## PENDAHULUAN
Superkonduktor baru MgB 2 dengan suhu transisi kritis T c,0 = 39 K telah ditemukan pada bulan Januari 2001 [1]. MgB 2 adalah senyawa intermetalik, struktur kristal lebih sederhana dibandingkan dengan superkonduktor oksida, bersifat isotropis, dan memiliki kontak listrik ( link ) antara butir yang kuat, sehingga bahan ini memiliki prospek yang baik untuk berbagai aplikasi industri, yakni bidang elektronika, energi, transportasi, dan kedokteran. [2].
Eksperimen tentang sintesis film tipis superkonduktor MgB 2 dengan suhu transisi kritis T c,0  39 K sudah banyak dilaporkan, diantaranya didasarkan pada teknik electron beam evaporation (EBE). Pertama film tipis B dibuat dengan EBE pada substrate Al 2 O 3 , kemudian dengan tekanan tinggi Mg didifusikan ke dalam B pada suhu 890°C selama 20 menit [3]. Teknik
ini dapat menghasilkan film tipis MgB 2 dengan superkonduktifitas yang setara dengan superkonduktifitas MgB 2 bulk , tetapi kurang efisien karena prosesnya ex-situ dan harus dilakukan pada suhu dan tekanan Mg yang tinggi.
Hingga sekarang sudah ada beberapa laporan yang berhasil membuat film tipis superkonduktor MgB 2 dengan teknik pulsed laser deposition (PLD)[4-6], tetapi T c,0 masih lebih kecil dari 39 K. Hal ini kemungkinan karena terbentuknya fasa-fasa lain selain MgB 2 pada saat deposisi, sehingga dihasilkan film dengan T c,0 yang lebih rendah. Yang tergolong berhasil dalam mendapatkan film tipis superkonduktor MgB 2 dengan teknik PLD adalah Brinkman [4] dan Christen [5], mereka menggunakan pengungkung Mg yang tebal untuk menjaga agar Mg tidak berdifusi ke luar selama proses anil . Ada dua

## SINTESIS FILM TIPIS SUPERKONDUKTOR MgB 2 DENGAN TEKNIK PULSED LASER DEPOSITION
E. Sukirman 1 , M. Ohkubo, Y. Nakagawa 2 , H. Yamasaki 2 dan S. Kashiwaya 2
1 Puslitbang Iptek Bahan (P3IB) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang 15314
2 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Tsukuba, Japan

## ABSTRAK
SINTESIS FILM TIPIS SUPERKONDUKTOR MgB 2 DENGAN TEKNIK PULSED LASER DEPOSITION . Film tipis superkonduktor MgB 2 telah disintesis dengan teknik pulsed laser deposition pada substrate Al 2 O 3 (001). Sifat listrik film dikarakterisasi dengan metode four point probe , strukturmikro diamati dengan SEM, fasa bahan dianalisis secara kualitatif dan kuantitatif berturut-turut dengan XRD dan EDAX. Hasil analisis menunjukkan bahwa film menampilkan suhu transisi kritis T c,0 = 10 K, ukuran butir lebih kecil dari 10  m dan acak sehingga MgB 2 dan fasa-fasa lain yang diduga kuat ada di dalam film tidak teramati dengan XRD, namun persen atom Mg, B dan O dapat dideteksi dengan EDAX, film masih kekurangan magnesium dan terkontaminasi oksigen. Untuk mengimbangi hilangnya unsur Mg akibat penguapan dan menjaga agar Mg tidak teroksidasi, perlu dilakukan optimasi tekanan gas argon dan plasma magnesium di dalam kamar deposisi.
Kata kunci : superkonduktor MgB 2 , teknik p ulsed laser deposition , film tipis.

