AME(Aplikasi Mekanika dan Energi): Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 (1) , pp 17-21

## SIMULASI SIFAT POLARISASI MATERIAL ZINC OXIDE (ZNO) MENGGUNAKAN MODEL DIPOLE SWITCHING
Septian Rahmat Adnan 1*
1 Fakultas Teknik, Universitas Esa Unggul, Jakarta, Indonesia, 11510

## ABSTRAK
Fenomena  ferroelektrik  telah  mendapat  banyak  perhatian  para  peneliti.  Salah  satu  yang  menarik  banyak perhatian banyak peneliti adalah fenomena ferroelektrik dari material Zinc Oxide (ZnO). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk  mensimulasikan sifat ferroelektrik  material Zinc Oxide (ZnO)  menggunakan  model dipole switching dan mengetahui tingkat kecocokan antara hasil eskperimen dan simulasi. Pada penelitian ini sifat polarisasi dari material Zinc Oxide (ZnO) yang didoping  Ni 3% disimulasikan menggunakan model dipole switching  yang  dijalankan  pada  program  berbasis  bahasa  Pascal  pada  Delphi  7.  Selanjutnya,  hasil  simulasi dibandingkan dengan hasil eksperimen pengukuran polarisasi dari material Zinc Oxide (ZnO) untuk mengetahui tingkat kecocokan antara hasil simulasi dan hasil eksperimen. Dari hasil simulasi didapatkan  nilai Polasisasi Saturasi (Ps) adalah 8 μC/cm2, Polarisasi Remanen (Pr) adalah 4,3 μC/cm2 dan Medan Koersif (Ec) adalah 1,5 kV/cm  .  Hasil  tersebut  menunjukan  bahwa  terjadi  perbedaan  antara  hasil  simulasi  dan  ekperimen  yang disebabkan oleh faktor medan listrik input pada simulasi. Dari hasil tersebut didapatkan bahwa model dipole switching dapat memprediksi sifat polarisasi terutama pada nilai polarisasi remanen dengan cukup baik.

## Kata kunci :  Dipole switching; Polarisasi; Zinc Oxide

## ABSTRACT
Ferroelectric phenomenon has received much attention from researchers. One that has attracted the attention of many researchers is the ferroelectric phenomenon of Zinc Oxide (ZnO) material. The aims of this research are to simulate the ferroelectric properties of Zinc Oxide (ZnO) material using dipole switching model and to determine the agreement between the experimental and simulation results. In this paper, Polarization properties of Zinc Oxide (ZnO) doped with 3% Ni were calculated using  Dipole Switching Model which run on a Pascal language-based program Delphi 7. The calculation results are then compared with the experimental results to determine the degree of agreement between calculation results and experimental results. The calculation result showed that saturation polarization (Ps) value is 8 C/cm2, remanent polarization (Pr) is 4.3 C/cm2 and Coercive field (Ec) is 1.5 kV/cm. These results showed that simulation’s input electric field  factor caused the difference between calculation result and  experimental  results..  The  results  showed  that  the  Dipole  Switching  model  predicted  the polarization properties quite well.
Keywords : Dipole switching, Polarization, Zinc Oxide

## 1. PENDAHULUAN
Fenomena ferroelektrik telah banyak diteliti oleh para peneliti. Salah satu sifat yang menjadi perhatian para  peneliti  adalah  sifat  polarisasi  dari  material ferroelektrik.  Material  Zinc  Oxide  (ZnO)  mendapat banyak perhatian dari para peneliti karena stuktur dari Zinc Oxide pada fasa struktur nano memiliki potensi aplikasi pada berbagai teknologi. (Maiz et al., 2019;

