## Variasi bentuk elektroda terhadap distribusi plasma yang dihasilkan
Mira Setiana*, Bangkit Ina Ferawati Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas PGRI Yogyakarta Jl. IKIP PGRI I No. 117, Kab. Bantul-D.I Yogyakarta *e-mail: mirasetiana@upy.ac.id
Abstrak  - Elektroda  memainkan  peran  penting  dalam  membangkitkan  dan  mempertahankan  plasma,  serta mengendalikan sifat plasma dan meningkatkan kualitas lapisan tipis yang dideposisikan. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh bentuk elektroda bagian atas terhadap distribusi plasma yang dihasilkan. Elektroda yang  digunakan  pada  penelitian  ini  terdiri  dari  dua  buah  elektroda(elektroda  atas  dan  bawah)  yang  dirangkai dengan konfigurasi Capacitive Coupled Discharges(CCD). Tebal elektroda atas adalah 1 cm. Bentuk Elektroda atas  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah  balok  dan  silinder.  Distribusi  plasma  yang  dihasilkan  diamati menggunakan  teknik  pengambilan  gambar  biasa.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  bentuk  elektroda mempengaruhi  distribusi  plasma  yang  dihasilkan.  Elektroda  atas  berbentuk  balok  menghasilkan  plasma  yang cenderung homogen dibandingkan dengan plasma yang dihasilkan oleh elektroda atas berbentuk silinder.
Kata Kunci: Plasma, bentuk elektroda
Abstract  – The  electrodes  play  an  important  role  in  generating  and  maintaining  the  plasma,  as  well  as controlling  the  properties  of  the  plasma  and  improving  the  quality  of  the  deposited  films.  This  study  aims  to analyze  the  effect of the  shape of the top electrode on the distribution of  the  resulting plasma.  The electrodes used  in  this  study  consist  of  two  electrodes  (upper  and  lower  electrodes)  arranged  in  a  Capacitive  Coupled configuration Discharges. The thickness of the top electrode is 1 cm. The shape of the top electrode used in this study  is  a  beam  and  a  cylinder.  The  resulting  plasma  distribution  was  observed  using  conventional  imaging techniques. The results showed that the shape of the electrodes affected the distribution of the resulting plasma. The top electrode in the form of a beam produces plasma that tends to be homogeneous compared to the plasma produced by the top electrode in the form of a cylinder.
Key words: : Plasma, electrode shape

## PENDAHULUAN
Plasma  Chemical  Vapor  Deposition  (CVD) memainkan  peran  penting  dalam  rekayasa material  karena  memungkinkan  untuk  produksi lapisan tipis dengan komposisi, tekstur, dan sifat yang  dapat  dikontrol  dengan  baik[1–4].  Salah satu  bagian  dari  sistem  Plasma  CVD  yang memegang  peran  penting  untuk  mengontrol stabilitas plasma adalah bagian elektroda sistem. Elektroda digunakan untuk membangkitkan dan mempertahankan  plasma[5–8]  yang  diperlukan untuk  mengubah  bahan  kimia  menjadi  lapisan tipis  yang  terdeposisi  di  atas  permukaan substrat.  Elektroda  juga  dapat  digunakan  untuk mengatur  tegangan  dan  arus  plasma  untuk memastikan  reaksi  kimia  yang  diinginkan. Dalam sistem Plasma CVD, elektroda berfungsi sebagai  sumber  energi  dan  kontrol  untuk memastikan kondisi optimal untuk pembentukan lapisan  tipis.  Elektroda  dalam  sistem  plasma mengontrol  stabilitas  plasma  dengan  modulasi aliran  elektron  dan  mempertahankan  potensial
listrik  yang  stabil  di  antara  elektroda  dan permukaan yang sedang diproses. Ini membantu menjaga  konsentrasi  ion  dan  elektron  dalam sistem  dan  memastikan  bahwa  reaksi  plasma berlangsung secara konsisten dan efisien.
