Model Dinamis Non Ideal Ferroelectric Capacitor pada Sifat Ferroelektrik Material Zinc Oxide (ZNO) dengan Doping Li 1%

## Septian Rahmat Adnan
Fakultas Teknik, Universitas Esa Unggul, Jakarta, Indonesia, 11510

## ABSTRAK
Sifat ferroelektrik telah sejak lama mendapat perhatian para peneliti karena dapat diaplikasikan pada berbagai bidang teknologi salah satunya adalah pada divais elektronik. Pada perkembangan penelitian ditemukan bahwa adanya fenomena ferroelektrik dari material berbasiskan material Zinc Oxide (ZnO) dengan diberkan doping ataupun bentuk komposit dengan material tambahan seperti BaTiO3. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memodelkan  karaktetistik  ferroelektrik  material  Zinc  Oxide  (ZnO)  dengan  doping  Li  1%  yaitu  polarisasi spontan ( Ps ), polarisasi saturasi ( Psat ) dan medan koersif ( Ec )  menggunakan model non ideal ferroelectric capacitor yang dijalankan pada program Delphi 7 yang berbasis pascal dan dilajutkan  perhitungan R-Weighted pattern (Rwp) untuk mengetahui tingkat perbedaan antara antara hasil pemodelan dan eksperimen. Dari hasil pemodelan  didapatkan  nilai  polarisasi  saturasi  dan  polarisasi  remanen  menggunakan  model non  ideal ferroelectric capasitor mendekati  nilai  eksperimen  yaitu  5  μC/cm 2 dan  3,9  μC/cm 2 dengan  nilai  R- Weigted Pattern 18%.   Dari hasil tersebut didapatkan bahwa  model non ideal ferroelectric capacitor dapat memprediksi sifat karakteristik ferroelectric dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% dengan cukup baik.
Kata kunci : ferroelectric; non-ideal ferroelectric capacitor; Zinc Oxide

## ABSTRACT
The phenomenon of ferroelectric has received the attention of researchers because it can be applied to various  fields  of  technology,  one  of  which  is  in  electronic  devices.  It  was  found  that  there  was  a ferroelectric phenomenon from materials based on Zinc Oxide (ZnO) with doping or in composite forms with  additional  materials  such  as  BaTiO3.  The  current  study  was  aimed  model  the  ferroelectric characteristics of Zinc Oxide (ZnO) material with 1% Li doping, namely spontaneous polarization (Ps), saturation  polarization  (Psat)  and  coercive  field  (Ec)  by  using  a  non-ideal  ferroelectric  capacitor model. The study was run on the Delphi program. 7 based on Pascal and continued calculating the R- Weighted Pattern (Rwp) to determine the level of difference between the modeling and experimental results.  The  modelling  result  showed  that  the  values  for  saturation  polarization  and  remanent polarization using the non ideal ferroelectric capacitor model were close to the experimental values, namely  5  C/cm 2 and  3.9  C/cm 2 respectively,  with an R-Weigted  Pattern  value  of  18%.  These  results suggest  the non-ideal ferroelectric capacitor model can predict the ferroelectric characteristics of Zinc Oxide (ZnO) material with 1% Li doping quite well.