## * Penulis korespondensi
Email: septian.rahmat@esaunggul.ac.id
Diterima 11 November 2021; Penerimaan hasil revisi 03 Februari 2022; Disetujui 09 Februari 2022 Tersedia online Maret 2022
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi): Jurnal Ilmiah Teknik Mesin © 2022
Lee et al., 2012) Beberapa penerapan teknologi dari material Zinc Oxide adalah sebagai nano sensor dan nano  generator.  (Adnan  et  al.,  2018)  Pada perkembangannya, ditemukan sifat ferroelektrik pada material  Zinc  Oxide  (ZnO)  yang  di  doping Vanadium.  Sehingga  material  Zinc  Oxide  (ZnO) merupakan  material  yang  menjadi  kandidat  untuk diaplikasikan pada berbagai divais elektronik seperti memori dan sensor. (Maiz et al., 2019; Hikam et al.,
Volume 8 Nomor 1
Maret 2022 pp 17-21 Website: http://ejournal.uika-bogor.ac.id/index.php/ame/index
2014). Beberapa penelitian tentang sifat ferroelektrik dari material Zinc Oxide (ZnO) yang telah dilakukan oleh para peneliti yaitu oleh Maiz et al. pada Tahun 2019, Li et al. pada Tahun 2019 dan Samanta et al. pada  Tahun  2020.  (Li  et  al.,  2019;  Samanta  et  al., 2020)
Pada penelitian ini, Sifat polarisasi dari material Zinc Oxide (ZnO) yang didoping 3% Ni di modelkan menggunakan  Model  Dipole  Switching  yang dijalankan pada program berbasis pascal pada Delphi 7  (Wang  et  al.,  2007a;  Adnan,  2018).  Selanjutnya, hasil  ekperimen  dan  model    dibandingkan  untuk mengetahui  tingkat  kecocockan  hasil  simulasi  dan eksperimen.  Beberapa  variabel  pada  simulasi dilakukan  pengembangan  seperti  faktor  skala  (Sf), polarisasi  remanen  (Pr),  polarisasi  saturasi  (Ps)  dan medan koersif (Ec).(Adnan & Soegijono, 2020; Yu et al.,  2005;  C.  L.  Wang,  2010;  M.  Hikam  &  Adnan, 2014)

