonduktor saja yang muncul. Arus
listrik ini disebut arus bocor. Apabila tegangan panjar mundur diperbesar
erbesar akan
semakin banyak arus bocor yang akhirnya dapat merusak sambungan p-n.
p
Tegangan ini disebut breakdown voltage atau tegangan rusak. Kenyataannya,
diode yang terbuat dari silikon memiliki nilai Isat yang sangat kecil yaitu berada
pada orde 10-10A . Nilai ini tidak bisa dibaca pada alat ukur yang biasa dipakai
30
seperti osiloskop, volt meter digital dan lain sebagainya. Alat ukur yang bisa
dipakai salah satunya disebut curve tracer.
Persamaan teoretis untuk arus diode atau sering disebut persa
persamaan
maan diode
ideal Shockley adalah:
(1)
Dimana IS adalah arus saturasi, n adalah koefisien emisi, dan VT adalah tegangan
termal. iD dan vD adalah nilai arus listrik dan tegangan yang diplotkan pada
Gambar 8. Koefisien emisi menunjukkan jumlah rekombinasi elektron dan hole
di daerah deplesi, yang cenderung menurunkan arus listrik. Untuk diode yang
diskrit, nilai n 2. Untuk diode sirkuit teri
terintegrasi, nilai n 1. Nilai n yang
ya
berbeda dikarenakan pada diode sirkuit terintegrasi dibuat sebagai transistor
bipolar yang kolektornya terhubung ke basis. Sedangkan tegangan
egangan termal
ditunjukkan oleh Persamaan
ersamaan 2 :
(2)
Dimana k adalah konstanta B
Boltzmann,
oltzmann, T adalah temperatur Kelvin, dan q adalah
muatan elektron. Nilai VT meningkat seiring dengan meningkatnya T, sehingga
berdasarkan persamaan 1 , meningkatnya T akan menyebabkan menurunnya nilai
iD.
Pada saat terjadi tegangan panjar mundur ( reverse bias) seperti yang
terlihat pada Gambar 8, nilai eksponensial pada persamaan
samaan diode dapat diabaikan.
Arus
rus listrik yang muncul adalah konstanta ((negatif) arus listrik reverse -IS.
Sedangkan daerah breakdown reverse tidak dimodelkan oleh persamaan diode
Shockley.
Pada saat terjadi panjar maju ((forward bias ), nilai eksponesial sangat
besar karena tegangan termal sangat kecil, sehingga pengurangan 1 pada
persamaan 1 dapat diabaikan dan arus listrik diode panjar maju mendekati
Persamaan 3.
(3)
Kapasitansi dan Dielektrik Bahan
Kapasitansi adalah kemampuan penyimpanan muatan untuk suatu perbedaan
potensial tertentu. Satuan dari kapsitansi adalah coulomb per volt, yang disebut
31
farad (F). Besarnya kapasitansi kapasitor tidak bergantung dari V dan Q, tetapi
bergantung pada bentuk geometri dan dielektrik bahan kapasitor. Seperti pada
Persamaan 4 :
=
(4)
Dengan C kapasitansi kapasitor, ε konstanta dielektrik bahan, εo permitivitas
ruang hampa (8,85 x 10-12 C2 m-2 N-1), d jarak antara dua plat (m), A luas
penampang plat (m2).
Suatu material isolator, seperti kaca, kertas atau kayu disebut dielektrik.