Keywords : ferroelectric; non-ideal ferroelectric capacitor; Zinc Oxide
* Penulis korespondensi Email: septian.rahmat@esaunggul.ac. id
Diterima 21 Mei 2022; Disetujui 25 Mei 2022 AME (Aplikasi Mekanika dan Energi): Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 2022
Volume 8 Nomor 2 September 2022 pp 86-90 Website: http://ejournal.uika-bogor.ac.id/index.php/ame/index

## PENDAHULUAN
Sifat ferroelektrik
telah diteliti dan dikembangkan  oleh  banyak  peneliti  karena  sifatnya yang  dapat  diterapkan  pada  berbagai  jenis  aplikasi terutama  pada  industry  elektronik  (Hendri  et  al., 2022). Salah satu kandidat material ferroelektrik yang mendapat  banyak  perhatian  para  peneliti  adalah material Zinc Oxide (ZnO) karena stuktur kristal dari Zinc Oxide pada beberapa fasa terutama pada struktur nano memiliki banyak potensi aplikasi terutama pada aplikasi sensor (Li et al., 2019b). Beberapa aplikasi pada  bidang  teknologi  elektronika  dari  material material  Zinc  Oxide  adalah  sebagai  nano  sensor, memory  dan  generator.  (Adnan,  2018)Dari  hasil perkembangan penelitian, ditemukan sifat ferroelektrik  pada  beberapa  material  berbasiskan material  Zinc  Oxide  (ZnO)  salah  satunya  adalah material  komposit  BLLT/ZnO,  BaTiO3/ZnO  dan carbon  doped  ZnO.  Serta  ZnO  yang  di  doping Vanadium (Li et al., 2019b) (Ma et al., 2022) (Seol et al., 2021) (Wang et al., 2022) (Hendri et al., 2022). Sehingga material Zinc Oxide (ZnO)  menjadi salah satu material yang  memiliki  sifat ferroelektrik yang menjadi kandidat untuk diaplikasikan pada berbagai alat  elektronik  (Maiz  et  al.,  2019).  Beberapa penelitian tentang sifat ferroelektrik dari material Zinc Oxide (ZnO) yang telah dilakukan oleh para peneliti (Maiz et al.,2019) (Ma et al., 2022) (Seol et al., 2021) (Wang et al., 2022) (Hendri et al., 2022).
Pada penelitian ini, Sifat karakteristik ferroelektrik  pada  sifat  polarisasi  saturasi,  polarisai spontan, polarisasi remanen dan medan koersif  dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan didoping 1% Li di modelkan menggunakan model non ideal ferroelectric capacitor yang dijalankan pada program berbasis  pascal  pada  Delphi  7  (Miller  et  al.,  1990). Selanjutnya,  beberapa  besaran  masukan  digunakan untuk  melakukan  pemodelan  yaitu    polarisasi remanen  ( Pr ),  polarisasi  saturasi  ( Ps )  dan  medan koersif ( E c ) dari nilai eksperimen serta faktor skala.
Untuk  mengetahui  tingkat  perbedaan    hasil pemodelan  dan  eksperimen  dilakukan  perhitungan statistic  berupa  R-Weigted  Pattern  ( Rwp )  (Miller  et al., 1990) (Adnan, 2018) (Wang et al., 2007) (Adnan, 2022)

## METODE PENELITIAN
Sifat  karakteristik  ferroelektrik  dari  suatu material  ferrolektrik  yang  terjadi  pada  domain- domain  penyusun  dapat  di  jelaskan  sebagai polarisasi  positif  yang  disebabkan  oleh  medan listrik  positif  dan  polarisasi  negatif  yang
