## PENDAHULUAN
Spintronik telah muncul sebagai suatu teknologi menarik di mana kedua derajat kebebasan yaitu muatan dan spin dimanfaatkan sebagai kemampuan terbarukan di dalam divais yang merupakan kombinasi mikroelektronik standar dengan efek kebergantungan spin . Bidang ini telah diusahakan sebagai bidang yang
menjanjikan di dalam semikonduktor elektronika [1,2]. Untuk merealisasikan divais spintronik, diperlukan adanya semikonduktor terhibrid dengan material magnetik spin terpolarisasinya. Sampai sekarang, heterostruktur berbasis pada logam feromagnetik/ semikonduktor telah secara intensif diteliti [3,4].
Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007

## PENGARUH KANDUNGAN Co TERHADAP SIFAT
OPTIK FILM TIPIS TiO 2 -Co YANG DITUMBUHKAN

## DENGAN METODE MOCVD
E. Supriyanto 1,2 , G. Wiranto 3 , I.D.P. Hermida 3 , M. Budiman 1 ,
P. Arifin 1 , Sukirno 1 dan M.Barmawi 1
1 Program Studi Fisika, FMIPA-ITB Jl. Ganesha No. 10, Bandung 40132
2 Jurusan Fisika, FMIPA-Universitas Jember Jl. Kalimantan III/24, Jember 68121
3 Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi (PPET-LIPI), Jl. Sangkuriang, Bandung 40135

## ABSTRAK
PENGARUH KANDUNGAN Co TERHADAP SIFAT OPTIK FILM TIPIS TiO 2 -Co YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE MOCVD . Film tipis TiO 2 -Co telah ditumbuhkan di atas substrat Si (100) tipe-n dengan metode metalorganic Chemical Vapor Deposition ( MOCVD ), menggunakan Titanium (IV) isopropoxide (Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 dan tris (2,2,6,6-tetra methyl-3, 5-heptanedionato) cobalt (III) [Co(TMHD) 3 ) , masing-masing dengan kemurnian 99,99% dan 99% sebagai prekursor metal organik. Tetrahydrofuron ( THF ) digunakan sebagai pelarut bahan prekursor. Sifat optik dari film tipis TiO 2 -Co sebagai fungsi dari kandungan Co telah diinvestigasi menggunakan metode spektroskopi reflektansi pada rentang 200 nm hingga 2400 nm. Hasil karakterisasi secara optik menunjukkan bahwa bertambahnya konsentrasi Co akan menurunkan energi band - gap ( Eg ) dan indek bias (n) dari film tipis TiO 2 -Co tersebut. Kurva histeresis yang diperoleh melalui pengukuran VSM memiliki nilai koersivitas dan saturasi magnetik, masing-masing sebesar 100 Oe dan 280 emu/cm 3 . Sehingga dapat disimpulkan bahwa film tipis yang dihasilkan pada penelitian ini bersifat soft ferromagnetic , yang sangat potensial untuk diaplikasikan dalam teknologi spintronik.
Kata kunci : Band-gap , Spintronik, Ti 1-x Co x O 2 , MOCVD , Feromagnetik, Indek bias

## ABSTRACT
INFLUENCE OF CO CONCENTRATION ON OPTICAL PROPERTIES OF TIO 2 -Co THIN FILMS DEPOSITED BY MOCVD METHOD. The TiO 2 -Co thin films were grown on (100) n-type Si substrate by Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) method, using Titanium (IV) isopropoxide (Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 99.99% and tris (2,2,6,6- tetra methyl-3, 5-heptanedionato) cobalt (III) [Co(TMHD) 3 ) 99% as metal organic precursors. Tetrahydrofuron (THF) was used as a solvent precursor. The optical properties of the resulting TiO 2 -Co thin films have been characterized as a function of Co content using reflectance spectroscopic method in the range of 200-2400 nm. The results showed that the band-gap energy (Eg) and the refractive index (n) of the film decreased with increasing Co concentration. Hysteresis curves, obtained from VSM measurement, have coercive and saturation magnetic fields of 100 Oe and 280 emu/cm 3 , respectively. It can be concluded that the TiO 2 -Co thin films act as soft ferromagnetic materials, which is very potential for spintronic technology application.