## ABSTRACT
SYNTHESIS OF MgB 2 SUPERCONDUCTOR THIN FILM BY PULSED LASER DEPOSITION TECHNIQUE. The thin film of MgB 2 superconductor was synthesized by pulsed laser deposition technique on the substrate of Al 2 O 3 (0001). The electrical property of the film was characterized by four point probe method, the micro structure was observed by SEM, the film were analyzed qualitatively and quantitatively by XRD and EDAX, respectively. The result show that the film indicates a critical transition temperature, T c,0 of 10 K, the grains size are less than 10  m and randomly oriented so the MgB 2 and the other phase are not able to be detected by XRD, although the atomic percentage of Mg, B and O elements are able to be observed by EDAX, the film are still deficient in magnesium and contaminated by oxygen. To prevent the magnesium from evaporation and oxidation, optimization the magnesium plasma and the background pressure of argon gas in the deposition chamber are needed.
Key words : MgB 2 superconductor, pulsed laser deposition technique , thin film.
masalah yang dihadapi dalam pembuatan film tipis superkonduktor MgB 2 , yakni Mg mudah teroksidasi dan mudah menguap bahkan pada suhu rendah mulai 200°C [7]. Masalah pertama diatasi dengan melakukan proses deposisi dalam ruang hampa (sekitar 10 -7 Torr). Sedangkan untuk mengimbangi (mengganti) Mg yang hilang karena penguapan, maka setelah proses deposisi selesai dilanjutkan dengan proses anil dalam lingkungan plasma yang kaya Mg. Proses anil tersebut dapat dilakukan secara in-situ atau ex-situ.
Dalam eksperimen sekarang dilakukan ablasi laser pada target MgB 2 +Mg dilanjutkan dengan anil secara in-situ dengan tujuan mendapatkan film tipis MgB 2 untuk pembuatan detektor radiasi kelak. Tambahan logam Mg dimaksudkan agar plasma yang terbentuk tidak mengalami kekurangan unsur Mg akibat banyaknya penguapan. Dalam eksperimen ini juga dipelajari tentang bagaimana pengaruh tekanan gas argon, suhu deposisi dan suhu anil secara in-situ dalam pendeposisian film tipis superkonduktor MgB 2 dengan teknik PLD.

## BAHAN DAN TATA KERJA
Eksperimen ini terdiri dari dua bagian, yakni preparasi target MgB 2 +Mg dan penentuan parameter deposisi yang paling cocok untuk menumbuhkan film tipis MgB 2 dengan teknik PLD. Seluruh kegiatan eksperimen dilakukan di Spectroscopic Photon Sensing Group, Photonics Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology , Tsukuba, Jepang .
Preparasi Target MgB 2 +Mg
Disiapkan suatu campuran yang terdiri dari 50 % vol serbuk Mg ( Alfa Aesar : 99,6 %) dan 50 % vol serbuk MgB 2 ( Alfa Aesar : 98,0 %). Campuran serbuk tersebut diaduk (digerus) secara hati-hati dan ditekan dengan tekanan 5 ton/cm 2 sehingga diperoleh pelet, diameter 20 mm dan ketebalan 2,7 mm. Pelet disinter pada 750°C dalam aliran gas nitrogen selama 5 jam diikuti dengan pendinginan ke suhu ruang, maka diperoleh MgB 2 berbentuk pelet. Pelet MgB 2 ditempatkan pada pemegang target berbentuk cincin dari baja, diameter luar dan dalam berturut-turut 30 dan 19 mm. Sebagian permukaan pelet
MgB 2 ditutup dengan pelat Mg lebar 3,3 mm dan tebal 0,5 mm, sehingga dengan 3 pelat Mg dapat menutup 50 % permukaan MgB 2 (Gambar 1).

## Prinsip Kerja PLD
Penumbuhan film tipis dengan teknik PLD dilakukan pada kamar deposisi ( deposition chamber ). Secara konseptual dan eksperimental, kamar deposisi sangat sederhana seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Kamar deposisi terdiri dari pemegang target ( target holder ), pemegang substrate ( substrate holder ), saluran pemompa udara dan saluran gas reaktif.
