TERHADAP TINGKAT KRISTAL DAN UKURAN BUTIR ......FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Januari, 2012 perpustakaan.uns.ac.id …

i

ANALISIS PENGARUH HEATING RATE

TERHADAP TINGKAT KRISTAL DAN UKURAN BUTIR

LAPISAN TIPIS BZT

YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE SOL GEL

Disusun oleh:

NOVI WIDYAWATI

M 0207049

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Januari, 2012

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang

berjudul ”ANALISIS PENGARUH HEATING RATE TERHADAP TINGKAT

KRISTAL DAN UKURAN BUTIR LAPISAN TIPIS BZT YANG

DITUMBUHKAN DENGAN METODE SOL GEL” adalah hasil kerja saya atas

arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga saat ini, isi skripsi tidak berisi

materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang

telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret

atau di Perguruan Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di daftar pustaka

skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian

ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas

tanpa harus memberitahu penulis.

Surakarta, 3 Januari 2012

Novi Widyawati


commit to user

vii

KATA PENGANTAR

Puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan limpahan

nikmat serta rahmatnya, Sholawat serta salam semoga selalu tercurah kepada

junjungan nabi agung Muhammad SAW yang telah memberikan suri tauladan

kepada umatnya.

Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan

gelar sarjana sains ini penulis beri judul ” ANALISIS PENGARUH HEATING

RATE TERHADAP TINGKAT KRISTAL DAN UKURAN BUTIR LAPISAN

TIPIS BZT YANG DITUMBUHKAN DENGAN METODE SOL GEL”. Skripsi

ini dapat terselesaikan atas bantuan beberapa pihak yang telah membantu penulis

menyelesaikan skripsi ini. Atas bantuannya selama proses pengerjaan skripsi ini,

ucapan terima kasih secara khusus penulis sampaikan kepada:

1. Bapak Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D selaku Pembimbing Akademik yang

memberikan saran dan nasehat selama masa studi penulis.

2. Ibu Dr. Yofentina Iriani, S.Si., M.Si selaku Pembimbing I yang telah

memberikan bagian proyek penelitian dari Hibah Intensif Kementrian

Riset dan Teknologi (Ristek) 2011 sebagai skripsi.

3. Ibu Viska Inda Variani, S.Si., M.Si selaku Pembimbing II yang

memberikan masukan dalam penyelesaian skripsi.

4. Semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini.

Penulis menyadari akan banyaknya kekurangan dalam penulisan skripsi ini.

Namun demikian, penulis berharap semoga karya kecil ini bermanfaat.

Surakarta, 3 Januari 2012

Penulis


commit to user

x

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL .............................................................................. i

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................ ii

HALAMAN PERNYATAAN .. ............................................................. iii

MOTTO DAN PERSEMBAHAN........................................................ .. iv

HALAMAN ABSTRAK ........................................................................ v

HALAMAN ABSTRACT ..................................................................... vi

KATA PENGANTAR ........................................................................... vii

UCAPAN TERIMA KASIH ................................................................... viii

DAFTAR ISI .......................................................................................... x

DAFTAR TABEL ................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR .............................................................................. xiii

DAFTAR SIMBOL ................................................................................ xv

DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................... xvi

BAB I PENDAHULUAN .................................................................... 1

1.1. Latar Belakang Masalah ................................................... 1

1.2. Perumusan Masalah ...................................................... 4

1.3. Batasan Masalah............................................................... 4

1.4. Tujuan Penelitian ............................................................. 5

1.5. Manfaat Penelitian ........................................................... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................... 6

2.1. Material Ferroelektrik ....................................................... 6

2.2. Struktur Perovskit.............................................................. 8

2.3. Barium Titanat (BaTiO3) .................................................. 9

2.4. Barium Zirkonium Titanat (BZT) ..................................... 10

2.5. Metode Chemical Solution Deposition (CSD)………….. 11

2.6. Karakterisasi ...................................................................... 14

2.6.1. X-Ray Diffraction (XRD) ...................................... 14

2.6.2. Scanning Electron Microscopy (SEM) ................. 16

BAB III METODOLOGI PENELITIAN .............................................. 18

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian .......................................... 18