Key words : Bad-gap, Spintronic, Ti 1-x Co x O 2 , MOCVD, Ferromagnetic, Refractive index
Berdasarkan hasil penelitian telah dibuktikan adanya kendala untuk mentransfer elektron melewati antar-muka dengan spin tetap terpolarisasi, terutama berkaitan dengan ketidaksesuaian konduktivitas elektrik antara dua material tersebut [5]. Oleh karena itu, banyak usaha riset baru-baru ini dipusatkan pada pengembangan semikonduktor feromagnetik yang tidak hanya mudah dapat dipadukan dengan semikonduktor yang telah ada tetapi juga mempunyai spin terpolarisasi highly [6,7]. Diantara material tersebut adalah GaAs di doping Mn telah berhasil ditumbuhkan untuk pertama kali [6]. Material tersebut telah menunjukkan kinerja yang menjanjikan dalam koherensi transfer spin elektron [8], tetapi suhu Curie (T C ) dari material ini masih terbatas sekitar 160 K. Terobosan paling utama di dalam bidang ini adalah usaha meninggikan T C diatas suhu kamar dalam rangka mewujudkan divais yang praktis, dapat dioperasikan pada suhu-kamar. Oleh karena itu, berbagai semikonduktor host dan dopan dengan elemen logam transisi telah diuji untuk merealisir semikonduktor feromagnetik yang dapat dioperaikan pada suhu kamar.
TiO 2 di doping Co dengan fasa anatase , telah ditumbuhkan dengan pulsed laser deposition , menunjukan sifat feromagnetik sampai dengan 400 K [9] menggunakan teknik combinatorial Molecular Beam Epitaxy (MBE) dengan pendadahan sampai disekitar 8 atomik %. Titanium dioksida merupakan semikonduktor dengan celah pita energi lebar dan mempunyai tiga struktur fasa kristal yang berbeda, yaitu rutile , anatase dan brookite . Pada umumnya rutile adalah satu-satunya fasa yang stabil, sedangkan anatase adalah metastable dan berubah bentuk ke rutile pada saat dipanaskan. Pada penelitian struktur magnetik yang sebenarnya diamati di dalam TiO 2 doping Co adalah anatase bukan pada fasa rutile , sehingga disimpulkan bahwa magnetisasi sangat bergantung pada impuritas atom lokal yang melingkupi sekitarnya. Baru-baru ini, telah dengan sukses menumbuhkan film tipis TiO 2 -Co feromagnetik rutile sebagai material DMS dengan metode sputtering [10]. Atom Co telah dimasukkan sampai 12 atomik % dan suhu Curie diperkirakan di atas 400 K.
Sejak fasa rutile lebih stabil secara termodinamika dibandingkan dengan fasa anatase , maka fasa rutile sangat potensial untuk diaplikasi secara teknis. Metode penumbuhan yang berbeda akan dihasilkan film tipis TiO 2 -Co dengan sifat yang berbeda pula. Hal ini menunjukkan bahwa lingkungan lokal Co dapat mempengaruhi secara drastis terhadap struktur magnetik dari material tersebut. Struktur lokal di sekitar Co menjadikan film memiliki fasa anatase , sedangkan nanomaterials mengalami perubahan fasa anatase ke fasa rutile dengan anneling pada suhu yang berbeda terhadap film tipis TiO 2 -Co yang dideposisikan dengan metode sol gel [11].
Uraian di atas nampak bahwa karakteristik dari film tipis TiO 2 di doping Co sangat bergantung pada teknik dan kondisi penumbuhan. Oleh karena itu, jelas
bahwa teknik deposisi TiO 2 di doping Co merupakan suatu central isu. Metal Organic Chemical Vapor Deposition ( MOCVD ) merupakan suatu teknik paling utama untuk menumbuhkan film tipis dengan kemurnian tinggi, epitaxial film dapat diaplikasikan di dalam bidang elektronik dan optoelektronik [12]. Di dalam teknik ini, material metalorganik digunakan sebagai prekursor dan mempunyai banyak keuntungan, seperti stoikiometri film dapat dengan mudah dikendalikan secara in situ , laju deposisi tinggi pada suhu rendah, ketebalan seragam pada area yang luas, sesuai untuk sampel dengan permukaan yang tidak beraturan dan permukaan relatif halus.
