Uji Sifat Optik Film Tipis Ba 0.55 Sr 0.45 TiO 3 di Atas Substrat Corning

## Glass 7059
Johansah Liman 1 , Budi Harsono 1 , Tantan Taopik Rohman 2 , Umi Trimukti 2 , Muhammad Khalid 2 , Eti Roharti 3 , Irzaman 4
1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik dan Ilmu Komputer Universitas Kristen Krida Wacana Jakarta
2 Mahasiswa Program Sarjana Departemen Fisika FMIPA IPB, Bogor
3 Staf Pengajar Departemen Kimia FMIPA IPB, Bogor
4 Staf Pengajar Departemen Fisika FMIPA IPB, Bogor Johansah@ukrida.ac.id
Abstrak - Telah berhasil dibuat film tipis Ba 0.55 Sr 0.45 TiO 3 di atas substrat Corning Glass 7059 dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) berbantuan spin coating berkecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik dalam kelarutan 1 M. Film tipis di annealing pada suhu 550 o C, 575 o C, selama 22 jam. Sifat optik dilakukan dengan alat Ocean Optic USB 4000 pada rentang gelombang cahaya tampak (350-790 nm) diperoleh energi bandgap sebesar 1.888 eV dan 1.712 eV. Kata Kunci: Ba 0.55 Sr 0.45 TiO 3 , CSD, energi bandgap, film tipis
Abstract - Have been successfully created a thin film Ba 0.55 Sr 0.45 TiO 3 above the substrate of Corning Glass 7059 by the method of Chemical Solution Deposition (CSD) assisted with spin coating’s turning speed 3000 rpm for 30 seconds in the solubility of 1 M. Thin film was annealed at temperature of 550 o C, 575 o C for 22 hours. Optical characterization was carried out by Ocean Optic USB 4000 device on wave range Visible (350-790 nm) that was obtained the energy bandgap of 1.888 eV dan 1.712 eV.
Key words: bandgap energy, Ba 0.55 Sr 0.45 TiO 3 , CSD, thin film

## I. PENDAHULUAN
Lapisan  film  tipis ferroelectric telah  digunakan  untuk berbagai  macam  aplikasi  dalam  bidang  elektronik  dan listrik  optik.  Sifat ferroelectric adalah  golongan  bahan elektronik  utamanya  bahan  dielektrik  yang  terpolarisasi secara spontan dan memiliki kemampuan untuk merubah polarisasi  internal.  Salah  satu  materi  yang  dapat digunakan  dalam  memproduksi  film  tipis  ini  adalah Barium  stronsium  tintanat  (BST)  merupakan  bahan dielektrik yang memiliki konstanta dielektrik tinggi, serta kapasitas  penyimpanan  muatan  yang  tinggi  pula. Pembuatan  BST    dapat  mengunakan  peralatan  yang cukup  sederhana,  dengan  biaya  yang  murah  dan mampu dilakukan dengan waktu yang relatif singkat. Bahan dari BST ini memiliki potensi untuk menggantikan SiO2 pada sirkuit metal oxide semikonduktor (MOS)[1, 2].
Diantara bahan ferroelectric tersebut, Barium Stronsium Titanate (BST) adalah bahan ferroelectric yang sangat  menarik  karena  memiliki rugi  optik  yang rendah, konstanta  dielektrik  dan  kapasitas  penyimpanan  muatan yang  tinggi  [1],  sehingga  dapat  digunakan  sebagai Dynamic Ferroelectric Random Acces Memory (DRAM) dengan  kapasitas piezoelectric dan piroelectric dengan kapasitas  penyimpanan  mencapai  1  Gbit  [1,2,3,4].  Sifat piezoelectric  dan  piroelectric  memungkinkan  BST digunakan  untuk  aplikasi  sensor  [5].  Sedangkan  sifat elekro optiknya dapat diterapkan pada switch termal infra merah [1]. Kelebihan-kelebihan BST tersebut menyebabkan  BST  menjadi  puast  penelitian  untuk dikembangkan menjadi devais generasi baru[6].
Pembuatan  BST  dapat  dilakukan  dengan  teknik, diantaranya Chemical Solution Deposition (CSD), Pulsed Laser Deposition (PLD), sputtering dan Metallo Organic Chemical Vapour Deposition(MOCVD) [2,4,6]. Chemical  Solution  Deposition  dikenal  sebagai  suatu
metode  deposisi  film  semikonduktor  sejak  tahun  1869. Metode ini merupakan cara pembuatan film tipis dengan mendeposisikan  larutan  kimia  diatas  susbstrat  dan kemudian dipreparasi dengan menggunakan spin coating pada kecepatan tertentu. Kelebihan dari metode ini adalah lebih  murah,  sederhana,  suhu  rendah,  dan  proses  yang lebih cepat [2,4]. Masalah utama pada metode ini adalah kestabilan  larutan,  dimana  terkadang  terjadi  endapan selama penyimpanan.
Apikasi bahan ferroelectric untuk peralatan optoelectronika  seperti  sel  surya,  fotosensor,  sensor warna  memerlukan  informasi  tentang  karakteristik  optik dari  material  tersebut,  seperti  sifat  absorbansi  dan  sifat transmitansi  [2].  Pada  makalah  ini  disampaikan  hasil penelitian tentang pembuatan lapisan tipis
Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST)  yang  diteteskan  diatas  substrat Corning  Glass  dengan  menggunakan  metode  chemical solution  deposition  (CSD)  yang  diikuti  dengan  proses spin  coating  pada  kecepatan  3000  rpm  dan  proses anealing  pada  suhu  550 o C  dan  575 o C  selama  22  jam. Film tipis yang dihasilkan kemudian dikarakterisasi sifat optiknya  melalui  pengukuran  nilai  absorbansi  dan transmitasinya.