3.2. Alat dan Bahan ................................................................. 18

3.2.1. Alat yang Digunakan............................................ 18


commit to user

xi

3.2.2. Bahan yang Digunakan ........................................ 18

3.3. Metode Penelitian ............................................................. 19

3.3.1. Persiapan Substrat ................................................... 20

3.3.2. Pembuatan Larutan .................................................. 21

3.3.3. Proses Spin Coating ................................................. 22

3.3.4. Proses Hidrolisis ..................................................... 23

3.3.5. Proses Annealing ...................................................... 23

3.3.6. Karakterisasi............................................................ . 24

3.3.6.1. X-Ray Diffraction (XRD)…………………….. 24

3.3.6.2. Scanning Electron Microscopy (SEM)………. 25

3.4. Teknik Analisa Data .......................................................... 25

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................... 27

4.1. Karakterisasi EDX (Energy Dispersive X-ray) ................ 28

4.2. Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) ........................... 28

4.2.1.Variasi Heating Rate untuk 3 Lapis ....................... 29

4.2.2.Variasi Heating Rate untuk 5 Lapis ....................... 31

4.3. Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) ....... 32

4.3.1. Morfologi dan Ukuran Butir Lapisan Tipis .......... 32

4.3.1.1. Variasi Heating Rate untuk 3 lapis………… . 32

4.3.1.2. Variasi Heating Rate untuk 5 lapis………… . 34

4.3.2. Ketebalan Lapisan Tipis ...................................... 35

4.3.2.1. Variasi Jumlah Lapis pada

Heating Rate 10C/menit ................................. 35


Heating Rate 30C/menit................ ................. 37


Heating Rate 50C/menit................................. 38

BAB V PENUTUP ................................................................................ 40

5.1. Kesimpulan ....................................................................... 40

5.2. Saran ................................................................................. 40

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................ 41

LAMPIRAN-LAMPIRAN ...................................................................... 44


commit to user

v

Analisis Pengaruh Heating Rate Terhadap Tingkat Kristal dan Ukuran Butir

Lapisan Tipis BZT yang Ditumbuhkan dengan Metode Sol Gel

Novi Widyawati

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Metode Chemical Solution Deposition atau Sol Gel merupakan salah satu

metode penumbuhan lapisan tipis. Lapisan tipis BaZr0,2Ti0,8O3 telah berhasil

ditumbuhkan menggunakan metode sol gel di atas substrat Pt/Si yang disiapkan

dengan spin coater. Lapisan tipis BaZr0,2Ti0,8O3 dibuat menggunakan variasi

heating rate 10C/menit, 3

0C/menit dan 5

0C/menit dengan suhu annealing 800

0C

untuk variasi jumlah lapis yaitu 3 dan 5 lapis. Sampel lapisan tipis BaZr0,2Ti0,8O3

dikarakterisasi menggunakan XRD dan SEM.

Hasil karakterisasi menggunakan XRD menunjukkan semakin

bertambahnya heating rate menunjukkan bertambahnya intensitas yang semakin

tinggi tingkat kekristalannya sedangkan karakterisasi menggunakan SEM

menunjukkan heating rate semakin kecil atau laju pemanasan makin kecil maka

ukuran butir semakin besar dan ketebalan pada lapisan tipis Barium Zirkonium

Titanat (BaZr0,2Ti0,8O3) makin besar.

Kata Kunci : Barium Zirkonium Titanat, heating rate, sol gel, spin coating


commit to user

vi

Analysis Of Influnce Of Heating Rate On Crystal Size And Grain Size Of

Thin Film BZT Grown By Sol Gel Method

Novi Widyawati

Department of Physics. Faculty of Mathematic and Natural Sciences

Sebelas Maret University

ABSTRACT

A thin layer BaZr0,2Ti0,8O3 has been grown successfully by sol gel method

on the Pt/Si substrate which was prepared by spin coater. A thin layer BaZr0,

2Ti0,8O3 was made with heating rate variations 10C/menit, 3

0C/menit, 5

0C/menit

and annealing temperature 8000C which were applied for fabrication process of

two variation samples, 3 and 5 layers. And then thin film samples BaZr0,2Ti0,8O3

were characterized by XRD and SEM.

XRD characterization results show that the heating rate increasing cause the

increasing of X-ray intensity. It mean the crystallity increase. SEM

characterization result show that the heating rate decreasing cause the grain size

increasing and the increasing of thin film layer number cause the thin film

thickness increasing.