disebabkan  oleh  medan  listrik  negatif,  seperti ditunjukan pada persamaan 1: (Miller et al., 1990)
𝑃 𝑑 − (𝐸) = −𝑃 𝑑 + (−𝐸) (1)
Hubungan  antara  polarisasi  pada  domain  dan medan listrik yang mempengaruhi domain dapat dijelaskan  dengan  suatu  hubungan  matematis dalam bentuk fungsi hiperbolik seperti ditunjukan pada persamaan 2(Miller et al., 1990) :
𝑃 𝑑 + (𝐸) = 𝑃 𝑠 𝑡𝑎𝑛ℎ [ 𝐸−𝐸 𝑐 2𝛿 ] (2)
Dengan E adalah  medan  listrik  luar, Ec adalah medan koersif dan δ adalah konstanta hubungan antara  medan  listrik  spontan  dan  polarisasi remanen. Selanjutnya konstanta δ dapat dihitungan menggunakan persamaan 3 (Miller et al., 1990) :
𝛿 = 𝐸 𝑐 [𝑙𝑛 ( 1+𝑃 𝑅 /𝑃 𝑆 1−𝑃 𝑅 /𝑃 𝑆 )] (3)
Polarisasi  yang  terjadi  saat  medan  listrik  luar yang diberikan bernilai nol didefinisikan sebagai polarisasi  remanen  seperti  ditunjukan  pada persamaan 4 (Miller et al., 1990) :
𝑃 𝑑 + (0) = −𝑃 𝑅 (4)
Hubungan antara polarisasi remanen dan medan koersif ditunjukan pada persamaan 5 :
−𝑃 𝑅 = 𝑃 𝑆 𝑡𝑎𝑛ℎ [ −𝐸 𝐶 2𝛿 ] (5)
Selanjutnya,  persamaan  5  dapat  dituliskan menjadi persamaan 6 :
𝐸 𝐶 2𝛿 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛ℎ ( 𝑃 𝑅 𝑃 𝑆 ) (6)
Dengan menggunakan persamaan 3 dan persamaan  6,  selanjutnya  dapat  dituliskan menjadi persamaan 7 sebagai berikut :
𝐸 𝐶 2𝛿 = 1 2 [𝑙𝑛 ( 1+ 𝑃𝑅 𝑃𝑆 1− 𝑃𝑅 𝑃𝑆 )] (7)
Untuk mengetahui selisih dan tingkat kecocokan antara  hasil  pemodelan  dan  data  eksperimen dilakukan perhitungan dengan pendekatan statistic  berupa  R-Weighted  Pattern  (Rwp) dengan  persamaan  seperti  ditunjukan  pada persamaan 8 : (Hikam et al., 2014)(Adnan, 2018)
𝑅 𝑤𝑝 = [ ∑ (𝑃 𝑖(exp) −𝑃 𝑖(𝑚𝑜𝑑) ) 2 𝑛 𝑖=1 ∑ 𝑃 𝑖(exp) 2 𝑛 𝑖=1 ] 𝑥100% (8)
Dengan beberapa variabel yang digunakan yaitu P exp merupakan  data  polarisasi  eksperimen  dan P mod merupakan  data  polarisasi  yang  didapatkan dari  hasil  pemodelan.  Pada  perhitungan R wp ( R- weighted pattern ), digunakan pendekatan dengan polarisasi  yang  didapatkan  dari  eksperimen  dan hasil pemodelan merupakan kurva simetris pada sisi  atas  dan  bawah  sehingga  hanya  digunakan data kurva bagian bawah untuk menghitung nilai R wp ( R- weighted pattern ) dari kedua kurva.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pemodelan sifat karakteristik material Zinc  Oxide  (ZnO)  dengan  doping  Li  1% menggunakan  model  non  ideal ferroelectric capacitor yang  dijalankan  pada  Delphi  7 ditunjukan pada Gambar 1 dan Gambar 2.
Gambar  1.  Pemodelan  sifat  karakteristik ferroelektrik material ZnO dengan doping Li 1% pada Delphi 7
Data  variabel  yang  digunakan  sebagai  data masukan  pada  pemodelan  ini  adalah  nilai polariasi  remanen  ( Pr ),  polarisasi  spontan  ( Ps ), nilai  medan listrik  koersif ( Ec ) dan  nilai  Medan listrik  input  ( E )  eksperimen  dan  menggunakan nilai  faktor  skala  2.  Dari  hasil  pemodelan
didapatkan nilai polarisasi saturasi ( Ps ) 5 μC/cm 2 , Polarisasi  remanen  ( Pr )  3,9  μC/cm 2 dan  nilai medan listrik koersif ( Ec ) 74,5 kV/cm.