Kestabilan  plasma  sangat  berpengaruh  pada kualitas  lapisan  tipis  yang  terdeposisi  di  atas substrat[1].  Plasma  yang  stabil  memastikan bahwa  proses  deposisi  berlangsung  dengan konsisten  dan  memungkinkan  produksi  lapisan tipis  yang  berkualitas  tinggi.  Reaksi  plasma yang  tidak  stabil  atau  tidak  terkontrol  dapat menyebabkan  kerusakan  atau  variasi  dalam komposisi  dan  struktur  lapisan  tipis,  yang berdampak negatif pada kualitas dan performansinya. Sebagai permisalan, jika terjadi fluktuasi  tegangan  atau  konsentrasi  plasma  , maka dapat terjadi variasi dalam jumlah ion dan elektroda  yang  terlibat  dalam  proses  deposisi. Hal  ini  dapat  menyebabkan  kerusakan  atau perubahan dalam komposisi dan struktur lapisan tipis yang terdeposisi, seperti adanya defect atau
variasi  dalam  ketebalan  dan  komposisi.  Oleh karena  itu,  menjaga  stabilitas  plasma  dan mengontrol parameter-parameter
yang mempengaruhinya sangat penting untuk memastikan  produksi  lapisan  tipis  yang berkualitas tinggi. Geometri permukaan elektroda mempengaruhi intensitas plasma
yang dihasilkan[9].  Hal  ini  karena  geometri permukaan  elektroda  mempengaruhi  distribusi medan  listrik[8,10–13]  dan  aliran  gas  yang membentuk  plasma.  Perubahan  geometri  dapat mengubah  intensitas  medan  listrik  dan distribusinya,  sehingga  mempengaruhi  jumlah partikel  plasma  yang  terbentuk  dan  proses interaksinya.  Menemukan  geometri  yang  tepat adalah  penting  untuk  mencapai  plasma  yang stabil dan efisien[14].
Bentuk  elektroda  atas  dan  bawah  memiliki pengaruh  yang  signifikan  terhadap  intensitas plasma  dalam  suatu  sistem  plasma.  Bentuk elektroda  yang  tepat  dapat  meningkatkan efisiensi  dan  stabilitas  plasma[15–17],  serta mempengaruhi  distribusi  tegangan  dan  arus dalam  ruang  plasma.  Jika  geometri  permukaan
elektroda tidak sama pada  sistem plasma CVD, hal  ini  dapat  mempengaruhi  kinerja  sistem  dan memperparah  masalah  seperti  distribusi  medan listrik  yang  tidak  merata  dan  aliran  gas  yang tidak  terkoordinasi.  Ini  dapat  menyebabkan pembentukan  plasma  yang  tidak  stabil  dan mengurangi efisiensi proses.

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  diawali  dengan  membuat  desain sistem  reaktor  plasmas  CVD  menggunakan software  Solidworks  2013.  Desain  sistem  ini terdiri dari desain tutup reaktor[18], desain jalur perpipaan  gas  ( Gambar  1 ),  desain  penyangga elektroda[18], dan desain elektroda (Gambar 3). Gas yang digunakan adalah Gas Argon ( carrier gas ), Blue  Gaz (sumber  karbon),  dan    Gas Nitrogen ( flashing ). Chamber reaktor dibuat dari desikator  vakum  ( Gambar  2 ).  Penyangga elektroda  yang  digunakan  berbahan  keramik dengan lubang pengait berbentuk persegi (1 cm x 1 cm) dengan kedalaman 1 cm.
Gambar 1 . Desain Jalur Perpipaan Sistem Plasma CVD
Gambar 2 . Chamber Reaktor Sistem Plasma CVD
Tutup  reaktor  dan  elektroda  dibuat  dari bahan stainless steel tipe SS 304. Elektroda yang digunakan divariasikan bentuk dan ukuran, yaitu balok  (  p:  9,5  cm;  l:  5  cm;  t:  1  cm)  dan silinder(p:  9,5  cm;  d:  1  cm).  Masing-masing elektroda  dipasang  pada  sistem  secara bergantian,  dan  diamati  pengaruhnya  terhadap intensitas plasma yang terbentuk.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Plasma  dihasilkan  dari  disosiasi  dan  ionisasi molekul  maupun  atom  senyawa  gas  yang mendapatkan  energi,  baik  itu  energi  listrik maupun  panas.  Pada  penelitian  ini,  energi  yang dimaksudkan  adalah  energi  listrik.    Karena adanya  energi  tersebut,  molekul  maupun  atom dalam senyawa gas yang awalnya bersifat netral, akan  mengalami    pergerakan  ,  saling bertumbukan  dan  akhirnya  mengalami  disosiasi dan  ionisasi.  Pada  pembahasan  ini,  pengaruh energi listrik diabaikan, karena besar daya yang digunakan  adalah    tetap.    Penelitian  ini  akan lebih  banyak  menyoroti    mengenai  pengaruh medan  listrik  terhadap  intensitas  dan  distribusi plasma yang dihasilkan.