Keywords: Barium Zirkonium Titanat, heating rate, sol gel method, spin coating


commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Perkembangan penelitian tentang lapisan tipis banyak dikembangkan dalam

bidang elektronika. Lapisan tipis adalah suatu lapisan yang mempunyai ketebalan

dalam orde angstrom hingga mikrometer. Lapisan tipis ferroelektrik adalah salah satu

kandidat yang dapat diaplikasikan di bidang elektronika. Ferroelektrik merupakan

material elektronik khususnya material 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 suatu material ferroelektrik (Azizahwati,

2002).

Penelitian tentang material ferroelektrik sangat menarik perhatian peneliti

karena sangat menjanjikan untuk divais generasi baru didasarkan pada sifat histeresis

dan tetapan dielektrik yang tinggi. Penggunaan dalam bentuk lapisan tipis sangat

luas, karena sifat material ferrolektrik dapat difabrikasikan sesuai kebutuhan serta

mudah diintegrasikan dalam bentuk divais. Aplikasi-aplikasi lapisan tipis material

ferroelektrik menggunakan sifat dielektrik, piroelektrik, dan elektrooptik yang khas

dari bahan ferroelektrik. Penerapan material ferroelektrik berdasarkan sifat histeresis

dan tetapan dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori Dynamic

Random Access Memory (DRAM), sifat sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai

mikroaktuator dan sensor, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile

Ferroelectric Random Acsess Memory (NVFRAM), sifat piroelektrik dapat

diterapkan pada sensor infra merah dan sifat elektrooptik dapat diterapkan pada

switch termal infra merah (Azizahwati, 2002).

Barium titanat (BaTiO3) adalah salah satu material ferroelektrik yang

mempunyai struktur perovskit ABO3 yang banyak digunakan untuk penyimpanan

muatan karena mempunyai tetapan dielektrik yang tinggi (Gao, et.al., 2007). Barium


commit to user

2

titanat (BaTiO3) mempunyai struktur kristal yang sangat sederhana dibandingkan

bahan ferroelektrik lainnya dan bahan ini sangat praktis karena sifat kimia dan

mekaniknya sangat sangat stabil (Yunasfi, 2002).

Material PZT atau Lead Zirkonium Titanat memiliki struktur perovskit ABO3.

Posisi A diisi oleh kation Pb2-

yang menempati salah satu sudut dari kubus, posisi B

diisi oleh Zr4+

sedangkan oksigen mengisi pusat muka dari kubus. Posisi Ti4+

dan Zr4+

dapat dipertukarkan (Azizahwati, 2002). Material PZT ini memegang peranan penting

dalam perkembangan di industri elektronik sebagai multi layer ceramic capacitor

(MLCCs). Material yang banyak dipakai untuk aplikasi MLCCs adalah lead

zirconate titanate (PZT) (Brinker dan Scherer, 1990). Penelitian PZT sudah banyak

ditinggalkan peneliti karena mengandung timah hitam atau Pb (Plumbum) yang

mekanisme masuknya timah hitam atau Pb melalui sistem pernapasan ataupun

langsung melalui permukaan kulit dan keberadaan timbal di dalam PZT

mengakibatkan material ini kurang ramah lingkungan (Bambang, dkk., 2009).

Barium Stronsium Titanat (BST) merupakan material ferroelektrik yang juga

mempunyai struktur perovskit ABO3. Barium Stronsium Titanat (BST) banyak

digunakan sebagai FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) karena memiliki

konstanta dielektrik yang tinggi dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high

charge storage capacity) (Seo dan Park, 2004). Barium Stronsium Titanat (BST)

memiliki potensi untuk menggantikan lapisan tipis SiO2 pada sirkuit metal oxide

semikonduktor (MOS). Namun dari penelitian yang telah dilakukan sampai saat ini,

lapisan tipis BST biasanya memiliki konstanta dilektrik yang jauh lebih rendah

dibandingkan dengan bentuk bulknya (Aep, 2008).

Barium Zirkonium Titanat (BZT) berpotensi menjadi alternatif pengganti

untuk Barium Stronsium Titanat (BST) dalam fabrikasi kapasitor keramik karena Zr4+

secara kimiawi lebih stabil dari Ti4+

. Penggantian ion Zr4+

lebih stabil dibandingkan

Ti4+

karena ion Zr4+

mempunyai ukuran ion lebih besar yaitu 0,087 nm dibandingkan

ion Ti4+

yang hanya sekitar 0,086 nm (Zhai, et.al., 2004). Penambahan Zr dapat


commit to user

3

diketahui fase transisi ferroelektrik pada temperatur Curie (TC) untuk bentuk bulknya

(Tang, et.al., 2006).

