Akreditasi LIPI Nomor : 452/D/2010
Tanggal 6 Mei 2010

## ANALISIS STRUKTUR KRISTAL LAPISAN TIPIS
BaZr 0,2 Ti 0,8 O 3 YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE SOL GEL
Yofentina I. 1 , Viska I.V. 1 , M. Hikam 2 , Bambang S. 2 , Alfan M. 1 dan Wahyu P 1
1 Jurusan Fisika FMIPA - Universitas Sebelas Maret Jl. Ir.Sutami 36A, Surakarta
2 Departemen Fisika FMIPA - UI
Kampus UI, Depok 16424
e-mail: yopen_2005@yahoo.com

## ABSTRAK

## ANALISIS STRUKTUR KRISTAL LAPISAN TIPIS BaZr
0,2 Ti 0,8 O 3 YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE SOL GEL . Penumbuhan lapisan tipis BaZr 0,2 Ti 0,8 O 3 menggunakan metode sol gel yang disiapkan dengan spin coater telah berhasil ditumbuhkan di atas substrat Si. Barium asetat, zirconium isoproponol, titanium isopropoksid digunakan sebagai bahan pembuat BZT dan asam asetat serta etilen glicol digunakan sebagai pelarut. Ada tiga prinsip dasar pembentukan lapisan tipis menggunakan metode sol gel yaitu proses kimia (pembuatan larutan), penumbuhan lapisan menggunakan spin coater , dan proses termal ( annealing ). Variasi jumlah lapis dilakukan untuk mendapatkan lapisan yang diinginkan. Sedangkan kecepatan dan waktu putar, suhu annealing , waktu annealing dibuat sama yaitu 3000 rpm selama 30 detik dengan 800 o C selama 3 jam. Karakterisasi yang dilakukan meliputi uji menggunakan alat X-Ray Flurosence ( XRF ) untuk mengetahui komposisi lapisan tipis BZT dan X-Ray Diffraction ( XRD ) untuk mengetahui struktur kristal. Hasil karakterisasi menggunakan XRF menunjukkan bahwa unsur-unsur pembentuk BZT telah terdeposit di atas substrat Si. Makin banyak jumlah lapisan maka makin banyak unsur-unsur pembentuk BZT . Hasil karakterisasi menggunakan XRD menunjukkan kekristalan lapisan tipis BZT . Hal ini ditunjukkan dengan munculnya beberapa puncak yang teridentifikasi sebagai milik BZT setelah dicocokkan dengan ICDD database . Hal ini diperkuat dengan penghalusan menggunakan program General Stucture Analysis System ( GSAS ). Makin banyak jumlah lapis makin tinggi intensitas pada suatu orientasi bidang tertentu.
Kata kunci : Sol gel , BZT, XRD, XRF, GSAS

## ABSTRACT

## ANALYSIS CRYSTAL STRUCTURE OF THIN FILMS BaZr
0.2 Ti 0.8 O 3 WHICH HAVE DEPOSITED BY SOL GEL METHOD. Fabrication of BaZr 0.2 Ti 0.8 O 3 thin film on Si substrate by sol gel method use spin coater has been done successfully. Barium asetat, zirconium isoproponol, titanium isopropoksid were used as deposition components BZT thin film. Asetat acid and etylen glycol were used as solvent. There are three basic principles of thin film fabrication by sol gel method, i.e. chemical process (Solvent fabrication), thin film deposition use spin coater, and thermal process (annealing). The layers number variation has done to get layer which become target in this research. Speed and duration of spin coater rotation were set at 3000 rpm for 30 seconds, while annealing temperature and duration were set in 8000 o C for 3 hours. Characterization that we have done i.e. X-Ray Flurosence (XRF) test to observe the composition of thin film BZT and X-Ray Diffraction (XRD) test to observe crystal structure. The XRF characterization results show that deposition components of BZT thin film have deposited on Si substrate. The implication of more layers number which have formed is more components BZT thin film which have deposited. The XRD characterizations results show that crystality of BZT thin film because raise some peaks which have been cross check by ICDD database and conclude that the owner of some peaks is BZT. The conclusions have strength by smoothing results by General Stucture Analysis System (GSAS) software. The implication of more layers number is more high intensity on certain oriented plane.
Key wods: Sol gel, BZT, XRD, XRF, GSAS