Sinar laser berenergi tinggi dari mesin pembangkit laser diarahkan pada target di dalam kamar deposisi. Laser berinteraksi dengan bahan target menghasilkan laser plume (plasma) berbentuk kerucut. Jarak antara target dan substrate diatur sedemikian sehingga substrate berada pada posisi bidang dasar kerucut tersebut. Laser plume terdiri dari atom-atom dan partikel-partikel dalam wujud uap atau gas yang kemudian menempel pada substrate dalam bentuk film tipis. Dengan adanya saluran gas reaktif, penumbuhan film tipis dapat dilakukan dalam lingkungan berbagai jenis gas seperti oksigen dan argon tergantung jenis target dan film yang diinginkan [8].
Deposisi Film Tipis Superkonduktor MgB 2
Deposisi film tipis superkonduktor MgB 2 pada substrate dengan teknik PLD, bergantung pada banyak parameter yakni : target, tekanan udara dalam kamar deposisi sebelum proses pelapisan, tekanan dan fluksi gas reaktif (dalam eksperimen ini digunakan gas argon), suhu dan waktu deposisi, suhu dan waktu anil , jarak antara target dan substrate , frekuensi dan energi laser untuk deposisi dan anil . Jadi sekurang-kurangnya ada 12 parameter yang harus diubah dan dikombinasikan agar diperoleh film tipis superkonduktor MgB 2 . Parameter-parameter tersebut diubah secara tidak bergantungan kecuali waktu deposisi dan frekuensi pulsa laser, kedua parameter tersebut diubah secara berlawanan. Parameter deposisi, parameter anil dan satuan pengubah ditunjukkan pada Tabel 1. Deposisi film MgB 2 dilakukan sebagai berikut :
Gambar 1 . Pelet MgB 2 ditempatkan di dalam lobang cincin baja (a), dan pita Mg direkatkan dengan pasta perak pada cincin baja sedemikian sehingga sebagian permukaan pelet tertutupi pita Mg (b)
Cincin baja Pelet MgB 2 Pita Mg a b
1. Digunakan laser KrF , panjang gelombang = 248 nm, energi E = 400-450 mJ dengan frekuensi f = 5-30 Hz, target : MgB 2 + n Mg ( n adalah jumlah pelat Mg yang nilainya : 0, 1, 2, 3) dan substrate : kristal tunggal Al 2 O 3 (001).
2. Substrate direkatkan dengan pasta perak pada pemegang substrate tepat di atas target pada jarak
d = 23,0–50,0 mm.
3. Kamar deposisi divakumkan hingga tekanan P = 10 -6 –10 -7 Torr. Sebelum deposisi film dimulai, permukaan target ditembaki dulu dengan sinar laser selama 1 menit, maksudnya untuk menghilangkan impuritas yang mungkin ada pada permukaan target.
4. Penumbuhan film dilakukan pada kondisi dimana plume berwarna biru dan deposisi film dilakukan pada besaran suhu, yakni T = 25-500°C.
5. Target ditembaki dengan berkas sinar laser selama t = 5-30 menit. Setelah deposisi dilanjutkan dengan proses anil, sebagai berikut :
a. Suhu substrate dinaikan hingga suhu anil , dalam eksperimen ini dicoba empat besaran suhu anil yakni T = 580, 590, 600, 610°C, ditahan pada suhu tersebut selama 5-6 menit, kemudian dilakukan pendinginan cepat ke suhu ruang.
b. Anil dilakukan pada kondisi dimana plume berwarna biru.
c. Gas argon dialirkan ke dalam kamar deposisi sejak suhu substrate 200°C.