Perkembangan teknologi dalam penumbuhan lapisan tipis antara lain

Sputtering, Chemical Vapor Deposotion atau CVD (Auciello, et.al., 1998), Pulse

Laser Ablation Deposotion atau PLAD (Zhu, et.al., 2005), Metal Organic Chemical

Vapor Deposition atau MOCVD (Gao, et.al., 2000), dan Chemical Solution

Deposition atau CSD (Chen, et.al., 2010). Metode-metode penumbuhan lapisan tipis

diatas mempunyai tujuan yang sama yaitu menghasilkan lapisan tipis yang

mempunyai kualitas yang baik dan biaya produksi yang rendah. Metode Chemical

Solution Deposition (CSD) atau Sol Gel merupakan cara penumbuhan lapisan tipis

dengan pendeposisian larutan bahan kimia diatas substrat kemudian dipreparasi

dengan spin coating pada kecepatan putar tertentu (Schwartz, 1997). Metode

Chemical Solution Deposition (CSD) mempunyai keuntungan lebih mudah

mengontrol stoikiometrinya, prosedur yang mudah serta biaya relatif murah bila

dibandingkan metode solid-state lebih mudah mengelompok dan sering

terkontaminasi oleh pengotor pada saat proses pencampuran (Chen, et.al., 2010).

Salah satu parameter pembuatan lapisan tipis diperlukan efek pemanasan

untuk proses pembentukan struktur kristal dan ukuran butir. Keduanya dapat

didapatkan dengan melakukan annealing dengan suhu tertentu. Annealing dengan

variasi suhu dimaksudkan agar lapisan tipis yang terbentuk menuju kristal atau

kristalisasi dan meningkatkan homogenitas serta kerapatan butiran kristal dalam

lapisan tipis (Ngurah Ayu, 2001). Heating Rate atau laju pemanasan adalah salah

satu parameter proses annealing yang dapat mempengaruhi pertumbuhan butir.

Pembuatan lapisan tipis Barium Zirkonium Titanat (BZT) dengan metode

Chemical Solution Deposition (CSD) atau metode Sol Gel telah dilakukan untuk

variasi kecepatan putar pada saat pendeposisisan larutan di atas substrat. Hasil

pembuatan lapisan tipis BZT menggunakan proses spin coating dengan variasi

kecepatan putar menunjukkan hasil optimal pada kecepatan putar 4000 rpm selama

30 detik (Alfan, 2010). Pembuatan lapisan tipis BZT sebelumnya juga telah


commit to user

4

dilakukan untuk variasi pada suhu annealing 7000C, 800

0C dan 900

0C dengan variasi

jumlah lapis. Hasil pembuatan lapisan tipis BZT menunjukkan bahwa bila di tinjau

dari morfologi suhu annealing 8000C butiran yang didapatkan seragam dan batas

butiran dapat terlihat jelas. Pembuatan lapisan tipis Barium Zirkonium Titanat ( BZT)

paling ideal pada sampel dengan suhu annealing 8000C (Wahyu, 2010).

Berdasarkan hasil penelitian Alfan (2010) yang menunjukkan hasil optimal

pada kecepatan putar 4000 rpm selama 30 detik dan hasil penelitian Wahyu (2010)

yang menunjukkan hasil optimal pada suhu annealing 8000C maka pada penelitian ini

dilakukan pembuatan lapisan tipis Barium Zirkonium Titanat (BZT) dengan metode

Chemical Solution Deposition (CSD) atau metode Sol Gel dengan variasi heating rate

yaitu 10C/menit, 3

0C/menit dan 5

0C/menit pada suhu annealing 800

0C. Kecepatan

putar yang digunakan pada saat pendeposisian larutan di atas substrat Pt/Si pada

penelitian ini adalah 4000 rpm selama 30 detik.

Karakterisasi lapisan tipis BZT pada penelitian ini meliputi karakterisasi

XRD dan SEM EDX. Karakterisasi XRD untuk menganalisa tingkat kristal dan SEM

EDX untuk menganalisa komposisi, morfologi, ukuran butir dan ketebalan lapisan

tipis BZT.