Gambar  2.  Kurva  sifat  karateristik  ferroelektrik material  Zinc  Oxide  (ZnO)  dengan  doping  Li  1% Menggunakan  Model Non  Ideal  Ferroelectric Capacitor
Dari  hasil  pemodelan  dapat  diamati  bahwa terjadi  pergeseran  medan  koersif  dari  material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% sehingga terjadi  perbedaan  nilai  antara  medan  koersif postif  dan  medan  koersif  negatif.  Serta  dapat diamati  juga  bahwa  didaptkan  medan  koersif negatif  bernilai  hampir  mendekati  nol.  Hal  ini dapat  dijelaskan  bahwa  pendekatan  pada  model non ideal ferroelectric capacitor sangat bergantung pada faktor pengurang medan koersif dari  data  masukan.    Hal  serupa  juga  pada  nilai polarisasi remanen ( Pr ) dari hasil pemodelan sifat ferroelektrik  menggunakan  model  non  ideal ferroelectric capacitor .  Pada  Gambar  2  terlihat bahwa  pergeseran  kurva  juga  berdampak  pada perbedaan  nilai  polarisasi  remanen  ( Pr )  positif dan  nilai  polarisasi  remanen  ( Pr )  negatif.  Serta didapatkan polarisasi remanen bernilai mendekati nol  dan  menyebabkan  nilai  polarisasi  remanen negatif menjadi lebih bsar. Hal ini dapat jelaskan karena besar medan listrik yang diterapkan pada saat dipol-dipol terpolarisasi pada satu arah lebih besar  dibandingkan  pada  saat  dipol-dipol penyusun  material  mengalami  polarisasi  balik (Adnan,  2018).  Tetapi,  perbedaan  nilai  tidak terjadi  pada  polarisasi  spontan  dan  polarisasi saturasi.
Gambar 3. Kurva sifat karakteristik ferroelektrik eksperimen  (kotak)  dan  pemodelan  (segitiga)  dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1%
Hasil  pemodelan  dan  eksperimen  sifat ferroelektrik  dari  material  Zinc  Oxide  (ZnO) dengan doping Li 1% ditunjukan pada Gambar 3. Dari  sifat  ferroelektrik  terlihat  bahwa  material Zinc  Oxide  (ZnO)  dengan  doping  Li  1%  cukup mudah  terpolarisasi.  Hal  ini  ditandai  dengan diberikannya  medan  listrik  luar  dengan  nilai rendah  sudah  cukup  dapat  menyebabkan polarisasi  yang  cukup  besar  pada  dipol-dipol penyusun dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1%. Serta dapat dijelaskan juga bahwa doping  li  1%  pada  struktur  kristal  Zinc  Oxide (ZnO) menyebabkan beberapa atom Li menggantikan  antom  Zn  pada  struktur  kristal ZnO yang berdampak pada dipol-dipol penyusun material  ZnO  lebih  mudah  untuk  terpolarisasi hingga  mencapat  polarisasi  saturasi  (Seol  et  al., 2021) (Wang et al., 2022).
Dari  hasil  simulasi  dan  ekperimen  dapat dilihat  bahwa  terjadi  perbedaan  pada  beberapa nilai karakteristik sifat ferroelektrik dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% seperti medan  koersif  ( E c ),  polarisasi  saturasi  ( Ps )  dan polarisasi  spontan  serta  polarisasi  remanen  ( Pr ) seperti  ditunjukan  pada  Tabel  1.  Pada  Tabel  1 dapat dilihat bahwa nilai polarisasi saturasi antar hasil  pemodelan  mendekati  nilai  eksperimen dengan selisih yang sangat kecil. Hal serupa juga terlihat  pada  nilai  polarisasi  remanen  hasil pemodelan  dengan  nilai  eksperimen.  Hal  ini dapat  dijelaskan  bahwa  faktor  skala  pada pemodelan  menpengaruhi  nilai  karakteristik polarisasi  saturasi  dan  polarisasi  remanen  yang menyebabkan polarisasi yang terjadi pada dipol- dipol  penyusun  material  Zinc  Oxide  (ZnO) dengan doping Li 1% terpolarisasi menjadi lebih besar.  Serta  faktor  skala  menyebabkan  nilai medan  koersif  yang  diterapkan  pada  material
menjadi lebih besar sesuai nilai faktor skala yang diberikan (Adnan, 2018).
