Pengaruh Suhu Annealing terhadap Struktur Mikro dan Sifat Optik Lapisan Bismuth Ferrite (BiFeO 3 )

## Yofentina Iriani, Novinda Hary Megasari, dan Fahru Nurosyid
Program Studi Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta yofent_iriani@staff.uns.ac.id

## ABSTRACT
This  study  aims  to  determine  the  effect  of  annealing  temperature  on  the  microstructure  and  optical properties  of  Bismuth  Ferrite  (BiFeO 3 )  layers.  BiFeO 3 film  was  successfully  deposited  on  a  quartz substrate  using the Chemical Solution Deposition (CSD)  method. The microstructure  was  characterized by  XRD  and  optical  properties  was  characterized  with  UV-Vis  spectrophotometer.  The  annealing temperature variations are 550 o C, 600 o C, and 650 o C. Annealing temperature affect the microstructure i.e., crystallite  size,  crystallinity,  lattice  parameters  and  optical  properties  i.e.,  absorbance  and  energy  gap. The  crystallite  size,  crystallinity,  and  lattice  parameters  increase  with  increased  annealing  temperature. The  peak  of  absorbance  has  decreased  with  the  increase  in  annealing  temperature.    The  lowest  energy gap is at 650 o C annealing temperature which is (2,45 ± 0,02) eV.
Keywords : BiFeO 3 , annealing, microstructure, optical properties, CSD.

## ABSTRAK
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh  suhu annealing terhadap  struktur  mikro  dan  sifat optik lapisan Bismuth Ferrite (BiFeO 3 ). Lapisan BiFeO 3 telah berhasil berhasil terdeposisi di atas substrat quartz menggunakan  metode Chemical  Solution  Deposition (CSD).  Struktur  mikro  dikarakterisasi menggunakan XRD dan sifat optik dikarakterisasi menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Variasi suhu annealing yang dilakukan yaitu 550 o C, 600 o C, dan 650 o C. Suhu annealing mempengaruhi struktur mikro yaitu ukuran kristal, tingkat  kekristalan, parameter kisi serta mempengaruhi sifat optik  yaitu absorbansi dan energi gap lapisan BiFeO 3 . Semakin tinggi suhu annealing maka ukuran kristal, tingkat kekristalan, dan  parameter  kisi  meningkat.  Puncak  absorbansi  mengalami  penurunan  seiring  dengan  bertambahnya suhu annealing. Suhu annealing mempengaruhi  energi  gap  lapisan  BiFeO 3 .  Energi  gap  paling  rendah yaitu pada suhu annealing 650ºC sebesar (2,45 ± 0,02) eV.
Kata Kunci : BiFeO 3 , annealing, struktur mikro, sifat optik, CSD.

## PENDAHULUAN
Material  ferroelektrik  merupakan  material  yang  memiliki  polarisasi  spontan  dengan  adanya pengaruh  medan  listrik  luar,  ini  dapat  dilihat  dari  kurva  histerisis  yang  terbentuk.  Kurva histerisis merupakan kurva hubungan polarisasi (P) terhadap medan listrik luar (E). Material ferroelektrik mengalami  fase transisi  struktur pada Temperature Curie  (T C ) yaitu perubahan fase  dari  fase  ferroelektrik  menjadi  fase  paraelektrik [1] .  BiFeO 3 adalah  salah  satu  material ferroelektrik  yang  berstruktur perovskite memiliki  sifat  optik  menarik  dalam photovoltaic yaitu memiliki energi gap yang sempit [2] . Photovoltaic adalah teknologi yang memanfaatkan energi sinar matahari sebagai energi alternatif. Photovoltaic mengubah energi cahaya menjadi energi  listrik,  biasanya  menggunakan  bahan  semikonduktor [3] .  Lapisan  BiFeO 3 biasanya dibuat  dengan  metode Chemical  Solution  Deposition (CSD) [4] .  Metode  CSD  banyak digunakan karena memiliki beberapa keunggulan, diantaranya kemampuan kontrol komposisi dan  homogenitas  yang  baik.  Struktur  mikro  dan  sifat  optik  dari  BiFeO 3 dapat  dipengaruhi oleh parameter pengolahannya. Salah satu parameter pengolahannya adalah suhu annealing [5] .
Pembuatan lapisan menggunakan metode CSD melibatkan sintesis larutan prekursor, deposisi lapisan  menggunakan spin-coating atau dip-coating ,  proses  pengeringan  dilakukan  pada perlakuan  panas  suhu  rendah,  dan  perlakuan  panas  suhu  lebih  tinggi  dilakukan  untuk densifikasi  dan  kristalisasi  lapisan [6] . Spin  coating merupakan  teknik  pembentukan  lapisan melalui proses pemutaran atau spin . Bahan yang akan dibentuk lapisan dibuat dalam bentuk larutan  atau gel ,  kemudian  diteteskan  pada  substrat  yang  diletakkan  di  atas  piringan  lalu diputar  dengan  kecepatan  tertentu [7] .    Paper  ini  akan  membahas  pengaruh  suhu annealing terhadap struktur mikro dan sifat optik lapisan.