1.2. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah yang telah diuraikan di atas, maka dapat

dirumuskan masalah:

1. Bagaimana pengaruh variasi heating rate terhadap tingkat kristal dan ukuran butir

lapisan tipis BZT.

2. Bagaimana pengaruh jumlah lapisan terhadap ketebalan dari lapisan tipis BZT.

1.3. Batasan Masalah

Pada penelitian ini metode penumbuhan lapisan tipis BZT yang digunakan

adalah sol gel yang disiapkan dengan spin coating di atas substrat Pt/Si. Parameter-

parameter yang tetap pada penelitian ini meliputi molaritas, kecepatan putar, jumlah


commit to user

5

lapis, suhu dan waktu tahan (holding time), yaitu 0,5 M, 4000 rpm, 3 dan 5 lapis yang

di annealing 8000C selama 3 jam.

1.4. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini sebagai berikut :

1. Mengetahui pengaruh variasi heating rate terhadap tingkat kristal dan ukuran butir

lapisan tipis BZT.

2. Mengetahui pengaruh jumlah lapisan terhadap ketebalan lapisan tipis BZT.

1.5. Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Dapat memahami metode sol gel untuk pembuatan lapisan tipis BZT.

2. Memberikan pengetahuan mengenai sifat-sifat yang terbentuk yaitu tingkat kristal,

morfologi, ukuran butir dan ketebalannya pada lapisan tipis BZT.

3. Sebagai referensi untuk pengembangan penelitian selanjutnya.


commit to user

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Material Ferroelektrik

Ferroelektrik adalah gejala terjadinya polarisasi listrik spontan tanpa bahan

tersebut menerima medan listrik dari luar bahan. Ferroelektrik merupakan kelompok

material dielektrik dengan polarisasi listrik internal yang lebar P (µC/m2) yang dapat

diubah menggunakan medan listrik yang sesuai. Material ferroelektrik dicirikan oleh

kemampuan untuk membentuk kurva histerisis yaitu kurva yang menghubungkan

antara medan listrik dan polarisasi. Polarisasi terjadi di dalam dielektrik sebagai

akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri pada struktur kristalografi di dalam

sel satuan. Jika pada material ferroelektrik dikenakan medan listrik, maka atom-atom

tertentu mengalami pergeseran dan menimbulkan momen dipol listrik. Momen dipol

ini yang menyebabkan polarisasi. Momen dipol Pe dari molekul (atau atom atau sel

satuan) yang terpolarisasi adalah hasil kali muatan positif dan negatif Q dan jarak de

antara pusat muatan positif dan negatif (Van Vlack, 1989).

Pe = Q de (2.1)

Dengan Pe adalah momen dipole listrik (coulomb meter), Q adalah muatan

(coulomb), de adalah jarak antar muatan (meter ).

Nilai polarisasi listrik spontan (Ps) dihitung berdasarkan persamaan sebagai

berikut :

Ps = (Σ Q de) /(V) (2.2)

Dengan (Σ Q de) adalah jumlah momen dipol dan V adalah volume unit sel

Bahan ferroelektrik adalah bahan yang mempertahankan polarisasinya ketika

medan listriknya dihilangkan sehingga ada penyelarasan sisa dipol permanen.Tetapi

tidak semua bahan yang memiliki dipol permanen menunjukkan perilaku ferroelektrik

karena dipol menjadi acak dan diselaraskan dengan medan dan bila dihilangkan tidak

ada polarisasi yang tetap bersih (Smallman dan Bishop, 1999). Bahan ferroelektrik


commit to user

7

dicirikan oleh kemampuan untuk membentuk kurva histerisis yaitu kurva yang

menunjukkan antara polarisasi (P) dengan medan listrik (E).

Gambar 2.1. Kurva Histerisis Material Ferroelektrik

(Irzaman, 1997)

Kurva hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan listrik (E)

ditunjukkan pada Gambar 2.1. Ketika kuat medan listrik ditambah (OA) maka

polarisasinya akan meningkat terus sampai material mencapai kondisi jenuh (saturasi)

(BC). Ketika medan listrik diturunkan kembali ternyata polarisasinya tidak kembali

ke titik O, tetapi mempunyai pola (CD) dan mempunyai nilai. Ketika medan listrik

tereduksi sampai nol, material akan memiliki polarisasi remanen (PR) seperti pola

(OD). Nilai remanen merupakan nilai rapat fluks magnetik yang tersisa di dalam

material setelah medan diturunkan menjadi nol dan merupakan ukuran

kecenderungan pola sifat magnet untuk tetap menyimpang, walaupun medan

penyimpang telah dihilangkan. Nilai polarisasi dari material dapat dihilangkan

dengan menggunakan sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif).