Tabel 1. Hasil Pemodelan dan Eksperimen
Polarisasi Remanem ( P r ) (μC/cm 2 ) Polarisasi Saturasi ( P s ) (μC/cm 2 ) Medan Koersif ( E c ) kV/cm R wp (%) Model 3,9 5 74,5 18 Eksperimen 4,8 6 27,3 -
Dari  Tabel  1.  dapat  dilihat  bahwa  ada  nya perbedaan  yang  cukup  besar  pada  nilai karakteristrik medan koersif hasil pemodelan dan eksperimen.  Hal  ini  dapat  dijelaskan  bahwa medan  listrik  yang  diterapkan  pada  pemodelan terdapat  faktor  pengurang  yang  menyebabkan nilai medan listrik yang diterapkan pada material menurun.  Dari  data  pemodelan  dan  eksperimen dapat  dinyatakan  bahwa  model  non  ideal ferroelectric capacitor dapat dengan cukup baik untuk memodelkan sifat karakteristik ferroelektrik  dari  material  Zinc  Oxide  (ZnO) dengan doping Li 1%. Hal ini dinyatakan dengan nilai  R-weighted  pattern  ( Rwp )  antara  hasil pemodelan  dan  eksperimen  adalah  18  %  yang dapat dinyatakan cukup rendah.  Pada penelitian lanjutan  akan  dikembangkan  model  non  ideal ferroelectric capacitor dengan  menggunakan variable struktur kristal dari material.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Dari  pemodelan  sifat  ferroelektrik  Zinc Oxide  (ZnO)  dengan  doping  1%  Li  dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Hasil pemodelan nilai polarisasi saturasi dan  polarisasi  remanen  menggunakan model  non  ideal ferroelectric capasitor mendekati  nilai  eksperimen  yaitu  5 μC/cm 2 dan  3,9  μC/cm 2 dengan  nilai eksperimen adalah 6 μC/cm 2 4,8 μC/cm 2 dan 27,3 kV/cm.
2. Nilai  R-weighted  pattern  (Rwp)  antara hasil pemodelan dan eksperimen didapatkan 18%.
3. Model non ideal ferroelectric capacitor telah  cukup  baik  untuk  memprediksi sifat  karakteristik  ferroelektrik  yaitu polarisasi saturasi dan polarisasi remanen dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1%

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Kementrian  Pendidikan,  Kebudayaan,  Riset  dan Teknologi  Republik  Indonesia,  sebagian  dana riset ini berasal dari Hibah Penelitian Kerjasama Antar  Perguruan  Tinggi  Tahun  2022  dengan  no kontrak 069/E5/PG.02.00.PT/2022, 455/LL3/AK.04/2022, 002/SP- P.JAMAK/LPPM/VI/2022

## REFERENSI
Adnan,  S.  R.  (2018).  Landau-Khalatnikov modified  model  for  predicting  ZnO ferroelectric  properties. AIP  Conference
Proceedings , 2043 (November). https://doi.org/10.1063/1.5080026.
Adnan,  S.  R.  (2022).  Simulasi  Sifat  Polarisasi Material  Zinc  Oxide  (Zno)  Menggunakan Model  Dipole  Switching. AME  (Aplikasi
Mekanika  Dan  Energi):  Jurnal  Ilmiah Teknik Mesin , 8 (1), 17. https://doi.org/10.32832/ame.v8i1.5835.
