## PENGARUH HOLDING TIME PROSES ANNEALING
TERHADAP STRUKTURMIKRO DAN MORFOLOGI LAPISAN TIPIS BARIUM ZIRCONIUM TITANATE
Y. Iriani 1 , V.I. Variani 2 , M. Hikam 3 , B. Soegijono 3 , M. Yuliani 1
1 Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Sebelas Maret Surakarta Jl. Ir. Sutami no.36 A Surakarta, Jawa Tengah
2 Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Haluoeleo Jl. Ir. Sutami no.36 A Surakarta, Jawa Tengah
3 Departemen Fisika FMIPA, Universitas Indonesia
Kampus UI, Depok 16424 e-mail: yopen_2005@yahoo.com Diterima: 18 Nopember 2013 Diperbaiki: 9 Januari 2014 Disetujui: 30 Januari 2014

## ABSTRAK
PENGARUH HOLDING TIME PROSES ANNEALING TERHADAP STRUKTURMIKRO DAN MORFOLOGI LAPISAN TIPIS BARIUM ZIRKONIUM TITANATE . Penumbuhan lapisan tipis Barium Zirconium Titanate ( BZT ) menggunakan metode Chemical Solution Deposition ( CSD ) yang disiapkan dengan spin coater telah berhasil ditumbuhkan di atas substrat Si. Variasi holding time proses annealing dilakukan untuk melihat struktur mikro (tingkat kekristalan) menggunakan X-Ray Diffraction ( XRD ) dan morfologi (ukuran butir) menggunakan Scanning Electron Microscopy ( SEM ) dari lapisan tipis BZT. Hasil penelitian menunjukkan bahwa variasi holding time mengakibatkan berubahnya tingkat kekristalan, ketebalan dan ukuran butir lapisan BZT. Tingkat kekristalan makin tinggi seiring dengan bertambahnya holding time yang ditandai dengan makin besarnya intensitas. Tingkat kekristalan tertinggi pada holding time 4 jam yaitu sebesar 80%. Ketebalan lapisan makin tipis seiring dengan bertambahnya holding time. Lapisan tipis BZT dengan holding time 4 jam adalah yang paling tipis yaitu sebesar 570 nm. Ukuran butir bertambah besar seiring dengan bertambahnya holding time karena adanya proses difusi antar butir.
Kata kunci : CSD, BZT, Holding time , Tingkat kekristalan, Ukuran butir

## ABSTRACT
THE EFFECT OF HOLDING TIME OF ANNEALING PROCESS ON MICRO STRUCTURE AND MORPHOLOGY OF BARIUM ZIRCONIUM TITANATE THIN FILMS. Barium Zirconium Titanate (BZT) thin films, which was prepared with spin coater, has been deposited on Si substrate using Chemical Solution Deposition method (CSD). The variation of the holding time in annealing process was done for investigating the microstructure (cristalinity) using X Ray Diffraction (XRD) and morphology (grain size) using Scanning Electron Microscopy (SEM). It is found that the increasing of holding time influences to the cristalinity level, thickness and and the grain size of BZT. The cristalinity level improves with the increasing of holding time, which is shown by the increasing of intensity. The highest cristalinity, 80%, is obtained at holding time of 4 hours. The thickness of thin film decreases with holding time increament. The thickness of BZT thin film is found to be 570 nm at holding time of 4 hours. The grain size increase with holding time increament which is caused by diffusion process between grains.
Keywords: CSD, BZT, Holding time, Cristalinity, Grain size
Akreditasi LIPI No.: 395/D/2012
Tanggal 24 April 2012 ISSN: 1411-1098
Homepage: http://jusami.batan.go.id

## Jurnal Sains Materi Indonesia

## PENDAHULUAN
pada aplikasi bidang elektronika. Ferroelektrik merupakan material elektronik khususnya material
Lapisan tipis ferroelektrik merupakan salah satu kandidat yang sangat baik untuk digunakan
Pengaruh Holding Time Proses Annealing Terhadap Struktur Mikro dan Morfologi Lapisan Tipis Barium Zirkonium Titanat (Y. Iriani )
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 ferroelektrik [1].
Barium zirconium titanate atau BaZrTiO 3 ( BZT ) merupakan salah satu komposisi penting untuk bahan dielektrik dalam multi layer capacitor (MLC). Peningkatan perbandingan Zr sampai 25% dalam BZT akan memunculkan sifat relaxor yang kuat dan suhu Curie (Tc) menjadi lebih rendah [2]. 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+ (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+ [3]. Penumbuhan lapisan tipis BZT ada berbagai macam diantaranya Metalorganic Chemical Vapor Deposition ( MOCVD ) [4], Pulsed Laser Deposition atau ( PLD ) [5], Magnetron Sputtering [6], serta Chemical Solution Deposition , atau metode sol gel dan disiapkan dengan spin coating [7,8]. Pada makalah ini penumbuhan lapisan tipis BZT menggunakan metode Chemical Solution Deposition yang disiapkan dengan spin coater . Ada tiga hal yang mendasar pada metode CSD yaitu pembuatan larutan (proses kimia), proses penumbuhan lapisan tipis dengan spin coater serta termal proses ( annealing ). Proses annealing dilakukan menggunakan furnace dengan suhu pemanasan tertentu. Faktor suhu sangat berpengaruh terhadap pertumbuhan butir suatu material. Faktor suhu ini ada berbagai macam diantaranya holding time . Holding time disini dimaksudkan waktu saat sampel dimasukkan dalam furnace setelah mencapai suhu tertentu kemudian ditahan. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan ukuran butir yang besar, karena pada saat penahanan ini butiran- butiran berinteraksi satu sama lain sehingga terjadi proses difusi membentuk butiran dengan ukuran yang lebih besar. Besar kecilnya butiran berpengaruh terhadap sifat ferrolektrik dari material ferroelektrik. Diharapkan dengan butiran yang besar makin susah rigid suatu material, sehingga polarisasi bertambah.