## METODE
Pembuatan  lapisan  BiFeO 3 dilakukan  menggunakan  metode Chemical  Solution  Deposition (CSD) yang disiapkan dengan spin coater . Bahan-bahan penyusun Bismuth Ferrite (BiFeO 3 ) yang  digunakan  adalah bismuth  nitrate  pentahydrate (Bi(NO 3 ) 3 .5H 2 O)  (Kojundo,  99.99%), iron  nitrate  enneahydrate (Fe(NO 3 ) 3 .9H 2 O)  (Kojundo,  99.9%), acetic  acid (CH 3 COOH) (Sigma Aldrich, ≥ 99.7%), 2-methoxyetanol (CH 3 OCH 2 CH 2 OH) (Sigma Aldrich, ≥ 99.8%), dan acetylacetone (CH 3 COCH 2 COCH 3 ) (Sigma Aldrich, ≥ 99.3%). Substrat yang digunakan adalah quartz. Tahapan metode CSD meliputi proses sintesis larutan, proses deposisi, proses hidrolisis,  dan  proses annealing .  Larutan  dibuat  dengan  volume  5  ml  dan  molaritas  1  M. Urutan  pencampuran  bahannya  antara  lain bismuth  nitrate  pentahydrate dan iron  nitrate enneahydrate ditambah  dengan aceticacid dan 2-methoxyetanol kemudian  diaduk menggunakan magnetic  stirer selama  60  menit. Acetylacetone (penyetabil)  ditambahkan  ke dalam  pencampuran  sebelumnya  kemudian  diaduk  menggunakan magnetic  stirer selama  45 menit. Variasi suhu annealing yang dilakukan adalah 550ºC, 600ºC, dan 650ºC dengan waktu tahan  selama  1  jam.  Pengaruh  suhu annealing pada  struktur  mikro  lapisan  BiFeO 3 diuji menggunakan X-Ray  Diffraction (XRD)  Bruker  D8  Advance  dengan  anoda  Cu.  Data  hasil pengujian ini berupa sudut difraksi (2Ɵ) dan intensitas. Data hasil XRD kemudian digunakan untuk menghitung ukuran kristal ( D )  menggunakan persamaan Scherrer sebagai berikut [8] :
𝐷 = 0,9 𝜆 𝛽 cos 𝜃 (1)
dimana 𝐷 adalah  ukuran  kristal  (nm),  λ  adalah  panjang  gelombang  sinar-X  (1,5406  Å), 𝛽 adalah FWHM ( full width at half maximum ) (rad), dan Ө adalah sudut difraksi pada Hukum Bragg.
Spektrofotometer  UV-Vis  digunakan  untuk  mengukur  besar  absorbansi  dan  transmitansi suatu  material  serta  mengukur  energi gap antara  pita  konduksi  dan  pita  valensi.  Penentuan energi gap menggunakan  metode Tauc–Plot yaitu  dengan  cara  menarik  garis  linear  dari grafik  hubungan (𝛼ℎ𝜐) 2 terhadap ℎ𝜐 hingga  memotong  sumbu  x.  Persamaan Tauc–Plot dapat ditulis sebagai berikut [9] :
(𝛼ℎ𝜐) 2 = 𝐶(ℎ𝜐 − 𝐸 𝑔 ) (2)
α adalah koefisien absorbansi (m -1 ), ℎ adalah konstanta planck, 𝜐 adalah frekuensi gelombang ( Hz ), C adalah konstanta, dan 𝐸 𝑔 adalah energi gap (eV).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Lapisan  Bismuth  Ferrite  (BiFeO 3 )  dikarakterisasi  menggunakan X-Ray  Diffraction (XRD) untuk  mengetahui  struktur mikro dari lapisan. Struktur mikro lapisan  BiFeO 3 yang dihitung adalah  ukuran  kristal,  tingkat  kekristalan  dan  parameter  kisi.  Hasil  karakterisasi menggunakan  XRD  berupa  pola  difraksi  hubungan  antara  sudut  difraksi  (2 𝜃 )  dengan intensitas.
Gambar 1. Pola difraksi lapisan BiFeO 3 variasi suhu annealing