## 2. METODE PENELITIAN
Polarisasi dari suatu kapasitor ferroelektrik dapat ditentukan dari penggabungan antara nilai polarisasi akibat pembalikan dielektrik dan juga dari dielektrik yang  tidak  mengalami  pembalikan  (L. Wang  et  al., 2007a; L. Wang et al., 2007b)
f d P P P   (1)
Dengan Pf merupakan polarisasi yang disebabkan oleh  dielektrik  dan  Pd  merupakan  polarisasi  oleh dielektrik yang tidak mengalami pembalikan. Untuk nilai  Pd  dapat  dihitung  sebagai  fungsi  linier  dari persamaan matematis medan listrik yang diterapkan pada material seperti pada persamaan 2 (L. Wang et al., 2007a; L. Wang et al., 2007b):
d P E   (2)
Pada  persamaan  ini  E  merupakan  medan  listrik input  yang  diberikan  pada  material.  α  merupakan koefisien  yang  didapatkan  pada  eksperimen  yang dihitung  menggunakan  data  eksperimen.  Polarisasi pada  suatu  material  ferroelektrik  yang  disebabkan oleh  pembalikan  polarisasi  di  jelaskan  pada persamaan berikut (L. Wang et al., 2007a; L. Wang et al., 2007b) :
      1 1 1 tan 2 r m m sat D c P P P P E E E      
           (3)
Polarisasi yang disebabkan karena medan listrik positif  dan  negatif  dapat  dituliskan    secara  terpisah sebagai berikut  (L. Wang et al., 2007a; L. Wang et al., 2007b):
      1 1 1 tan 2 U m m sat c P P P P E E E     
                 (4)
      1 1 1 tan 2 D m m sat c
P P P P E E E                       (5)
Dengan  PU  adalah  polariasi  yang  disebabkan oleh  medan  listrik  positif  dan  PD  adalah  polarisasi yang  disebabkan  oleh  medan  listrik  negatif.  Pm merupakan  polarisasi  maksimum  dari  kedua polariasasi.  Ec  adalah  medan  koersif  positif  dan negatif,  Psat  adalah  polarisasi  saturasi,  E  adalah medan koersif, delta (δ) adalah factor polariasi and α adalah  koefisien  pada  eksperimen.  Koefisien  pada koondisi  positif  dan  negative  dapat  dihitung menggunakan persamaan 6 dan 7 sebagai berikut (L. Wang et al., 2007a; L. Wang et al., 2007b):
m sat m P P E        (6)
m sat m P P E        (7)
Faktor polarisasi positif dan negatif dihitung menggunakan persamaan 8 dan 9 (L. Wang et al ., 2007a; L. Wang et al ., 2007b):
2 tan 2 m sat R m sat C P P P P P E                           (8)
2 tan 2 m sat R m sat C P P P P P E                           (9)
Selanjutnya, untuk menghitung tingkat kecocokan  antara  data  eksperimen  dan  hasil simulasi dilakukan perhitungan statisik yaitu R wp ( R-  weighted  pattern )  dengan  pendekatan perbandingan  antara    data  eksperimen  dan  data simulasi  dengan  menggunakan  analisis  pada
metode analisis Rietveld
menggunakan persamaan 10. (Rietveld, 2014; Toby, 2001)
𝑅 𝑤𝑝 = [ ∑ (𝑃 𝑖(𝑒𝑘𝑠) − 𝑃 𝑖(𝑠𝑖𝑚) ) 2 𝑛 𝑖=1 ∑ 𝑃 𝑖(𝑒𝑘𝑠) 2 𝑛 𝑖=1 ] × 100%(10)
Perhitungan  R wp ( R-  weighted  pattern )  yang dilakukan  pada  penelitian  ini  menggunakan asumsi bahwa kurva polarisasi hasil eksperimen dan  kurva  polarisasi  hasil  simulasi  masing- masing adalah simetris sehingga digunakan salah satu sisi dari kurva.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi  sifat  ferroelektrik  material  Zinc Oxide  (ZnO)  dengan  doping  Ni  3%  yang dijalankan  pada  Delphi  7  ditunjukan  pada Gambar 3.1
Gambar  3.1. Simulasi sifat polarisasi yang dijalankan pada Delphi 7
Hasil  simulasi  material  Zinc  Oxide  (ZnO) menggunakan  data  masukan  variabel  bebas menggunakan model dipole switching dintunjukan pada Gambar 3.2. Dari hasil simulasi didapatkan  bahwa  nilai  polarisasi  saturasi  (P s ) dari material Zinc Oxide (ZnO) adalah 7 µC/cm 2 dan  nilai  Polarisasi  remanen  (Pr)  adalah  5 µC/cm 2 .  Serta  juga  didapatkan  medan  koersif (Ec) adalah 1 kV/cm.
Gambar    3.2.  Kurva  Hasil  Simulasi  Sifat
Polarisasi Material Zinc Oxide (ZnO) Menggunakan Model Dipole Switching
Dari  hasil  simulasi  tersebut  didapatkan bahwa  besar  medan  koersif  dari  material  Zinc Oxide  (ZnO)  cukup  rendah.  Hal  ini  disebabkan karena  besar  medan  koersif  pada  model  ini bergantung pada besar medan Koersif input dan terdapat  faktor  pengurang  berupa  nilai  medan listrik  input  yang  berubah.  Serta  pada  model dipole switching nilai polarisasi sangat bergantung  pada  adanya  polarisasi  yang  terjadi secara spontan pada dipol – dipol yang menyusun material yang diakibatkan oleh medan listrik yang kecil seperti ditunjukan pada Gambar 3.3.
Gambar  3.3.  Kurva  Polarisasi  Hasil Eksperimen  (Hitam)  dan  Hasil  Simulasi  dengan Model Dipole Switching (Merah)
Hasil Simulasi dan eksperimen dari material Zinc  Oxide  (ZnO)  yang  didoping  3%  Ni ditunjukan pada Gambar 3.3. Sifat polarisasi dari
material Zinc Oxide dengan doping Ni 3% terlihat bahwa  memiliki  sifat  hard  ferroelektrik  yang ditandai dengan nilai medan koersif yang cukup besar  dibandingkan  hasil  simulasi.  Hal  ini  juga dapat  dijelaskan  bahwa  Zinc  Oxide  (ZnO) memliki  struktur  kristal Zinc  Blended yang artinya dipol yang dibentuk oleh ion Zn 2+ dan O 2- cukup sulit terpolarisasi sehingga  membutuhkan medan  listrik  yang  cukup  besar  hingga  Zinc Oxide (ZnO) dapat memcapai polarisasi saturasi. Hasil  serupa  juga  didapatkan  penelitian  yang dilakukan oleh  Maiz et al ., 2019; Li et al ., 2019; Samanta et al ., 2020.
Dari  hasil  simulasi  dan  ekperimen  juga didapatkan  bahwa  beberapa  nilai  karakteristik polarisasi  seperti  polariasasi  saturasi  (P s )  dan medan koersif (E c ) mengalami selisih perbedaan dan  selisih  yang  cukup  besar  terjadi  pada  nilai medan koersif (Ec) seperti ditunjukan pada Tabel 3.1.  Hal  ini  dapat  dijelaskan  bahwa  nilai polarisasi  dari  model  ini  sangat  bergantung  dari nilai  medan  listrik  input  yang  diberikan  serta faktor skala yang diberikan sehingga jika medan listrik  input  pada  simulasi  mengalami  selisih cukup besar akan mempengaruhi nilai polarisasi.
Tabel 3.1. Hasil Pemodelan dan Eksperimen
Polarisasi Remane m (P r ) (μC/cm 2 ) Polarisasi Saturasi (P s ) (μC/cm 2 ) Medan Koersif (E c ) kV/cm R wp Model 4,3 8 1,5  11,5 % Eksper imen 4,2 5,9 7,1 -
Dari  hasil  tersebut  dapat  dijelaskan  bahwa model  dipole  switching  dapat  dengan  baik memodelkan  sifat  polarisasi  remanen  pada material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping 3% Ni tetapi  perlu  penyesuaian  untuk  nilai  Polarisasi saturasi  dan  medan  koersif  dan  secara  statistik dapat  dinyatakan  baik  dengan  nilai  R wp adalah 11,5%. Serta secara keseluruhan perlu dilakukan banyak penyesuaian sehingga dapat mengakomodir  sifat  hard  ferroelektrik  dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Ni 3%. Pada  penelitian  selanjutnya,  peneliti  akan mengembangkan Model Dipole Switching dengan menambahkan beberapa input variabel.