Elektroda  merupakan  bagian  penting  pada sistem  Plasma  CVD.  Pada  penelitian  ini, konfigurasi  elektroda  yang  digunakan  adalah
Capacitively Coupled
Discharges (CCD). Sebagaimana istilahnya tersebut, elektroda pada sistem  ini  terdiri  dari  dua  buah  elektroda (elektroda  atas  dan  elektroda  bawah),  yang disusun  seperti  kapasitor.  Pada  penelitian  ini bentuk elektroda bagian atas divariasikan,  yaitu berbentuk balok dan silinder ( Gambar 3 ).
(a) (b) Gambar 3 . Bentuk elektroda bagian atas: (a) balok, (b) silinder.
Kedua  bentuk  elektroda  tersebut  ( Gambar
3 )  memiliki  geometeri  permukaan  yang berbeda.  Hal  ini  tentunya  akan  mempengaruhi
distribusi  medan  listrik  dan  intensitas  plasma yang dihasilkan (Gambar 3).
(a) (b)
Gambar 4 . Intensitas plasma pada elektroda: a. Balok, b. Silinder
Pada  Gambar  4.a  dan  4.b  terlihat  bahwa plasma  yang  dihasilkan  adalah  plasma glow discharge . Plasma yang terbentuk dari elektroda atas  balok  (Gambar  4.a)  cenderung  homogen dan  stabil.  Sedangkan  plasma  yang  terbentuk dari  elektroda  atas  silinder(Gambar  4.b) cenderung  tidak  homogen,  dengan  intensitas tertinggi  terdapat  pada  ujung  elektroda.  Hal  ini dapat  terjadi  karena  geometri  elektroda  dapat mempengaruhi  distribusi  medan  listrik  yang dihasilkan.  Peran  medan  listrik  dalam  konteks plasma adalah memberikan gaya, mengarahkan, dan  membantu  mempercepat  gerak  partikel bermuatan.    Hubungan  antara  gaya,  medan listrik, dan kecepatan gerak partikel bermuatan, dinyatakan  dalam  persamaan  Hukum  Lorentz berikut:
𝐹⃗ = 𝑞 𝐸⃗ + 𝑣⃗ × 𝐵⃗ , (1)
dengan 𝐹⃗ merupakan gaya  yang diberikan pada partikel  (N), 𝑞 merupakan  muatan  partikel  (C), 𝐸⃗ merupakan  medan  listrik  yang  diberikan (Volt/m), 𝑣⃗ merupakan  kecepatan  partikel,  dan
𝐵⃗ merupakan medan magnet (T).
Elektroda  dengan  kurvatur  yang  lebih besar(silinder), cenderung menghasilkan distribusi  medan  listrik  yang  tidak  merata dibandingkan  dengan  elektroda  yang  memiliki kurvatur  nol(balok).  Hal  ini  dikarenakan, kurvatur  mempengaruhi  garis-garis  medan listrik  yang  terbentuk  di  sekitarnya.  Elektroda dengan  kurvatur  lebih  besar  seperti  silinder, memiliki  perubahan  radius  kelengkungan(jari- jari)  yang  signifikan  pada  permukaannya. Perubahan radius kelengkungan ini menyebabkan  garis-garis  medan  listrik  yang melintasi  permukaan  elektroda  berubah  secara signifikan. Akibatnya, distribusi medan listrik di sekitar  elektroda  menjadi  tidak  merata.  Pada penelitian  ini,  ujung  elektroda  sillinder  yang digunakan  memiliki  jari-jari  yang  lebih  kecil. Semakin  kecil  jari-jarinya,  maka  permukaan elektroda  akan  semakin  melengkung,  dan kurvaturnya  akan  semakin  besar.  Selain  itu, lubang  untuk  mengaitkan  elektroda  silinder memiliki  bentuk  yang  berbeda  (persegi), sehingga  masih  ada  ruang  bagi  plasma  untuk menjangkau  ujung  elektroda.  Dikarenakan  jari- jari  ujung  elektroda  silinder  lebih  kecil dibandingkan  jari-jari  elektroda  silinder,  maka medan listrik paling kuat dihasilkan pada bagian ujung  elektroda,  sedangkan  di  bagian  tengah elektroda  medan  listriknya  cenderung  lebih lemah.  Akibatnya  arus  listrik  dan  plasma  yang
terbentuk lebih terkonsentrasi pada bagian ujung elektroda, dan intensitas plasma yang dihasilkan menjadi  lebih  tinggi  di  bagian  ujung  elektroda. Sehingga pada elektroda silinder, plasma dengan intensitas  tinggi  dihasilkan  pada  ujung-ujung elektroda.