## II. TUJUAN  PENELITIAN
Menguji  sifat  optik  film  tipis  BST  diatas  subtrat corning  glass 7059,  dalam  menentukan  :  absorbansi, energi gap dan indeks bias.

## III. METODE PENELITIAN

## A. Alat Dan Bahan
Alat yang digunakan pada penelitian ini berupa neraca analitik  model  Sartonius BL6100 ,  spin  coating, Spektroskopi  UV-Vis Ocean  Optics USB4000.  Furnace merk Vulcan TM-3000 , dan Ultrasonik model Branson 2510.
Sedangkan  bahan  yang  digunakan  berupa  bubuk  barium asetat [Ba(CH 3 COO) 2 , 99%], strontium asetat [Sr(CH 3 COO) 2 ,  99%],  titanium  isopropoksida  [Ti(C 12 O- 4 H 28 ),  97.999%],  2-metoksietanol  [H 3 COCH 2 CH 2 OH, 99%], etanol 96%, aquades, substrat Corning Glass 7059. B. Preparasi Film Tipis
Pada  penelitian  ini  digunakan  substrat Corning  Glass 7059  yang  dipotong  dengan  menggunakan  pemotong kaca  dengan  ukuran  1  cm 2 .  Substrat  tersebut  kemudian dicuci  lagi  dengan  menggunakan  aquades  selama  30 detik.
C. Pembuatan Larutan Ba 0.55 Sr 0.45 tio 3 Pembuatan  larutan  BST  yang  ditumbuhkan  pada permukaan  substrat  Si  dilakukan  dengan  menggunakan metode Chemical  Solution  Deposition (CSD),  yaitu dengan  mencampurkan  barium  asetat,  strontium  asetat dan  titanium  isopropoksida  dengan  menggunakan 2-metoksietanol C 3 H 8 O 2 sebagai pelarut. Fraksi molar Ba adalah 0.55 dan Sr 0.45. Selanjutnya larutan yang sudah dibuat  akan  diberikan  perlakuan  ultrasonikasi  selama  90 menit untuk mendapatkan campuran BST yang homogen.