Teknik ini dapat untuk menumbuhkan oksida dengan biaya rendah dan parameter penumbuhan film tipis dapat dengan mudah dikendalikan. Pada sisi lain, prekursor metal organik mempunyai keunggulan karena mudah diuapkan dan dekomposisi ke dalam oksida pada suhu rendah dan secara komersial tersedia dengan kemurnian tinggi dan harganya murah [13].
Pemakaian dua macam prekursor yang digabungkan dalam satu bubbler dan tanpa pemakaian gas O 2 dalam penumbuhan film tipis merupakan nilai baru dari penelitian ini dibandingkan dengan penelitian yang telah dilakukan sebelumnya.
Di dalam makalah ini, film tipis TiO 2 -Co ditumbuhkan diatas substrat Si(100) dengan teknik Metalorganic Chemical Vapor Deposition ( MOCVD ) vertikal. Pada penelitian ini pengaruh kandungan Co pada struktur, strukturmikro dan sifat optik film tipis TiO 2 -Co akan di paparkan.

## METODE PERCOBAAN
Film tipis TiO 2 -Co ditumbuhkan di atas subtrat Si [100] tipe-n dengan menggunakan suatu sistem reaktor MOCVD yang dibangun sendiri di laboratorium Fisika Material Elektronika-Program Studi Fisika- ITB. Sebelum digunakan substrat Si [100] dicuci dengan aseton selama 5 menit, kemudian dengan metanol selama 5 menit, tahap terakhir dimasukkan dalam larutan 10 % HF dicampur dengan DI-water ( de-ionized water ) selama 2 menit. Pencucian dengan aseton dan metanol adalah untuk menghilangkan zat-zat organik yang menempel di permukaan subtrat, sementara HF yang dicampur dengan air adalah untuk mengikis lapisan SiO 2 yang mungkin terjadi di permukaan subtrat akibat proses oksidasi selama berada di udara bebas. Kemudian subtrat di semprot dengan gas N 2 dengan tingkat kemurnian 99,999%. Subtrat di tempelkan di permukaan plat pemanas di dalam ruang penumbuhan dengan menggunakan pasta perak yang konduktif.
Prekursor metalorganik yang digunakan pada penelitian ini adalah titanium (IV) isopropoxide (TTIP) [Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 ] 99,99% yang berbentuk cair pada suhu ruang dengan titik leleh 20 o C ( Sigma Aldrich Chemical Co., Inc. ) dan tris (2,2,6,6-tetramethyl-
Pengaruh Kandungan Co terhadap Sifat Optik Film Tipis TiO 2 -Co yang Ditumbuhkan dengan Metode MOCVD (E. Supriyanto)
3, 5-heptanedionato) cobalt (III) , 99%, Co(TMHD) 3 ( Strem Chemical, Inc. ). Co(TMHD) 3 berbentuk serbuk. Bahan ini dilarutkan ke dalam pelarut tetrahydrofuran ( THF , C 4 H 8 O) untuk memperoleh prekursor dalam bentuk cair dengan konsentrasi 0,1 mol per liter. Hasil larutan dan juga bahan cair (Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 ) kemudian dicampurkan dengan perbandingan 1:5 selanjutnya dimasukkan ke dalam satu bubbler . Bubbler tersebut dihubungkan dengan suatu sistem perpipaan ke ruang deposisi. Bahan prekursor yang telah dimasukkan ke dalam bubbler , kemudian diuapkan memakai plat pemanas sesuai dengan titik uap bahan. Uap bahan prekursor dialirkan ke ruang deposisi untuk menghujani permukaan subtrat dengan menggunakan gas argon (Ar) sebagai gas pembawa. Tekanan uap pada bubbler dikendalikan memakai suatu katub pengendali. Bersamaan dengan proses pemanasan bubbler , ruang deposisi divakumkan sampai ke tekanan 3 x 10 -3 Torr dan subtrat yang terletak di dalamnya dipanaskan. Parameter penumbuhan film tipis TiO 2 :Co selengkapnya didaftarkan pada Tabel 1.