Elektroda berbentuk balok memiliki geometri permukaan  yang  datar(kurvatur  nol).  Pada kondisi ini,  muatan  akan  terdistribusi  merata  di permukaan  elektroda,  sehingga  medan  listrik yang  dihasilkan  cenderung  lebih  homogen.  Hal ini  memungkinkan  pembentukan  plasma  yang lebih homogen pada permukaan elektroda balok.

## KESIMPULAN
Variasi  bentuk  elektroda  berhasil  dibuktikan dapat  mempengaruhi  distribusi  plasma  yang dihasilkan.  Bentuk  elektroda  mempengaruhi distribusi  medan  listrik  yang  dihasilkan. Distribusi  medan  listrik  ini  nantinya  akan mempengaruhi  dissosiasi  dan  ionisasi  partikel- partikel  dalam  plasma  sehingga  menghasilkan intensitas  dan  distribusi  plasma  yang  berbeda. Elektroda berbentuk balok menghasilkan plasma glow  discharge  yang  cenderung  stabil  dan homogen,  sementara  elektroda  berbentuk silinder  menghasilkan  plasma  yang  cenderung berpusat di ujung elektroda (tidak homogen).

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terimakasih  penulis  haturkan  untuk semua  anggota  Laboratorium  Research  Center for Advanced System and Material Technology, Universitas  Brawijaya  dan  Tim  yang  telah membantu mengimplementasikan penelitian.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  B. Bita, S. Vizireanu, D. Stoica, V. Ion, S. Yehia, A. Radu, S. Iftimie, G. Dinescu, "On the Structural, Morphological, and Electrical  Properties  of  Carbon  Nanowalls Obtained  by  Plasma-Enhanced  Chemical Vapor  Deposition",  J.  Nanomater.  vol. 2020, pp 12–17, 2020.
https://doi.org/10.1155/2020/8814459.
[2]  S.S. Choi, D.W. Kim, J.W. Joe, J.H. Moon, K.C.  Park,  J.  Jang,  "Deposition  of diamondlike  carbon  films  by  plasma enhanced  chemical  vapour  deposition", Mater.  Sci.  Eng.  B ,  vol.  46,  pp  133–136,
(1997)
https://doi.org/10.1016/S0921- 5107(96)01948-4.
[3]  J.  Miller,  A.  Ceballos,  L.B.  Bayu  Aji,  A. Moore, C. Wasz, S.O. Kucheyev, S. Elhadj, S.  Falabella,  "Hollow-cathode  chemical vapor  deposition  of  thick,  low-stress diamond-like  carbon  films", Thin  Solid Films , vol. 714, 2020. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.138394.
[4]  Y. Seekaew, N. Tammanoon, A. Tuantranont,  T.  Lomas,  A.  Wisitsoraat,  C. Wongchoosuk,  "Conversion  of  Carbon Dioxide  into  Chemical  Vapor  Deposited Graphene  with  Controllable  Number  of Layers  via  Hydrogen  Plasma  Pre- Treatment", Membranes  (Basel) ,  vol.  12  , 2022. https://doi.org/10.3390/membranes1208079 6.
[5]  G.  Saito,  Y.  Nakasugi,  T.  Akiyama, "Generation of solution plasma over a large electrode surface area", J. Appl. Phys. , vol. 118, 2015 023303. https://doi.org/10.1063/1.4926493.
[6]  M.I.  Boulos,  P.L.  Fauchais,  E.  Pfender, Handbook  of  Thermal  Plasmas,  Springer International  Publishing,  Cham,  2016. https://doi.org/10.1007/978-3-319-12183-3.