## D. Penumbuhan Film Tipis
Campuran  BST  selanjutnya  diteteskan  pada  substrat Corning  Glass 7059  dan  diputar  dengan  menggunkan spin coating selama 30 detik dengan kecepatan 3000 rpm. Proses pelapisan BST pada substrat Corning Glass 7059 dilakukan 3 kali dengan waktu jeda selama 30 detik. E. Proses Annealing
Proses annealing dilakukan  dengan  menggunakan furnace  model  vulcan TM-3000 yang  bertujuan  untuk mendifusikan  larutan  BST  pada  substrat  secara  fisika dengan  pemberian  perlakuan  panas.  Proses annealing pada suhu yang berbeda akan menghasilkan karakterisasi film  tipis  BST  yang  berbeda  dalam  hal  struktur  kristal, ketebalan  dan  ukuran  butir. Annealing substrat Corning Glass 7059 yang telah ditumbuhi lapisan BST dilakukan pada  suhu  550 o C  dan  575 o C,  selama  22  jam  dengan kenaikan temperatur 1.67 o C/menit.
F. Karakterisasi Optik Film Tipis BST Pengujian absorbansi dilakukan untuk melihat sprektrum  serapan  film  tipis  BST.  Sumber  cahaya  yang digunakan  adalah  cahaya  tampak,  sedangkan  alat  yang digunakan  dalam  karakterisasi  ini  adalah  spektroskopi optik UV-Vis Ocean Optics USB4000. Spektoskopi yang digunakan dapat mendeteksi sifat absorbansi, transmitansi  dan  reflektansi  film  tipis  BST.  Data  yang diperoleh  dari  hasil  pengukuran  ini  selanjutnya  diolah untuk  mendapatkan  karakteristik  absorbansi  dari  BST. Absorpsi  di  dalam  film  terjadi  melalui  eksitasi  elektron dari  keadaan-keadaan  terisi  atau  valensi  ke  keadaan- keadaan kosong (konduksi).
Nilai  koefisien  Absorbansi  merupakan  fungsi  dari panjang  gelombang  dan  fungsi  energi  foton  yang dituliskan dalam bentuk persamaan [7]:
αhv = A( hv -E G ) m
Dimana  A  adalah  sebuah  konstanta, hv merupakan energi foton nilai m bisa ½ untuk transisi langsung dan 2 untuk  transisi  tidak  langsung  dan E G adalah  celah  pita optik.
Energi  gap  diperoleh  dengan  membuat  plotting hubungan  antara  ( αhv ) 1/n terhadap hv .  Ekstrapolasi dilakukan  pada  kurva  yang  memiliki  gradien  tertinggi dan memotong sumbu hv, nilai yangmemotong sumbu hv itu  disebut  energi  gap.    Metode  ini  dikenal  dengan Metode Plot Tauc [7,8].

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Absorbansi
Uji  absorbansi  dilakukan  untuk  melihat  spektrum serapan  BST,  yang  selanjutnya  dijadikan  dasar  untuk memilih sumber cahaya yang akan digunakan ketika film BST dijadikan sensor, terutama sensor cahaya.
Gambar 1. Karakteristik absorbansi film tipis BST pada suhu 550 o C
Gambar 2. Karakteristik absorbansi film tipis BST pada suhu 575 o C
Hasil  karakteristik  absorbansi  pada  gambar  1 menunjukkan  bahwa  8  sampel  (8  kali  ulangan  )  dengan suhu annealing 550 o C maksimum menyerap cahaya pada rentang 370 nm sampai 390 nm dan minimum menyerap pada  730  nm  hingga  780  nm.  Sedangkan  gambar menunjukkan bahwa sampel dengan suhu annealing 575 o C  memiliki  maksimum  menyerap  cahaya  pada  rentang 370 nm sampai 390 nm dan mimimum pada 600 hingga 660 nm.  Kedelapan  sampel  menunjukan nilai  absorbansi yang berbeda ,  diduga kedelapan sampel tersebut belum homogen.
Pada  titik  absorbansi  maksimum  ini  menunjukkan bahwa  elektron  tidak  dapat  menyerap  energi  pada panjang  gelombang  tersebut  sehingga  energi  yang diberikan hanya dilewatkan saja.
Peningkatan  suhu annealing menyebabkan  semakin bertambah  besarnya grand  sized dan strain  mikro film BST  yang  ditumbuhkan  [6].  Hal  ini  menyebabkan kemampuan  absorbsi  cahaya  oleh  BST  dengan  suhu annealing juga meningkat seperti diperlihatkan gambar 1
dan  2.  Energi  gap  dianalisis  untuk  menentukan    bahan tersebut bersifat konduktor, semikonduktor atau isolator

## B. Energi Gap
Gambar  3  dan  4  menunjukkan  hubungan  ( αhv ) 0.5 sebagai fungsi hv . Nilai E G diperoleh dengan melakukan ekstrapolasi pada 8 sampel ( 8 kali ulangan ). Penurunan nilai  rata-rata  energi  gap  1,888  eV  (pada  suhu  550 o C) menjadi  1,712  eV  (pada  suhu  575 o C),  diduga  karena kenaikan  suhu  (energi  termal)  yang  berakibat  terjadi peningkatan  absorbansi  rata-rata  pada  film  tipis  BST. Semakin  kecil  nilai  energi  gap  maka  celah  pita  energi (antara  pita  konduksi  dan  pita  valensi)  semakin  kecil, sehingga  elektron  pada  pita  konduksi  lebih  mudah melompat(eksitasi)  kepita valensi.
Gambar 3. Energi gap film tipis BST pada suhu 550 o C
Gambar 4. Energi gap film tipis BST pada suhu 575 o C