Film tipis TiO 2 -Co yang telah ditumbuhkan selanjutnya dikarakterisasi. Prosentase konsentrasi atom penyusun film diukur dengan Energy Dispersive Spectroscope ( EDS ) (Jeol JSM 6360LA). Struktur kristalnya diinvestigasi dengan X-Ray Diffractometer ( XRD ) dengan menggunakan radiasi Cu K α (λ=1,54056Å) (Philips PW3071). Ketebalan dan
morfologi butiran penyusun film dianalisis dari hasil citra Scanning Electron Microscope ( SEM ) (Jeol JSM 6360LA).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini film tipis TiO 2 :Co yang ditumbuhkan memiliki kandungan Co yang berbeda-beda. Laju aliran gas Ar yang digunakan dalam penumbuhan sangat menentukan besarnya kandungan Co di dalam film tipis. Film yang ditumbuhkan dengan laju aliran Ar = 70 sccm menghasilkan kandungan Co sebesar 3.2%, yang memakai laju Ar = 80 sccm menghasilkan kandungan Co sekitar 3,8 %, memakai laju Ar = 90 sccm menghasilkan kandungan Co sekitar 5,9 % dan yang menggunakan laju Ar = 100 sccm menghasilkan kandungan Co sekitar 6,4 %. Penambahan nilai laju aliran gas Ar akan menambah nilai kandungan Co di dalam film.
Gambar 1 menunjukkan citra SEM penampang lintang film tipis TiO 2 -Co dengan kandungan Co sebesar (A) 3,2 %, (B)3,8 %, (C) 5,9 % dan (D) 6,4 %. Film tersusun dari sekumpulan butiran yang bentuknya kolumnar dan tegak lurus terhadap permukaan substrat Si [100]. Butiran dan batas-batasnya terlihat sangat jelas, yang secara langsung menyatakan bahwa hubungan antar butir sangat kuat. Atom-atom yang terdapat pada batas antar butir telah dengan baik memposisikan diri sesuai dengan susunan atom butiran induknya. Butiran memiliki bentuk yang relatif seragam, memanjang dari permukaan subtrat sampai ke permukaan film. Hasil ini memperlihatkan bahwa film yang ditumbuhkan bebas dari hadirnya fasa pengotor yang dapat mengganggu proses penumbuhan butiran pada saat penumbuhan.
Ukuran rata-rata butiran setiap film berbeda. Tingkat kekasaran suatu permukaan film dapat dipengaruhi oleh 4 faktor [15]. Faktor dominan yang paling berpengaruh terhadap variasi kekasaran permukaan film tipis TiO 2 -Co yang ditunjukkan pada Gambar 1 adalah tingkat kandungan Co dalam membentuk stoikiometri TiO 2 -Co. Semakin besar kandungan atom Co maka morfologi permukaan film terdiri dari butiran yang lebih besar. Dalam hal ini atom-atom Co dipandang sebagai pengotor pada bahan TiO 2 . Pengaruh presentasi kandungan Co terhadap sifat optik film tipis TiO 2 -Co telah diteliti pada suhu ruang dengan menggunakan spectroscope reflektance optical NIR - UV . Gambar 2 memperlihatkan spektrum reflektansi optik dari film tipis TiO 2 -Co. Puncak osilasi terakhir dari spektrum reflektansi menunjukkan transisi band-to band film tipis yang merupakan nilai energi bandgap dari film itu. Energi gap dari film tipis TiO 2 -Co yang ditumbuhkan dengan kandungan Co sebesar (A) 3,2 %, (B) 3,8 % (C) 5,9 % dan (D) 6,4 % adalah 3,52 eV, 3,5 eV, 3,41 eV dan 3,39 eV. Berdasarkan hasil ini dapat disimpulkan bahwa dengan
Gambar 1 . Citra SEM penampang lintang film tipis TiO 2 -Co dengan kandungan Co sebesar (A) 3,2% (B) 3,8% (C) 5,9% dan (D) 6,4%