Hendri,  Y.  N.,  Kurniawan,  R.,  Takase,  K.,  & Darma, Y. (2022). Origin of ferroelectricity in  carbon-doped  ZnO  nanocolumnars: Experimental and density-functional studies. Ceramics  International , 48 (2), 2038–2044. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.202 1.09.289.
Hikam,  M.,  Adnan,  S.  R.,  Soegijono,  B., Sudarmaji,  A.,  Sanhaji,  G.,  &  Husein,  O. (2014). P  ENYESUAIAN  KURVA  MODEL DINAMIS  LANDAU  -  KHALATNIKOV PADA BZT . 15 (2), 108–111.
Li, L., Zhang, Y., Wang, R., Sun, J., Si, Y., Wang, H.,  Pan,  C.,  &  Dai,  Y.  (2019a). Ferroelectricity-induced performance enhancement of V-doped ZnO/Si photodetector  by  direct  energy  band modulation. Nano  Energy , 65 (August). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.1040 46.
Li, L., Zhang, Y., Wang, R., Sun, J., Si, Y., Wang, H.,  Pan,  C.,  &  Dai,  Y.  (2019b).
Ferroelectricity-induced performance enhancement of V-doped ZnO/Si photodetector  by  direct  energy  band modulation. Nano  Energy , 65 ,  104046. https://doi.org/10.1016/J.NANOEN.2019.1 04046.
Ma, S., Li, W., Hao, J., Ren, S., Wang, M., & Xu,
Z.  (2022).  Microstructure  and  ferroelectric properties of Ta-doped Bi3.25La0.75Ti3O12/ZnO thin film
capacitors. Ceramics  International , 48 (4),
5239–5245.
https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.202 1.11.064.
Maiz, J., Loxq, P., Fau, P., Fajerwerg, K., Kahn, M.  L.,  Fleury,  G.,  Hadziioannou,  G., Guegan,  G.,  Majimel,  J.,  Maglione,  M., Rodriguez,  V.,  &  Pavlopoulou,  E.  (2019). Ferroelectricity in Undoped ZnO Nanorods. Journal  of  Physical  Chemistry  C , 123 (48),
29436–29444.
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b08247.
Miller,  S.  L.,  Nasby,  R.  D.,  Schwank,  J.  R.,
Rodgers,  M.  S.,  &  Dressendorfer,  P.  V. (1990).  Device  modeling  of  ferroelectric capacitors. Journal  of  Applied  Physics , 68 (12), 6463–6471. https://doi.org/10.1063/1.346845.
Seol, W. J., Anoop, G., Park, H., Shin, C. W., Lee, J.  Y.,  Kim,  T.  Y.,  Kim,  W.  S.,  Joh,  H., hikam, S., & Jo, J. Y. (2021). Ferroelectricity  in  solution-processed  V- doped ZnO thin films. Journal of Alloys and
Compounds , 853 , 157369.
https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2020. 157369.
Wang, L., Yu, J., Wang, Y., Peng, G., Liu, F., & Gao,  J.  (2007).  Modeling  ferroelectric capacitors  based  on  the  dipole  switching theory  Modeling  ferroelectric  capacitor switching  with  asymmetric  nonperiodic input signals and arbitrary initial Modeling ferroelectric capacitors based on the dipole switching  theory. Journal  of  Applied Physics Journal of Applied Physics Journal of  Applied  Physics  Journal  of  Applied Physics Journal of Applied Physics Journal of  Applied  Physics  Journal  of  Applied Physics , 101 (10), 104505–2849. https://doi.org/10.1063/1.2729470͔.
Wang, Y., Liu, L., Zhao, W., Ma, R., Pang, J., Hu, D.,  Dou,  Z.,  Song,  M.,  Li,  T.,  &  Miao, K. (2022). Spontaneous polarisation of ferroelectric  BaTiO3/ZnO  heterostructures with enhanced performance in a Fenton-like catalytic  reaction. Ceramics  International , 48 (2),
2726–2735. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.202 1.10.059.