## METODE PERCOBAAN
Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode Chemical Solution Deposition . Bahan precursor yang digunakan adalah Barium Asetat (Merck, 99%), zirconium isopropanol, titanium isopropoxide (Merck, 99%). Bahan pelarut yang digunakan adalah asam asetat dan etylene glycol . Platinum (Pt/Si) digunakan sebagai substrat pada penelitian ini.
Pada proses kimia yaitu pembuatan larutan dengan mencampurkan bahan-bahan terlarut dan pelarut menggunakan hotplate magnetic stierer selama 1,5 jam. Larutan BZT dibuat dengan 0,5 M. Pemanasan larutan yang dilakukan selama 1 jam untuk mempercepat reaksi antara bahan-bahan yang digunakan. Proses deposisi larutan BZT di atas substrat Pt/Si menggunakan spin coater dengan kecepatan putar 4000 rpm selama 30 detik [7]. Tetesan pertama akan menjadi lapisan pertama, setelah diputar dengan spin coater lalu dipanaskan di atas hotplate dengan suhu 300 o C Pada proses annealing akan divariasi waktu tahan yaitu 1 jam, 2 jam, 3 jam, dan 4 jam pada suhu pemanasan 800 o C. Lapisan tipis BZT yang terbentuk di atas substrat Si kemudian dikarakterisasi menggunakan peralatan X-Ray diffraction ( XRD ) Bruker D8 Advance untuk mengetahui struktur kristal dan peralatan Scanning Electron Microscopy ( SEM ) untuk melihat ketebalan dan morfologinya.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Karakterisasi XRD
Struktur kristal pada sampel diperoleh melalui uji menggunakan peralatan XRD yang ditunjukkan oleh hasil pengukuran yang berkaitan antara intensitas puncak difraksi (mewakili sumbu y) dengan sudut 2 θ (mewakili sumbu x). Gambar 1 adalah pola difraksi lapisan tipis BZT untuk variasi holding time 1, 2, 3, dan 4 jam. Puncak- puncak difraksi yang muncul menunjukkan bahwa sampel BZT yang ditumbuhkan merupakan kristal. Puncak- puncak yang muncul dicocokkan dengan ICDD PDF #360019 untuk mengidentifikasikan lapisan tipis BZT dan ICDD PDF #870642 untuk mengidentifikasikan substrat Pt. Puncak-puncak yang muncul yang teridentifikasi milik BZT dengan orientasi bidang (001) (011), (111), (012), dan (112). Terlihat bahwa seiring dengan bertambahnya holding time, intensitas sinar X
terdifraksi cenderung makin besar, seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Hal ini disebabkan makin lama waktu tahan makin lama atom-atom menata dirinya untuk membentuk kristal pada orientasi bidang tertentu.
Kristalinitas menyatakan tingkat kekristalan suatu material yang dihitung dengan membandingkan selisih intensitas puncak tertinggi dan terendah dengan intensitas puncak tertinggi. Tabel 2 adalah kritalinitas BZT untuk variasi holding time . Kristalinitas tertinggi pada holding time 4 jam. Namun secara keseluruhan tidak ditemukan perubahan yang signikan.
Gambar 2 adalah foto SEM lapisan tipis BZT untuk variasi holding time . Hasil karakterisasi menggunakan SEM terlihat bahwa bertambahnya holding time mengakibatkan butiran-butiran saling berdifusi membentuk butiran yang lebih besar. Ukuran butir tidak dapat dihitung karena batas butir dan ukuran yang tidak teratur. Namun secara visual hal ini terlihat jelas.
Gambar 3 menunjukkan ketebalan lapisan tipis BZT untuk variasi holding time . Seiring bertambahnya holding time ketebalan lapisan tipis BZT makin tipis. Hal ini disebabkan makin lama waktu pemanasan mengakibatkan unsur-unsur BZT makin mampat dan pelarut yang masih terjerambab makin berkurang.