d. Pada suhu substrate mulai 350°C hingga suhu anil dan turun lagi hingga 350°C, substrate berada dalam lingkungan plasma magnesium, hal ini dicapai dengan menembaki pelat logam Mg dengan sinar laser frekuensi f = 5-10 Hz dan energi sama dengan energi ketika deposisi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Warna permukaan pelet MgB 2 hasil sinter tidak berwarna hitam melainkan kecoklat-coklatan, hal ini karena ada sebagian Mg yang menguap dari pelet. Oleh karena itu, lapisan luar pelet dihilangkan kira-kira setebal 1-2 mm dengan cara diasah. Diterapkannya periode sintering yang pendek dimaksudkan untuk meminimumkan penguapan Mg dari pelet. Gambar 3 adalah pola difraksi sinar-x dari pelet MgB 2 yang telah disinter pada 750°C. Analisis dengan metode Hanawalt menunjukkan bahwa MgB 2 memiliki sistem kristal heksagonal, dengan parameter kisi : a = b = 3,083 Å dan Saluran pompa udara Saluran gas reaktif Pemegang target Pemegang substrate Plume (Plasma) Lensa pemfokus Berkas laser
Gambar 2 . Diagram skema kamar deposisi pulsed laser deposition (PLD).
Tabel 1 . Parameter deposisi, nilai dan satuan pengubah untuk menumbuhkan film tipis superkonduktor MgB2 dengan teknik pulsed laser deposition (PLD)
Nilai dan satuan pengubah No. Parameter Minimum Maximum Satuan 1. Target : MgB 2 + n Mg n = 0 n = 3 pelat 2. Tekanan udara ( P u ) 7 x 10 -6 2 x 10 -7 Torr 3. Fluksi gas argon (  ) 10 30 ml/menit 4. Tekanan gas argon ( P a ) 0,20 1,0 Torr 5. Suhu deposisi ( T ) 25 500  C 6. Waktu deposisi ( t ) 5 30 menit 7. Suhu anil ( T ) 580 610  C 8. Waktu anil ( t ) 5 6 menit 9. Jarak target- substrate ( d ) 23,0 50,0 mm 10. Energi laser ( E ) 400 450 mJ 11. Frekuensi pulsa laser untuk deposisi ( f ) 5 30 Hz 12. Frekuensi pulsa laser untuk anil ( f ) 5 10 Hz
Sintesis Film Tipis Superkoduktor MgB 2 dengan Teknik Pulsed Laser Deposition (E. Sukirman)
c = 3,521 Å. Sifat listrik bahan diukur dengan four point probe, Gambar 4 menunjukkan kurva resistansi ( R ) terhadap suhu ( T ) pelet MgB 2 , tampak bahwa pelet MgB 2 adalah superkonduktor dengan suhu transisi superkonduksi T c,0  26 K dan suhu awal transisi T c,on = 39 K.
Pada mulanya plume yang ditimbulkan oleh ablasi laser pada target MgB 2 berwarna hijau, sama dengan ketika ablasi laser pada target MgO [4]. Ini menunjukkan bahwa selama ablasi laser tersebut, Mg teroksidasi menjadi MgO. Oleh karena itu, film yang terbentuk pada
Gambar 3 . Pola difraksi sinar-x dari pelet MgB 2 , radiasi CuK  -  =1,5405 Å, tidak terdeteksi adanya puncak asing kecuali puncak MgO(220).
substrate akan terkontaminasi senyawa MgO. Jika target MgB 2 tidak teroksidasi, maka plume akan terlihat berwarna biru. Agar ablasi laser terbebas dari pengaruh oksigen, maka dialirkan gas argon dengan tekanan diatur sedemikian rupa sehingga diperoleh plume berwarna biru. Dengan memvariasikan tekanan gas argon, maka secara mencolok teramati adanya perubahan warna plume dari hijau pada tekanan rendah (P < 0,5 Torr), menjadi biru pada tekanan tinggi (P  0,5 Torr). Keduabelas pa- rameter deposisi dan anil tersebut diubah-ubah dan dikombinasikan sehingga dapat diuji coba 140 cuplikan film tipis MgB 2 dan film MgB 2 yang paling baik dalam eksperimen ini adalah film dengan parameter deposisi dan parameter anil seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
Gambar 5 adalah kurva yang menunjukkan hubungan antara resistansi R (W) terhadap suhu T (K) dari film tipis superkonduktor MgB 2 yang ditumbuhkan pada substrate Al 2 O 3 (001) menggunakan teknik PLD dengan menerapkan proses anil secara in-situ berdasarkan data parameter deposisi dan anil pada Tabel 2. Pengukuran resistansi dilakukan menggunakan metode four point probe ac . Transisi superkonduksi dimulai pada T c,on = 26,5 K dan resistansi menjadi nol pada T c,0 = 10 K. Jadi suhu transisi superkonduksi MgB 2 -film menyusut hingga 10 K dari 26,5 K pada MgB 2 - bulk (pelet), hal ini mungkin karena masih kecilnya ukuran butir kristal MgB 2 (akibat penumbuhan kristal belum optimal) dan adanya fasa kedua seperti MgO (akibat masih terkontaminasi oksigen). Indikasi bahwa film mengandung fasa kedua terlihat jelas pada inset Gambar 5 (perbesaran untuk daerah suhu 5-30 K), dimana penurunan resistansi dari keadaan normal (60  ) ke keadaan superkonduktor (0  ) terjadi pada selang harga suhu yang lebar (16,5 K).