## 4. KESIMPULAN DAN SARAN
Dari  hasil  simulasi  sifat  polarisasi  material Zinc  Oxide  (ZnO)  dengan  doping  3%  Ni  dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Hasil  simulasi  polarisasi  remanen menggunakan  model dipole  switching menunjukan  hasil  mendekati  nilai eksperimen  yaitu  4,3  μC/cm 2 dengan nilai eksperimen adalah 4,2 μC/cm 2 2. Hasil  simulasi  pada  polariasai  spontan dan medan koersif menunjukan perbedaan dengan hasil ekperimen
3. Model dipole Switching telah cukup baik untuk  memprediksi  sifat  polarisasi terutama pada besaran polarisasi remanen dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Ni 3%

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terimakasih  kepada Kementrian  Pendidikan,  Kebudayaan,  Riset  dan Teknologi Republik Indonesia, sebagian dana riset ini berasal  dari  Hibah  Penelitian  Kerjasama  Antar Perguruan Tinggi dengan Nomor kontrak 163/E4.1/AK/04/PT/2021, 3478/LL3/KR/2021, 004/SP-P.JAMAKDASAR/LPPM/VIII/2021

## REFERENSI
Adnan,  S.  R.,  &  Soegijono,  B.  (2020).  Sifat Termal  dan  Analisis  Komposisi  Material Barium  Zirkonium  Titanat  (BZT)  dengan Doping  Lantanum  dan  Indium. Jurnal Kajian Teknik Mesin , 5 (2), 78–82.
Adnan, S. R., Soegijono, B. (2018). Perhitungan Kurva  Histeresis  Intrinsik  Material  Zinc Oxide  (ZnO). Jurnal Konversi dan Manufaktur UNJ. 5(1) , 15–18.
Hikam,  M.,  &  Adnan,  S.  R.  (2014).  Intrinsic hysteresis  loops  calculation  of  BZT  thin films. Journal  of  Physics:  Conference Series , 495 (1).
Hikam, Muhammad, Adnan, S. R., Soegijono, B., Sudarmaji,  A.,  Sanhaji,  G.,  &  Husein,  O. (2014). Penyesuaian Kurva Model Dinamis Landau  -  Khalatnikov  Pada  BZT . 15 (2), 108–111.
Lee,  D.,  Jeon,  B.  C.,  Baek,  S.  H.,  Yang,  S.  M., Shin, Y. J., Kim, T. H., Kim, Y. S., Yoon, J. G.,  Eom,  C.  B.,  &  Noh,  T.  W.  (2012).
Active  control  of  ferroelectric  switching using  defect-dipole  engineering. Advanced Materials , 24 (48), 6490–6495.
Li, L., Zhang, Y., Wang, R., Sun, J., Si, Y., Wang, H., Pan, C., & Dai, Y. (2019). Ferroelectricity-induced performance enhancement of V-doped ZnO/Si
photodetector  by  direct  energy  band modulation. Nano Energy , 65 (August).
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. Rietveld,  H.  M.  (2014).  The  Rietveld  method.
Physica Scripta , 89 (9).