## PENDAHULUAN
Perkembangan penelitian tentang penumbuhan lapisan tipis semakin. Hal ini juga terjadi pada kegunaanya sebagai piranti elektronika. Lapisan dikatakan lapisan tipis jika mempunyai ketebalan yang berkisar antara orde 10 -6 meter sampai dengan orde 10 -9 meter sehingga ketebalan lapisan ini tidak dapat dilihat dengan mata biasa. Lapisan tipis feroelektrik merupakan salah satu kandidat yang sangat baik untuk digunakan pada aplikasi bidang elektronika. Feroelektrik merupakan material elektronik khususnya material dielektrik yang terpolarisasi spontan dan memiliki kemampuan untuk mengubah arah listrik internalnya. Polarisasi yang terjadi merupakan hasil dari penerapan medan yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada material feroelektrik.
Barium zirconium titanat atau BaZrTiO 3 ( BZT ) merupakan salah satu komposisi penting untuk dielektrik dalam multi layer capacitor (MLC). Peningkatan perbandingan Zr sampai 25 % dalam BZT akan muncul sifat relaxor yang kuat dan suhu Curie (Tc) menjadi lebih rendah [1]. Barium zirkonium titanat biasanya diperoleh dengan menggantikan ion di posisi B dari struktur perovskite ABO 3 atau Ti dalam senyawa BaTiO 3 dengan Zr. Hal ini dimungkinkan karena ion Zr 4+ memiliki ukuran ion yang lebih besar (0,087 nm) dari Ti 4+ yang hanya (0,068 nm). Barium zirconium titanat adalah alternatif pengganti yang mungkin untuk BST dalam fabrikasi kapasitor keramik karena Zr 4+ secara kimiawi lebih stabil dari Ti 4+ [2].
Penumbuhan lapisan tipis BZT ada berbagai jenis diantaranya Metalorganic Chemical Vapor Deposition ( MOCVD ) [3], Pulsed Laser Deposition atau ( PLD ) [4], Radio-Frequency Magnetron Sputtering [5] dan Chemical Solution Deposition , atau metode sol gel dan disiapkan dengan spin coating [6]. Pada makalah ini penumbuhan lapisan tipis BZT menggunakan metode sol gel yang disiapkan dengan spin coater dengan variasi jumlah lapis yaitu 5 lapis, 10 lapis, dan 15 lapis . Lapisan tipis BZT kemudian dikarakterisasi menggunakan X-Ray Fluiresence ( XRF ) untuk mengetahui komposisi lapisan tipis dan X-Ray Diffraction ( XRD ) untuk mengetahui struktur kristal lapisan yang selanjutnya dihaluskan menggunakan software EXPGUI GSAS .