Foto permukaan film dengan SEM ditunjukkan pada Gambar 7, tampak bahwa daerah yang hitam (gelap) adalah matriks dan yang putih adalah partikel-partikel. Data analisis energi dispersi sinar-x menunjukkan bahwa matriks dan partikel masing-masing mengandung unsur B, Mg dan O (Tabel 3). Konsentrasi Mg cukup tinggi di
Gambar 4 . Kurva yang menunjukkan hubungan antara resistansi (  ) terhadap suhu (K) pada pelet MgB 2 , diukur dengan metode four point probe.
No. Parameter Nilai Satuan
1. Target : MgB 2 + n Mg n = 3 lempeng Mg 2. Tekanan udara ( P u ) 7x10 -7 Torr 3. Fluksi gas argon (  ) 25 ml/menit 4. Tekanan gas argon ( P a ) 0,75 Torr 5. Suhu deposisi ( T ) 200  C 6. Waktu deposisi ( t ) 7 menit 7. Suhu anil ( T ) 580  C 8. Waktu anil ( t ) 5 menit 9. Jarak target- substrate ( d ) 35,0 mm 10. Energi laser ( E ) 450 mJ 11. Frekuensi pulsa laser untuk deposisi ( f ) 10 Hz 12. Frekuensi pulsa laser untuk anil ( f ) 5 Hz Tabel 2 . Nilai parameter deposisi yang paling cocok untuk menumbuhkan film tipis superkonduktor MgB 2 dengan teknik pulsed laser deposition (PLD).
dalam partikel, namun masih sangat rendah di daerah matriks dan di permukaan film secara keseluruhan. Jadi film masih kekurangan magnesium dan terkontaminasi oksigen, sehingga kristalisasi senyawa MgB 2 berlangsung tidak sempurna.
Untuk mengidentifikasi fasa (struktur kristal) film , maka dilakukan karakterisasi dengan difraksi sinar-x, menggunakan radiasi CuK  . Intensitas difraksi dicacah mulai dari sudut 2  = 26° - 76° dengan lebar langkah   : 0,04°, lama cacahan per titik t = 2 detik dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 6. Tampak bahwa hanya ada satu puncak yang dapat diamati, yakni puncak dari substrate Al 2 O 3 bidang (001). Tidak teramatinya puncak- puncak MgB 2 menunjukkan bahwa film yang terbentuk pada substrate adalah polikristal dengan ukuran butir yang sangat kecil akibat proses anil yang belum optimal.
Gambar 5 . Kurva yang menunjukkan hubungan antara resistansi (  ) terhadap suhu (K) pada film tipis MgB 2 . T c,0 = 10 K tampak jelas pada inset
Gambar 7 . Foto SEM dari permukaan film tipis MgB 2 hasil ablasi laser pada 200  C/7 menit dan anil pada 580  C/ 5 menit dengan pembesaran : 50 kali.
2  m
Gambar 8 . Foto SEM dari permukaan film tipis MgB 2 hasil ablasi laser pada 200  C/7 menit dan anil pada 580  C/5 menit dengan pembesaran 5.000 kali.