Harga dari medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan

koersif (Ec) pola OF. Jika medan listrik kemudian dinaikkan kembali, material akan

kembali mengalami saturasi, hanya saja bernilai negatif (FG). Putaran kurva akan


commit to user

8

lengkap jika, medan listrik dinaikkan lagi dan pada akhirnya akan didapatkan kurva

hubungan polarisasi (P) dengan medan listrik (E) (Irzaman, 1997).

2.2. Struktur Perovskit

Struktur perovskit memiliki rumus umum ABO3 dimana atom A berada di

sudut-sudut kubus, atom B terletak di diagonal ruang kubus dan ion oksigen O

menempati tengah-tengah pada muka kubus yang ditunjukkan pada Gambar 2.2

(Schwartz, 1997). Istilah perovskit memilki dua pengertian, pertama perovskit

merupakan mineral partikular dengan rumus kimia CaTiO3 (disebut juga calcium

titanium oxide). Mineral ini ditemukan di pegunungan Ural Rusial oleh Gustav Rose

pada tahun 1839 dan kemudian dinamakan oleh mineralogist Rusia, L.A Perovski

(1792-1856). Kedua, umumnya mineral-mineral dengan struktur kristal yang sama

sebagai CaTiO3 disebut juga struktur perovskit.

Salah satu material ferroelektrik yang mempunyai struktur ABO3 yang banyak

digunakan sebagai kapasitor dengan konstanta dielektrik tinggi yaitu Barium Titanat

(BaTiO3) seperti pada Gambar 2.2 (Chen, et.al., 2010). Struktur perovskit BaTiO3

memiliki ion Oksigen (O2-

) yang terletak pada diagonal bidang dari unit sel, ion

Titanium (Ti4+

) yang terletak pada diagonal ruang dari unit sel dan ion Barium (Ba2+

)

terletak pada ujung tiap rusuk dari unit sel (Jona dan Shirane, 1993)

Gambar 2.2. Struktur Perovskit ABO3 (Schwartz, 1997)


commit to user

9

2.3. Barium Titanat (BaTiO3)

Barium titanat (BaTiO3) merupakan suatu bahan yang bersifat ferroelektrik

dan mempunyai struktur kristal perovskit (ABO3). Barium titanat (BaTiO3)

merupakan salah satu yang paling penting dielektrik bahan untuk perangkat

elektronik, seperti MLCC (Multi Layer Ceramic Capacitor). Barium titanat (BaTiO3)

mempunyai struktur kristal yang sederhana bila dibanding dengan bahan ferroelektrik

lainnya. Bahan ini sangat responsif terhadap medan listrik karena polarisabilitas yang

sangat besar dari divalen oksigennya (Jona and Shirane, 1993). Beberapa material

seperti PZT (Lead zirconate titanite), BST (Barium Stronsium Titanat) dan BZT

(Barium Zirkonium Titanat) masuk kedalam kelompok barium titanat dan memiliki

struktur yang sama yaitu struktur perovskit dari BaTiO3.

Bahan ini ditinjau dari segi penggunaannya sangat praktis karena memiliki

sifat kimia dan mekanik yang sangat stabil, mempunyai sifat ferroelektrik pada suhu

ruang sampai diatas suhu ruang karena mempunyai temperatur Curie (Tc) pada 1200C

(Yunasfi, 2002). Struktur perovskit BaTiO3 memiliki ion Oksigen (O2-

) yang terletak

pada diagonal bidang dari unit sel, ion titanium (Ti4+

) yang terletak pada diagonal

ruang dari unit sel dan ion barium (Ba2+

) terletak pada ujung tiap rusuk dari unit sel.

Struktur perovskit BaTiO3 dapat dilukiskan pada Gambar 2.3 (Jona and Shirane,

1993).