Gambar 1 adalah pola difraksi lapisan BiFeO 3 dengan variasi suhu annealing . Terlihat bahwa BiFeO 3 di  atas  substrat  quartz.  Hal  ini  ditandai  dengan  munculnya  puncak-puncak  difraksi teridentifikasi milik BiFeO 3 setelah dicocokkan dengan ICDD database (ICDD #742016). Tabel 1 adalah intensitas, tingkat kekristalan dan ukuran kristal lapisan BiFeO 3 untuk variasi suhu annealing .  Terlihat  bahwa  semakin  tinggi  suhu annealing maka  intensitas,  tingkat keristalan dan ukuran kristal lapisan BiFeO 3 juga semakin tinggi. Hal ini disebabkan karena makin  tinggi  suhu  maka  makin  banyak  atom-atom  yang  bervibrasi  sehingga  atom-atom menjadi teratur.
Tabel 1. Intensitas, tingkat kekristalan dan ukuran kristal lapisan BiFeO 3 variasi suhu annealing
Suhu Annealing Intensitas orientasi (110) Tingkat kekristalan (%) Ukuran Kristal (nm) 550 o C 2212 76 14 600 o C 2922 86 29 650 o C 3057 88 33
Ketebalan lapisan BiFeO 3 diukur menggunakan Dektak Profilometer yang dapat dilihat pada Tabel 2. Berdasarkan Tabel 2 terlihat bahwa semakin tinggi suhu annealing ketebalan lapisan semakin rendah.
Tabel 2. Ketebalan Lapisan BiFeO 3 variasi suhu annealing Suhu Annealing Ketebalan (nm) 550 o C 268 600 o C 151 650 o C 82
Gambar 2. Grafik hubungan antara panjang gelombang dan absorbansi variasi suhu annealing
Karakterisasi menggunakan spektrofotometer UV-Vis dilakukan untuk mengetahui sifat optik lapisan  BiFeO 3 .  Hasil  karakterisasi  menggunakan  spektrofotometer  UV-Vis  berupa  data absorbansi dan transmitansi. Nilai absorbansi menunjukkan besarnya serapan lapisan BiFeO 3 dan  nilai  transmitansi  digunakan  dalam  perhitungan  nilai band  gap .  Hasil  absorbansi ditunjukkan pada Gambar 2.
Berdasarkan  Gambar  2.  terlihat  bahwa  peningkatan  suhu annealing menyebabkan  puncak absorbansi  mengalami  penurunan.  Puncak  absorbansi  tertinggi  yaitu  pada  saat  suhu annealing 550ºC.  Puncak  absorbansi  terdapat  pada  daerah  UV  yaitu  range  panjang gelombang (200-400) nm.
Tabel 3. Energi gap lapisan BiFeO 3 variasi suhu annealing
Suhu Annealing Energi Gap (eV) 550 o C (2,80 ± 0,04) 600 o C (2,68 ± 0,03)
650 o C (2,45 ± 0,02)
Sifat  optik lapisan BiFeO 3 tidak hanya terlihat  dari nilai  absorbansi,  tetapi  juga terlihat  dari nilai energi gap-nya. Nilai energi gap dihitung menggunakan Persamaan 2. Hasil perhitungan energi  gap  seperti  yang  terlihat  pada  Gambar  3.  Grafik  energi  gap  merupakan  grafik hubungan (αhʋ) 2 terhadap hʋ. Besarnya  energi  gap  diperoleh  dari  perpanjangan  garis  lurus dari grafik yang terbentuk sehingga memotong sumbu x. Dari Tabel 3 dan Gambar 3 terlihat bahwa  besarnya  energi gap dipengaruhi  oleh  suhu annealing .  Energi gap paling  rendah terdapat  pada  suhu annealing 650 o C  yaitu  sebesar  (2,45  ±  0,02)  eV.  Hal  ini  sesuai  dengan penelitian  Xu  and  Shen  (2008)  yaitu  energi gap yang  lebih  rendah  disebabkan  karena peningkatan tingkat kristalinitas dan homogenitas dari lapisan BiFeO 3 [5] .