Ketika ruang di antara dua konduktor pada suatu kapasitor diisi dielektrik,
kapasitansi naik sebanding dengan faktor k yang merupakan karaktristik dielektrik
dan disebut konstanta dielektrik. Kenaikan kapasitansi ini disebabkan oleh
melemahnya medan listrik di antara keping kapasitor akibat adanya bahan
dielektrik. Dengan demikian, untuk jumlah muatan tertentu pada keping kapasitor,
perbedaan potensial menjadi lebih kecil dan rasio Q/V bertambah besar (Tippler,
1991). Ketika suatu dielektrik diletakkan antara keping-keping kapasitor, medan
listrik dari kapasitor mempolarisasikan molekul-molekul dielektrik. Hasilnya
adalah terdapat suatu muatan terikat pada permukaan dielektrik yang
menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan medan listrik luar. Dengan
demikian, medan listrik antara keping-keping kapasitor akan menjadi lemah
(Tippler, 1991). Proses pengisian kapasitor pada Gambar 9 dapat dijelaskan
sebagai berikut. Pada saat saklar ditutup pada saat t = 0. Muatan mulai mengalir
melalui resistor dan menuju plat positip kapasitor. Jika muatan pada kapasitor
pada beberapa saat adalah Q dan arus rangkaian adalah I, aturan simpal Kirchoff
memberikan
atau
−
−
−
−
=0
(5)
=0
(6)
Dalam rangkaian ini, arus sama dengan laju di mana muatan pada kapasitor
meningkat :
= +
(7)
32
Gambar 9. Rangkaian pengisi muatan pada kapasitor
Subtitusikan persamaan 6 ke 7 :
+
=
(8)
Pada saat t = 0, muatan pada kapsitor nol dan arusnya I0 =
/ R . Muatan
akan bertambah sedangkan arus berkurang, seperti tampak pada Persamaan 6.
Muatan mencapai maksimum Qf = C
ketika arus I sama dengan nol. Persamaan
8 diubah menjadi bentuk :
=
-Q
(9)
Time konstan atau konstanta waktu merupakan waktu yang dibutuhkan
untuk berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya dan disimbolkan τ dan
dirumuskan sebagai τ = RC . Pada kapasitor, muatan disimpan dalam material
dielektrik yang mudah terpolarisasi dan mempunyai tahanan listrik yang tinggi
(sekitar 1011) untuk mencegah aliran muatan diantara plat kapasitor. Gambar
memperlihatkan rangkaian RC untuk pengisian muatan dan tegangan yang ada
pada kapasitor diperoleh :
( )
=
( )=
1−
/
(10)
Sifat Optik
Pengukuran sifat optik merupakan hal yang sangat penting dalam penentuan
energi bandgap material semikonduktor. Transisi elektronik yang terjadi akibat
foton bergantung pada energi bandgap (Bishop, 2009). Besarnya energi bandgap
ini berpengaruh pada proses absorpsi dan transmisi foton. Ketika material
semikonduktor disinari maka foton diserap dan menimbulkan pasangan elektronhole seperti yang terlihat pada Gambar 10. Jika energi foton sama dengan energi
33
Gambar 10. Absorpsi Optik
bandgap maka terjadi proses (a), jika energi foton lebih besar dari pada energi
bandgap maka terjadi proses (b) di mana pada peristiwa ini terdapat tambahan
energi panas sebesar (hv =Eg), jika material semikonduktor terdapat
ketidakmurnian maka akan terdapat pita donor dan dapat terjadi transisi seperti
pada proses (c). Pada proses (a) dan (b) dinamakan transisi intrinsik (transisi band
to band) (Sze et al., 2007).
Absorbansi merupakan kebalikan dari transmitansi, yaitu fraksi radiasi
datang yang diserap oleh medium, dinyatakan oleh:
= log = log
= − ln
(11)
Koefisien absorpsi α adalah fraksi radiasi yang diserap dalam satuan jarak
yang dilalui dan merupakan karakteristik medium tertentu dan panjang gelombang
tertentu. Absorpsi foton bergantung pada sifat bahan semikonduktor dan panjang
gelombang cahaya yang datang. Arus yang dihasilkan oleh sebuah sel surya
bergantung pada panjang gelombang cahaya yang datang. Hal ini merupakan
karakteristik dari bahan semikonduktor dan dinyatakan pada persamaan:
=
(12)
Absorpsi A merupakan karakteristik bahan. Berdasarkan Persamaan 8 dan
Persamaan 9, hubungan transmitansi dan koefisien absorpsi sebagai panjang
gelombang dapat dinyatakan sebagai berikut :
=
ln
(%)
(13)
Absorpsi material semikonduktor menyebabkan terjadinya eksitasi elektron
dari pita valensi ke pita konduksi. Transisi pada material semikonduktor dapat
dituliskan dengan persamaan :
(ℎ ) =
ℎ −
(14)
34
dengan : α = koefisien absorpsi, C = konstanta, hυ = energi foton, Eg = energi gap,
n = ½ untuk transisi langsung, n = 2 untuk transisi tidak langsung.
Selain itu, pengukuran sifat optik sangat penting untuk penentuan indeks
bias film tipis. Sumber cahaya yang melewati film tipis, sebagian akan
ditransmisikan dan sebagian lagi akan direfleksikan oleh film tipis tersebut.