B C A D Tabel 1 . Parameter penumbuhan dari film tipis TiO
2 -Co [15]
No Parameter Penumbuhan 1 2 3
4 5 6 Temperatur Substrat Si(T s )
Temperatur bubbler prekursor TTIP+ Co(TMHD) 3 [T b(Ti+Co) ] Tekanan uap prekursor TTIP+ Co(TMHD) 3 [P b(Ti+Co) ] Laju aliran gas Ar yang membawa uap TTIP+ Co(TMHD) 3 [Ar (Ti+co) ]
Tekanan total penumbuhan (P total ) Lama penumbuhan (450) 0 C 50 o C 206 Torr (20-100) sccm 3x10 -3 Torr 2 jam
bertambahnya kandungan Co akan menyebabkan berkurangnya energi gap film tipis TiO 2 -Co. Besarnya indek bias film tipis dapat dihitung memakai rumus [16]
s av R R n n 4 . 4   
dimana n av = Indek rata-rata film tipis R s = Reflektansi subtrat  R = Reflektansi film tipis- reflektansi subtrat Film tipis TiO 2 -Co dengan kandungan Co sebesar (A) 3,2 %, (B) 3,8% (C) 5,9 % dan (D) 6,4 % akan mempunyai indek bias sebesar 2,61; 2,59; 2,52 dan 2,5.
Respon feromagnetik dari film tipis TiO 2 -Co (salah satu sampel) diuji dengan VSM pada suhu ruang. Kurva histeresis ditunjukkan pada Gambar 3. Nilai H c dan M s masing-masing sebesar 100 Oe dan 280 emu/cm 3 . Dengan demikian konstansta anisotropinya adalah K= 14000 Oe.emu/cm 3 . Nilai magnetisasi saturasi (M s ) yang secara implisit menunjukkan respon fluks magnetik ion-ion magnetik film. Sementara, nilai medan magnetik koersif (H c ) film, menunjukkan sifat anisotropi magnetik, terentang pada nilai 80 Oe sampai dengan 1000 Oe. Mengacu pada nilai anisotropi tersebut maka film tipis TiO 2 -Co yang dihasilkan pada penelitian ini termasuk
golongan feromagnetik lembut ( soft ferromagnetic ), sehingga sangat potensial untuk diaplikasikan dalam teknologi spintronik.
Pada kesempatan lain akan dipaparkan tentang karakteristik magnetik film tipis TiO 2 -Co dengan kandungan Co yang berbeda-beda. Pada pengukuran itu diharapkan akan diperoleh informasi tentang nilai H c dan M s dari setiap film dengan kandungan Co yang berbeda-beda.

## KESIMPULAN
Film tipis TiO 2 -Co telah berhasil dengan baik ditumbuhkan di atas subtrat Si [100] dengan menggunakan metode MOCVD . Pemakaian prekursor Titanium (IV) isopropoxide [Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 dan tris (2,2,6,6- tetra methyl-3, 5-heptanedionato) cobalt (III) (Co(TMHD) 3 ) dan Tetrahydrofuron ( THF ) digunakan sebagai pelarut bahan prekursor, selanjutnya kedua prekursor dimasukkan dalam satu bubbler. Film tipis yang diperoleh dalam penelitian ini mempunyai kualitas yang sama dengan penelitian yang pernah dilakukan.
Penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya kedua prekursor dipisah dan memakai gas O 2 sebagai sumber O. Semakin besar presentasi kandungan atom Co dalam film tipis TiO 2 -Co akan menyebabkan berkurangnya energi band-gap dan indek bias dari film. Film tipis yang terdeposisi pada penelitian ini memiliki morfologi dan ketebalan yang sangat homogen untuk ukuran subtrat 3 cm x 3 cm. Dari hasil karakteristik respon magnetik film menunjukkan sifat magnetik lembut, sehingga sangat potensial diaplikasi dalam bidang spintronik.