## KESIMPULAN
Variasi holding time memberikan dampak perubahan yang signifikan, terutama pada ketebalan dan ukuran butir lapisan BZT. Tingkat kekristalan tertinggi diperoleh pada holding time 4 jam yaitu sebesar 80%. Ketebalan lapisan tipis makin tipis seiring dengan
Holding time (jam) Kekristalan (%) 1 79 2 79
3 79 4 80 Tabel 2 . Kristalanitas BZT pada variasi holding time
Tabel 1 . Intensitas pola difraksi pada variasi holding time
Bidang Intensitas ( count ) 1 Jam 2 Jam 3 Jam 4 Jam (001) 3005 3193 3193 3192 (011) 7136 7500 7502 8268 (111) 2737 2905 2907 2908 (002) 2756 2968 2969 3051 (012) 1490 1588 1588 1641 (112) 1729 1833 1833 1894
1 Jam 2 Jam 3 Jam 4 Jam
Gambar 2 . Foto SEM Lapisan Tipis BZT untuk Variasi Holding time (a) 1 jam (b) 2 jam (c) 3 jam (d) 4 jam.
Tabel 3 . Ketebalan lapisan tipis BZT variasi holding time
Holding Time (jam) Ketebalan (nm) 1 1030
2 890 3 700 4 570 (a) (b) (c) (d)
Pengaruh Holding Time Proses Annealing Terhadap Struktur Mikro dan Morfologi Lapisan Tipis Barium Zirkonium Titanat (Y. Iriani )
bertambahnya holding time. Lapisan tipis BZT dengan holding time 4 jam adalah yang paling tipis yaitu sebesar 570 nm. Ukuran butir bertambah besar seiring dengan bertambahnya holding time karena adanya proses difusi antar butir.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kementrian Riset dan Teknologi, atas pendanaan sebagian penelitian ini yang berasal dari Proyek Hibah Insentif Riset Terapan 2011- 2012 dan Hibah pasca Sarjana 2012-2013.

## DAFTAR ACUAN
[1]. Y. Iriani, V.I. Variani,M. Hikam, B. Soegijono, A. Mustaqin, W. Prasetya. “Analisis Stuktur Kristal
Lapisan Tipis BaZr 0,2 Ti 0,8 O 3 yang Ditumbuhkan dengan Metode Sol Gel.” Jurnal Sains Materi Indonesia , vol.13, no. 1, Mei 2011.
[2]. L. Daocheng, D. Shihua, C. Tao, and S. Tianxiu. “Ferroelectric Relaxor Behavior of Ba(Ti 0.9 1Zr 0.09 )O 3 Ceramics . ” Ferroelectric , vol. 385, pp.169–176, 2009.
[3]. J. Zhai, X.Yao, L. Zhang, and B. Shen. “Dielectric nonlinear characteristics of BaZr 0.35 Ti0. 65 O 3 thin ûlms grown by a sol-gel process.” Applied Physics Letters , vol. 84, pp. 31-36, 2004.
[4]. T. Schneller, S. Halder, R. Waser, C. Pithan, J. Dornseiffer, Y. Shiratori, L. Houben, N. Vyshnavi and B. Majumder. “ Nano Composite Thin Films for Miniatirized Multi Layer Ceramic Capacitors Prepared from BariumTitanate Nano Particle Based Hybrid Solution.” J. Mater. Chem ., vol. 21, 7953, 2011.
[5]. D. Pergolesi, E. Fabbri, A. D’Epifanio, E. Di Bartolomeo, A. Tebana, S. Sanna, S. Licoccia, G. Balestrino, E. Travorsa. “High Proton Conduction in Grain Boudry Free Ytrium Doped Barium Zirconia Films Growth by Pulsed Laser Deposition.” Nature Materials , vol. 9, pp. 846-852, 2010.
[6]. T. Ohno, Y. Kamai, Y. Oda, N. Sukamoto, T. Matsuda. “Strai Engineering Effects on Electrical Properties of Lead Free Piezoelectric Thin Films on Si Wafers.” Acta Chim. Slov ., vol. 61, pp. 453-456, 2014.
[7]. X. Deng, J. Huang, W. Cai, C. Fu, and D. Guo. “Effect of Annealing Temperature on Properties of Barium Zirconium Titanate Thin Films Deposited by Sol- Gel Metod.” Integreted Ferrolectric , vol. 140, pp. 42-48,2012
[8]. Y. Iriani, V.I. Variani, M. Hikam, B. Soegijono,A. Mustaqin, W. Prasetya. “Optimalization of Rotational Speed in the growing of the thin film using Sol Gelmethod which is prepared with Spin Coating.” J. Material Sci. Eng .,Vol. 1,No. 4, 2012.
Gambar 3 . Foto Tampang Lintang Lapisan Tipis BZT Variasi Holding time (a) 1 jam (b) 2 jam (c) 3 jam (d) 4 jam (a) (b) (c) (d)