## KESIMPULAN
Lapisan  BiFeO 3 telah  terdoposisi  di  atas  substrat  quartz.  Suhu annealing mempengaruhi struktur  mikro  yaitu  ukuran  kristal,  tingkat  kekristalan,  parameter  kisi  serta  mempengaruhi sifat  optik  yaitu  absorbansi  dan  energi  gap  lapisan  BiFeO 3 .  Semakin  tinggi  suhu annealing maka  ukuran  kristal,  tingkat  kekristalan,  dan  parameter  kisi  meningkat.  Puncak  absorbansi mengalami  penurunan  seiring  dengan  bertambahnya  suhu annealing. Suhu annealing mempengaruhi  energi  gap  lapisan  BiFeO 3 .  Energi  gap  paling  rendah  yaitu  pada  suhu annealing 650ºC sebesar (2,45 ± 0,02) eV.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih Universitas Sebelas Maret melalui penelitian skema Hibah Penelitian  Unggulan  UNS  Dana  PNBP  Tahun  Anggaran  2019,  dengan  nomor  kontrak  : 516/UN27.21/PP/2019

## DAFTAR PUSTAKA
1 Wang, Y., Chen, W., Wang, B., & Zheng, Y. 2014. Ultrathin Ferroelectric Films : Growth Characterization, Physics, and Applications. Materials, 7, 6377-6485.
2 Xue, X., Tan, G., Liu, W., & Hao, H. 2014. Structural, optical and magnetic properties of BiFe1-xCoxO3 thin films. Materials Letters, 128, 303-305.
3 Tang,  X.,  Jin,  L.,  Dai,  J.,  Zhu,  X.,  &  Sun,  Y.  2016.  Decreased  oxygen  vacancies  and improved  ferroelectric  properties  of  the  BiFeO 3 thin  films  with  high  magnetic  field annealing. Journal of Alloy and Compound, 30, 1-6.
4 Sharma, S., Tomar, M., Kumar, A., Puri, N. K., & Gupta, V. 2016. Photovoltaic effect in BiFeO 3 /BaTiO 3 multilayer structure fabricated by chamical solution deposition technique. Journal of Physics and Chemistry of Solids , 93, 63-67.
5 Xu, Y. & Shen, M. 2008. Structure and optical properties of nanocrystalline BiFeO3 films prepared by Chemical Solution Deposition. Materials Letters, 62, 3600-3602.
6 Shima, H., Naganuma, H., & Okamura, S. 2013. Optical properties of multiferroic BiFeO3 films. Material Science - Advance Topics , ISBN : 978-953-51-1140-5, Publisher : InTech.
7 Hidayat, A. S., Rokhmat, M., & Qurthobi, A.2014. Pengaruh Suhu Dan Kecepatan Putar Spin  Coating  Terhadap  Kinerja  Sel  Surya  Organik  Berbahan  Dasar  Tio2. Jurnal  Eprac, (1), 1-14.
8 Shirahata,  Y.  &  Oku,  T.  2016.  Characterization  and  Photovoltaic  Properties  of  BiFeO 3 Thin Films. Coatings, 6, 68.
9 Bao, D., Yang, H., Zhang, L., & Yao, X. 1998. Structure and Optical Properties of SrTiO3 Thin Films Prepared by a Sol-Gel Technique. Phys. Stat. sol., 169, 227-233.