## DAFTAR ACUAN
[1]. B. T. JONKER, Y. D. PARK, B. R. BENNETT, H. D. CHEONG, G. KIOSEOGLOU and A. PETROU, Phys. Rev. B, 62 (2000) 8180
[2]. I. MALAJOVICH, J. J. BERRY, N. SARMATH, and D. D. AWSCHALOM, Nature, 411 (2001) 770
[3]. M. JOHNSON, Physica E, 10 (2001) 472
[4]. J.A. C. BLAND,A. HIROHATA, C. M. GUERTLER, Y. B. XU, and M. TSELEPI, J. Appl. Phys., 89 (2001)
Gambar 3 . Kurva histeresis magnetisasi film tipis TiO 2 -Co pada suhu ruang (300 K) yang ditumbuhkan pada 4500C.
Gambar 2 . Spektrum reflektansi optik film tipis TiO 2 -Co yang ditumbuhkan diatas subtrat Si [100] dengan presentasi kandungan Co sebesar (A) 3,2 %, (B)3,8% (C)5,9 % dan (D) 6,4 %
R e f l e c t a n c e (a.u)
Pengaruh Kandungan Co terhadap Sifat Optik Film Tipis TiO 2 -Co yang Ditumbuhkan dengan Metode MOCVD (E. Supriyanto)
[5]. G. SCHMIDT and L. W. MOLENKAMP, J. Appl. Phys., 89 (2001) 7443
[6]. H. OHNO, A. SHEN, F. MATSUKURA, A. OIWA, A. ENDO, S. KATSUMOTO, and Y. IYE, Appl. Phys. Lett., 69 (1996) 363
[7]. H. AKINAGA, S. NE´METH, J. DE BOECK, L. NISTOR, H. BENDER, G. BORGHS, H. OFUCHI, and M. OSHIMA, Appl. Phys. Lett., 77 (2000) 4378 [8]. Y. OHNO, D. K. YOUNG, B. BESCHOTEN, F. MATSUKURA, H. OHNO, and D. D. AWSCHALOM, Nature, 402 (1999) 790
[9]. Y. MATSUMOTO, M. MURAKAMI, T. SHONO, T. HASEGAWA, T. FUKUMURA, M. KAWASAKI, P. AHMET, T. CHIKYOW, S. KOSHIHARA, and H. KOINUMA, Science, 291 (2001) 854
[10]. W.K. PARK, R.J. ORTEGA-HERTOGS, J.S. MOODERA, A. PUNNOOSE, and M.S. SEEHRA,
J. Appl. Phys ., 91 (2002) 8093
[11]. N.J. SEONG, S.G.YOON, and C.R. CHO, Appl. Phys. Lett ., 81 (2002) 4209
[12]. D.M. DOBKIN, M.K. ZURAW, Priciples of Chemical Vapor Deposition , Kluwer Academic Publishers, (2003)
[13]. SANDELL, M.P. ANDERSON, Y. ALFEDSSON, M.K.J. JOHANSSON, J. SCHNEDT, H. RENSMO, H. SIEGBAHN and P. UVDAL, J. Appl. Phys ., 92 (2002) 3381
[14]. H. SARAGIH, dkk, Studi Pengaruh Konsentrasi Co pada Struktur Kristal dan Respon Photoluminescence Film Tipis Ti 1-x Co x O 2 yang Ditumbuhkan dengan Teknik MOCVD, Proceedings ITB Sains & Teknologi , 37A (2005)
117
[15]. EDY SUPRIYANTO,A. SUBAGIO, H. SUTANTO, H. SARAGIH, P.ARIFIN, M. BUDIMAN, M. BARMAWI dan SUKIRNO, Studi Penumbuhan Film Heterostruktur TiO 2 -Co/TTIP-Y 2 O 3 -Eu yang Ditumbuhkan dengan Metode MOCVD, Seminar Nasional Keramik VI , Bandung, (2007)
[16]. M. H. SUHALL, G. MOHAN RAO and S. MOHAN, J. Appl. Phys ., 71 (3) (1992) 1421