Pengukuran transmisi dan refleksi dapat digunakan untuk memperoleh data band
edge, koefisien serapan optik, energi gap, indeks bias dan sebagainya. Hubungan
antara reflektivitas dan indeks bias film tipis sesuai dengan persamaan 15.
(Nussbaum et al. 1976)
√ =
=
√ +√ =
1+ √ =
=
−
−1
1+ √
√
(15)
1− √
Difraksi Sinar-X
Zat padat dibedakan menjadi 2 kategori yaitu kristal dan amorf. Kristal
dibentuk oleh ion-ion, atom-atom dan molekul-molekul yang kemudian tersusun
menjadi pola tiga dimensional yang teratur dan terulang. Jenis kristal mempunyai
keteraturan
dengan
jangkauan
yang
panjang
dalam
susunan
partikel
pembangunnya. Sedangkan amorf strukturnya memiliki keteraturan dengan
jangkauan yang pendek.
Salah satu cara yang digunakan untuk mengetahui keteraturan atom atau
molekul adalah dengan menggunakan difraksi sinar-x. Sinar-x merupakan
gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang pendek. Akibat
adanya radiasi elektromagnet yang diarahkan pada kristal akan memberikan efek
interferensi. Interferensi pada kondisi tertentu yaitu jika arah bidang kristal
terhadap berkas sinar-x (θ) memenuhi persamaan Bragg, akan mengalami
penguatan. Prinsip ini digunakan untuk mengetahui struktur dari kristal.
35
Gambar 11. Prinsip dasar analisis struktur kristal menggunakan difraksi sinar-X
Sinar-X merupakan radiasi elektromagnet energi tinggi.
mempunyai panjang gelombang antara 0.01 nm sampai 1.15 pm.
Sinar-X
Panjang
gelombang tersebut berada pada range jarak antar atom dalam sistem kristal. Oleh
karena itu sinar-X dapat digunakan untuk memahami struktur dari bahan
(Beiser,1987).
Berdasarkan hukum braggs difraksi sinar-X terjadi pada dengan ketentuan:
2
=
(16)
dengan d = jarak antar atom, λ = Panjang gelombang sinar- X, θ = Sudut
difraksi.
Hasil difraksi maksimum dan minimum dari sinar-X selanjutnya ditangkap
oleh detektor dalam bentuk cps ( counter per second ). Puncak puncak terdeteksi
untuk sudut tertentu berkaitan dengan indek Miler (hkl). Jarak bidang dan hkl
pada kristal kubik dirumuskan:
=
(17)
Prinsip kerja penentuan karakteristik bahan khususnya struktur kristal
menggunakan sinar-X diperlihatkan pada Gambar 11.
Morfologi Lapisan Tipis
Scanning Electron Microscope (SEM) adalah salah satu tipe mikroskop
elektron yang mampu menghasilkan resolusi tinggi dari gambaran suatu
permukaan sampel.
Oleh karena itu gambar yang dihasilkan oleh SEM
mempunyai karakteristik secara kualitatif dalam 3 dimensi karena menggunakan
elektron sebagai pengganti gelombang cahaya serta berguna untuk menentukan
struktur permukaan sampel. Diagram skema SEM dapat dilihat pada Gambar 12.
36
Mikroskop elektron ini memfokuskan sinar elektron (electron beam) di
permukaan obyek dan mengambil gambar dengan mendeteksi elektron yang
muncul pada permukaan obyek.
Perbedaan tipe dari SEM memungkinkan
penggunaan yang berbeda-beda antara lain untuk studi morfologi, analisis
komposisi dengan kecepatan tinggi, kekasaran permukaan, porositas, distribusi
ukuran partikel, homogenitas material atau untuk studi lingkungan tentang
masalah sensitifitas material.
Teknik SEM dapat digabungkan dengan teknik EDX (Energy Dispersive Xray Spectrometry).
Teknik EDX digunakan untuk mengetahui berbagai
kandungan unsur kimia dalam sampel dengan cara menangkap dan mengolah
sinyal fluoresensi sinar-X yang dipancarkan untuk suatu volume kecil di
permukaan sampel.
Gambar 12. Skema Scanning Electron Microscopy