Demikian pula puncak dari fasa lain yang mungkin ada seperti MgO tidak teramati karena jumlahnya terlalu sedikit untuk bisa diamati dengan difraksi sinar-x. Struktur mikro dengan pembesaran 5x10 3 kali ditunjukkan pada Gambar 8, tampak bahwa orientasi butir-butir masih acak dan berukuran sekitar 2  m.

## KESIMPULAN
Film tipis superkonduktor MgB 2 telah disintesis pada substrate Al 2 O 3 (001). Film menampilkan suhu transisi kritis T c,0 = 10 K, masih di bawah suhu transisi kritis MgB 2 dalam wujud pelet, yakni T c,0 = 26 K. Salah satu penyebabnya adalah karena film masih kekurangan magnesium. Oleh karena itu diperlukan perlakuan khusus untuk mengimbangi hilangnya unsur Mg akibat penguapan dan menjaga agar tidak terjadi oksidasi Mg, yakni dengan optimasi tekanan gas argon dan plasma magnesium di dalam kamar deposisi.
Persen atom (%) Unsur Seluruh daerah Matriks Partikel B 78,29 86,50 66,45 O 14,63 13,26 6,03 Mg 7,08 0,24 27,51
Tabel 3 . Data EDAX ( energy dispersive analysis of x-rays ) dari film tipis MgB 2 menunjukkan kuantitas unsur B, Mg dan O masing-masing pada daerah permukaan secara keseluruhan, matriks dan partikel.
Gambar 6 . Pola difraksi sinar-x dari film tipis MgB 2 , radiasi CuK  -  =1,5405 Å, yang terdeteksi hanya puncak difraksi substrate Al 2 O 3 (001).

## UCAPAN TERIMAKASIH
Riset ini dibiayai oleh the National Institute of Advanced Industrial Science , Japan di bawah payung the Scientist Exchange Program in Nuclear Energy Research . Saya mengucapkan terimakasih kepada Dr. Ukibe, Mr. H. Pressler, Mrs. Kajiwara, dan Dr. B. Pijambudi atas bantuannya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. J. NAGAMATSU, N. NAKAGAWA, T. MURANAKA, Y. ZENITANI, and J. AKIMITSU, Nature 410 (2001) 63.
[2]. S.L. BUDKO, G. LAPERTOT, C. PETROVIC, C.E. CUNNINGHAM, N. ANDERSON, and P.C. CANFIELD, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 1877.
[3]. W.N. KANG, H.J. KIM, E.M. CHOI, C.U. JUNG, S.I. LEE, Science 292 (2001)1521.
[4]. A. BRINKMAN, D. MIJATOVIC, G. RIJNDERS, V. LECA, H.J.H. SMILDE,I. OOMEN,A.A. GOLUBOV, F. ROESTHUIS, S. HARKEMA, H. HILGENKAMP, D.H.A. BLANK, and H. ROGALLA, Physica C 353 (2001) 1.
[5]. H.M. CHRISTEN, H.Y. ZHAI, C. CANTONI, M. PARANTHAMAN, B.C. SALES, C. ROULEAU, D.P. NORTON, D.K. CHRISTEN, and D.H. LOWNDES, Physica C 353 (2001) 157.
[6]. D.H.A. BLANK, H. HILGENKAMP, A. BRINKMAN, D. MIJATOVIC, G. RIJNDERS, and
H. ROGALLA, Appl. Phys. Letters 79 (2001) 394.
[7]. G. GRASSANO, W. RAMADAN, V. FERRANDO, E. BELLINGERI, D. MARRE, C. FERDEGHINI, G. GRASSO, M. PUTTI, P. MANFRINETTI, A. PALENZONA, and A. CHINCARINI, Supertcond.
Sci. Technol . 14 (2001) 762-764.
[8]. D.B. CHRISEY and G.K. HUBLER, Pulsed Laser Deposition of Thin Films , John Wiley & Sons, INC.,
NewYork, (1994).