## C. Indeks Bias
Gambar 5 dan 6 menunjukkan hubungan antara indeks bias  8  sampel  (8  kali  ulangan  )  sebagai  fungsi  dari panjang gelombang. Dari gambar tersebut terlihat bahwa indeks  bias    8  sampel  (8  kali  ulangan  )  dengan  suhu annealing 575 o C  lebih  kecil  dari  indeks  bias  sampel dengan  suhu annealing 550 o C.    Ini  diduga  karena kenaikan suhu ( energi termal)
Gambar 5. Indeks bias film tipis BST pada suhu 550 o C
Gambar 6. Indeks bias film tipis BST pada suhu 575 o C

## V. KESIMPULAN
Telah  berhasil  membuat  film  tipis  Ba 0.55 Sr o.45 TiO 3 (BST)  yang  ditumbuhkan  di  atas  substrat Corning Glass 7059 dengan metode CSD.
Peningkatan  suhu annealing meningkatkan  sifat absorbansi  serta menurunkan  energi gap  dan  indeks  bias BST.
Hasil  uji  sifat  BST  ini  sebagai  cikal  bakal  sensor cahaya (aplikasi sebagai saklar).

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian  ini  didanai  oleh  Hibah  Pekerti,  Koordinasi Perguruan  Tinggi  Swasta  Wilayah  III,  Kementerian Pendidikan  dan  Kebudayaan,  dengan  surat  perjanjian pelaksanaan nomor 095/K3/KM/2015.
REFERENSI [1] Ardian,A.,Irzaman, Penerapan Film Tipis Ba 0.25 Sr 0.75 Tio3(BST)  Yang  Didadah  Fermium  Oksida Sebagai Sensor Suhu Berbentukan Mikrokontroler. Berkala
Fisika Vol 13 No. 2 ,halaman C53-C64,2010. [2] Y. Xin, R.Wei, S. Peng,W. Xiaoqing, and Y. Xi, “Enhanced Tunable Dielectric Properties Of Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 /
Bi 1.5 Zn 1.0 Nb 1.5 O 7 Multilayer  Thin  Films  By  A  Sol-Gel Process,” Thin  Solid  Films ,  vol.520,  no.  2,  pp.  789–792, 2011.
[3] Irzaman, H.Syafutra, H.Darmasetiawan “Electrical Properties Of Photodiode Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3 (BST) Thin  Film  Doped  With  Ferric  Oxide  On  P-Type  Si  (100) Substrate  Using  Chemical  Solution  Deposition  Method,”
Atom Indonesia , vol. 37, pp. 133–138, 2011.
[4] A. Wahidin Nuayi, H. Alatas, Irzaman,  S.  Husein,  dan  M.  Rahmat,  Enhancement  of Photon Absorption on Ba X Sr 1-X TiO 3 Thin-Film Semiconductor  Using  Photonic  Crystal. International Journal of Optics . Volume 2014.
[5]  M.  Enhessari,  synthesis  and  characterization  of  barium stronosium  tintanate  (BST)  micro/nanostructures  prepared by  improved  methodes,  journal  letters,  vol  22.  No  9,    pp 693-701,2008.
[6]  Umar,dan  Faanzir,  Uji  Sifat  Optik  Pada  Film  Tipis Ba 0.55 Sr o.45 TiO 3 . Prosiding Simposium Nasional Inovasi dan Pembelajaran Sains (SNIPS) ITB Bandung,2013
[7] Maddu, Akhiruddin. 2014. Pedoman Praktikum Eksperiman Fisika  II.  Departemen  Fisika,  FMIPA,  Institut  Pertanian Bogor.
[8]  Irzaman,  Heryanto  Syahputra,  Endang  Rancasa,  Abdul wahidin    Nuay,  Tb  Gamma  Nur  Rahman  ,  Nur  Aisyah Nuzulia, The Effect of Ba/Sr ratio on Electrical and optical properties of       Ba z Sr 1-x Tio 3 (x=0.25; 0.35; 0.45; 0.55) thin film  semiconductor.  Ferroelectrics.Vol.  445  No.  1,  pp  4- 7,2013