[7]  T. Oh, C. Cho, W. Ahn, J. Yook, J. Lee, S. You, J. Yim, J. Ha, G. Bae, H. You, Y. Lee, "Plasma Generator with Dielectric Rim and FSS  Electrode  for  Enhanced  RCS Reduction Effect Taejoo", Sensors, vol. 21, no. 24, pp. 8486, 2021. https://doi.org/https://doi.org/10.3390/s212 48486.
[8]  N.  De  Geyter,  R.  Morent,  S.  Van Vlierberghe,  M.  Frère-Trentesaux,  P. Dubruel,  E.  Payen,  "Effect  of  electrode geometry  on  the  uniformity  of  plasma- polymerized methyl methacrylate coatings", Prog.  Org.  Coatings. ,  vol.  70, no. 4  pp. 293–299, 2011. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2010.11. 009.
[9]  E.  V.  Barnat,  G.R.  Laity,  S.D.  Baalrud, "Response  of  the  plasma  to  the  size  of  an anode  electrode  biased  near  the  plasma potential", Phys. Plasmas ., vol. 21, no. 10, 103512, 2014. https://doi.org/10.1063/1.4897927.
[10] R.  Tyata,  D.  Subedi,  "An  Investigation  of the  Effect  of  Electrode  Geometry  and Frequency  of  Power  Supply  in  the Homogeneity of Dielectric Barrier
Discharge in Air", Kathmandu Univ. J. Sci. Eng.  Technol., vol.  6,  pp.  96–101,  1970. https://doi.org/10.3126/kuset.v6i1.3316.
[11] K.  Takaki,  M.  Shimizu,  S.  Mukaigawa,  T. Fujiwara,  "Effect  of  electrode  shape  in dielectric  barrier  discharge  plasma  reactor for  NOx  removal", IEEE  Trans.  Plasma Sci. , vol. 32, pp. 32–38, 2004. https://doi.org/10.1109/TPS.2004.823973.
[12] J.  Jain,  J.  Moreno,  B.  Bora,  L.  Soto, "Influence of  electrode  geometry  on  X-ray emission,  plasma  inductance,  voltage,  and current  derivative  signals  obtained  from  a plasma  focus  device", Results  Phys. ,  vol. 23, p. 104016, 2021. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104016.
[13] N. A. K. Umiati,  and M Facta,  "Electric field  contours  in  non-uniform  electrode shape," BERKALA  FISIKA ,  vol.  23,  no.  4, pp. 126-130, 2020.
[14] M.  Shuto,  F.  Tomino,  H.  Ohmi,  H. Kakiuchi, K. Yasutake, "Voltage distribution  over  capacitively  coupled plasma  electrode  for  atmospheric-pressure plasma  generation", Nanoscale  Research Letters ,  vol. 8, 202, 2013. https://doi.org/10.1186/1556-276X-8-202
[15] W.Z.  Ahmad  Farhadi,  Y.  Zhu,  L  Gu, "Influence  of  electrode  shape  and  size  on electrical  arc  channel  and  creator", Procedia  CIRP., vol.  68,  pp.  215–220, 2018. https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.12.051
.
[16] L.  Sansonnens,  J.  Schmitt,  "Shaped electrode  and  lens  for  a  uniform  radio- frequency  capacitive  plasma", Appl.  Phys. Lett. ,  vol.  82,  pp.  182–184,  2003. https://doi.org/10.1063/1.1534918.
[17] A.Y.  Wardaya,  Z.  Muhlisin,  J.E.  Suseno, M.  Nur,  P.  Triadyaksa,  A.  Khumaeni,  S. Hadi,  E.A.  Sarwoko,  J.  Windarta,  "The Current-Voltage
Characteristics
for Electrode Geometry Model of Positive DC Corona  Discharge  in  Air", Gazi  Univ.  J. Sci. ,  vol.  35,  pp.  1140–1150,  2022. https://doi.org/10.35378/gujs.885345.
[18] M.  Setiana,  D.H.  Santjojo,  "Perancangan reaktor plasma CVD untuk deposisi lapisan karbon", Jurnal Teras Fisika ,  vol. 5, no. 1 hlm. 267, 2022. https://doi.org/10.20884/1.jtf.2022.5.1.5502 .