## METODE PERCOBAAN
Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah barium asetat, zirconium isopropanol, titanium isopropoxide. Bahan pelarut yang digunakan adalah asam asetat dan etylene glycol . Metode sol gel yang digunakan pada penumbuhan lapisan tipis BZT yang disiapkan dengan spin coater . Ada tiga hal yang mendasar pada metode ini yaitu pembuatan larutan (proses kimia), proses penumbuhan lapisan tipis dengan metode spin coating serta termal proses ( annealing ).
Larutan BZT dibuat dengan 0,5 M. Jumlah lapis divariasi dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik dan dipanaskan pada suhu 800 o C selama 3 jam. Lapisan tipis BZT yang terbentuk di atas substrat Si kemudian dikarakterisasi menggunakan XRF untuk mengetahui komposisinya dan XRD untuk mengetahui struktur kristal. Selanjutnya data raw dari karakterisasi menggunakan XRD dihaluskan menggunakan sofware EXPGUI GSAS untuk mengetahui apakah puncak-puncak yang muncul milik BZT . Bagan penelitian secara terperinci seperti disajikan pada Gambar 1.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Variasi jumlah lapis dibuat adalah 5 lapis, 10 lapis, dan 15 lapis yang dipanaskan menggunakan furnace dengan suhu annealing tetap yaitu 800 o C selama 3 jam. Lapisan tipis BZT yang ditumbuhkan dengan metode sol gel yang disiapkan dengan spin coater di atas substrat Si dikarakterisasi menggunakan XRF untuk mengetahui komposisi lapisan tipis. Pada Tabel 1 adalah
3000 rpm Unsur Si
Ba
Zr Ti 5 lapis 83,1131 12,1608 0,0324 4,6937 10 lapis 55,7490 31,0885 0,0778 13,0847 15 lapis 30,8191 48,1145 0,1816 20,8849
Tabel 1 . Hasil XRF (wt%) lapisan tipis BZT untuk variasi jumlah lapis
Gambar 1 . Diagram alir penelitian
hasil karakterisasi menggunakan XRF untuk persen berat masing masing unsur. Teridentifikasi ada empat unsur yang muncul yaitu Si (Silikon), Ba (Barium), Zr (Zirconium), dan Ti (Titanium). Si adalah substrat yang digunakan pada penelitian ini. Sedangkan tiga unsur yang lain adalah unsur pembentuk BZT , sehingga dapat dikatakan bahwa unsur-unsur pembentuk BZT telah terdeposit di atas substrat Si. Nampak bahwa makin banyak jumlah lapisan makin banyak unsur-unsur pembentuk BZT (Ba, Zr, dan Ti) yang terdeposit di atas substrat Si. Kenaikan ini seiring disemua unsur pembentuk BZT dan diikuti penurunan persen berat Si. Karakterisasi XRD untuk mengetahui kristal tidaknya lapisan tipis yang telah dibuat. Muncul puncak-puncak pada pola difraksi karena atom-atom suatu bahan tertentu akan terdifraksi pada sudut tertentu dan susunan atom ini harus teratur pada rentang yang panjang. Hal inilah yang disebut kristal. Gambar 2 adalah pola difraksi lapisan tipis BZT untuk variasi jumlah lapis. Beberapa puncak muncul dan setelah dicocokkan dengan ICDD data base puncak-puncak ini milik BZT dan susbtrat Si. Lapisan tipis BZT yang dibuat bisa dikatakan telah kristal. Lima puncak yang muncul teridentifikasi sebagai milik lapisan tipis BZT yaitu bidang (001), (011), (111), (022) dan (112).
Pola difraksi menunjukkan bahwa makin banyak jumlah lapis intesitas pada masing-masing orientasi bidang tertentu makin tinggi. Hal ini dapat dijelaskan bahwa makin banyak lapisan makin banyak unsur-unsur pembentuk BZT yang terdeposit di atas substrat Si dan hal ini sudah dibuktikan dari karekterisasi menggunakan XRF , sehingga probabilitas membentuk BZT pada orientasi bidang tertentu makin besar.
Puncak-puncak yang teridentifikasi sebagai milik BZT setelah dicocokkan dengan ICDD data base [7], kemudian diolah ( refinement ), di fitting menggunakan software EXPGUI GSAS kebenaran dari dugaan awal. Software ini memerlukan beberapa input data diantaranya data raw dari instrument XRD yang digunakan, data panjang gelombang sumber Sinar-X dalam bentuk prm , parameter kisi, dan space grup dari material. Metode ini selain mencocokkan kurva antara hasil percobaan dengan kalkulasi hasil perhitungan General Stucture Analysis
System ( GSAS ), juga untuk menghaluskan parameter kisi. Hasil penghalusan menggunakan software ini seperti ditampilkan pada Gambar 3.
Hasil refinement menunjukkan dugaan awal benar bahwa puncak-puncak itu milik BZT . Hasil penghalusan menunjukkan kurva kalkulasi (garis tegas) sudah menyesuaikan dengan kurva hasil percobaan (tanda silang). Hal ini ditunjukkan dengan kurva paling bawah (diff) yang merupakan kurva selisih antara kurva kalkulasi dengan eksperimen dan nampak mendekati garis lurus. Garis Chi2 ( chi square kuadarat terkecil) mendekati linier dan menunjukkan hasil refinement .
Hasil parameter kisi dari penghalusan sofware EXPGUI GSAS seperti disajikan pada Tabel 2. Parameter kisi yang didapat dari hasil penghalusan menggunakan software EXPGUI GSAS mengalami perubahan dari parameter kisi awal yaitu a=b= 3,998 nm; c = 4,052 nm. Secara keseluruhan disemua variasi kecepatan a dan b mengalami perbesaran dan c mengalami penurunan. Parameter kisi mengalami sedikit perubahan pada variasi jumlah lapisan pada variasi jumlah lapisan. Parameter
Gambar 2 . Pola difraksi lapisan tipis BZT variasi jumlah lapis
Gambar 3 . Hasil penghalusan menggunakan software EXPGUI GSAS
(a) (b) (c) Chi 2 Chi 2 Chi 2
yang dihasilkan dari penghalusan menggunakan software EXPGUI GSAS menunjukkan bahwa lapisan tipis BZT mempunyai struktur tetragonal karena memiliki parameter kisi a=b ≠ c dan sudut  =  =  = 90 O .

## KESIMPULAN
Pembuatan lapisan BZT di atas substrat Si dengan variasi jumlah lapisan telah berhasil dilakukan. Hal ini dibuktikan dengan karakterisasi menggunakan XRF dan XRD yang dilanjutkan dengan software EXPGUI-GSAS ( analisis Rietveld ). Makin banyak jumlah lapisan makin banyak unsur-unsur pembentuk BZT yang terdeposit di atas substrat Si dan makin banyak puncak muncul yang diikuti makin tingginya intensitas pada orientasi bidang tertentu.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Kementerian Riset dan Teknologi, atas pendanaan sebagian penelitian ini yang berasal dari Proyek Hibah Insentif Riset Terapan 2011.

## DAFTAR ACUAN
[1]. L. DAOCHENG, D. Shihua, C. TAO, S. TIANHU, et al, 2009, Ferroelectric , 385 (2009) 169-176
[2]. J. ZHAI, X. YAO, L. ZHANG and B. SHEN, Applied Physics Letters , 84 (2004) 3136
[3]. C. GAO, J. ZHAI, X. YAO, Integrated Ferroelectries , 74 (2005)147-153
[4]. X. H. ZHU, D. N.ZHENG,W. PENG, J. LI,Y. F. CHEN, Materials Letters , 60 (2006) 1224-1228.
[5]. M. S. TSAI, S. C.SUN and T. Y. Chen, Journal of Applied Physics , 82 (7) (1997)
[6]. O. AUCIELL, J. F. SCOTT, R. RAMESH, Physics Today , (1998) 22-27.
[7]. PDF-ICDD Database (CD ROM), (1998)