Gambar 2.3. Struktur Perovskit BaTiO3 (Jona and Shirane, 1993)


commit to user

10

Barium titanat (BaTiO3) memiliki struktur yang berbeda–beda ketika suhunya

berbeda. Perubahan struktur kristal barium titanat pada Gambar 2.4 dengan suhu di

atas 1200C memiliki struktur kristal kubik tanpa memiliki polarisasi spontan. Suhu

dari 1200C sampai dengan 5

0C memiliki struktur kristal tetragonal dan memiliki

polarisasi spontan. Dari suhu 50C sampai dengan -90

0C memiliki struktur kristal

orthorhombik dan memiliki polarisasi spontan, dan di bawah -900C memiliki struktur

kristal rhombohedral dan memiliki polarisasi spontan (Jona and Shirane, 1993).

Struktur kristal hexagonal dan struktur kristal kubik dari barium titanat mempunyai

sifat paraelektrik, sedangkan pada struktur kristal tetragonal, orthorhombik dan

rhombohedral dari barium titanat mempunyai sifat sebagai material ferroelektrik.

Gambar 2.4. Perubahan Struktur Kristal dari BaTiO3

(Jona dan Shirane ,1993)

2.4. Barium Zirkonium Titanat (BZT)

Barium Zirkonium Titanat (BZT) berpotensi menjadi alternatif pengganti yang

mungkin untuk BST dalam fabrikasi kapasitor keramik karena Zr4+

secara kimiawi

lebih stabil dari Ti4+

(Zhai, et.al., 2004). Dengan adanya Zr dalam BZT, dapat

mengetahui fase transisi ferroelektrik pada temperatur Curie (TC) untuk bentuk

bulknya (Tang, et.al., 2006). Ketika kandungan Zr kurang dari 10% Ba(ZrxTi1-x)O3


commit to user

11

menunjukkan perilaku ferroelektrik yang normal dan perubahan dielektrik yang

bersesuaian dengan struktur kubik ke tetragonal, tetragonal ke orthorhombik dan

orthorhombik ke rhombohedral telah diamati dengan baik. Peningkatan perbandingan

Zr sampai 25% dalam BZT akan muncul properti relaxor yang kuat yaitu saat bahan

mencapai konstanta dielektrik yang maksimum sehingga tidak terjadi transisi dari

fasa non polar ke polar dan suhu Curie (Tc) turun menjadi lebih rendah (Daocheng,

et.al., 2009). Ketika penambahan Zr sampai 27%, maka penggantian Zr pada Ti

menyebabkan perubahan yang besar pada respon konstanta dielektriknya (Pontes,

et.al., 2004). BZT biasanya diperoleh dengan menggantikan ion di diposisi B dengan

Zr dalam senyawa BaTiO3 dari struktur perovskit ABO3, hal ini dimungkinkan karena

ion Zr4+

memiliki ukuran ion yang lebih besar (0,087 nm) dari Ti4+

yang hanya (0,068

nm).

2.5. Metode Chemical Solution Deposition (CSD)

Chemical Solution Deposition (CSD) untuk pembuatan lapisan tipis sudah

dimulai sejak pertengahan1980-an (Schwartz, 1997). Metode Chemical Solution

Deposition (CSD) merupakan metode pembuatan lapisan tipis dengan cara

pendeposisian larutan kimia di atas subtrat, kemudian dipreparasi dengan

menggunakan spin coating pada kecepatan putaran tertentu (Aep, 2008). Keunggulan

metode Chemical Solution Deposition (CSD) yaitu stokiometrinya mudah dikontrol

dengan baik, prosedur yang mudah, membutuhkan biaya yang relatif murah dan

dilakukan pada temperatur rendah (Hikam, dkk., 2004). Metode Chemical Solution

Deposition (CSD) pada dasarnya dilakukan dengan beberapa tahap yaitu : Persiapan

larutan (proses kimia), pelapisan substrat (proses deposisi), pemberian panas (proses

termalisasi/hidrolisis 300-4000C), dan annealing (600-1100

0C) (Schwartz, 1997).

Spin coating adalah suatu metode untuk mendeposisikan lapisan tipis dengan

cara menyebarkan larutan ke atas substrat terlebih dahulu kemudian substrat diputar

dengan kecepatan konstan tertentu agar dapat diperoleh endapan lapisan tipis di atas

substrat atau metode percepatan larutan pada subtrat yang diputar. Spin coating


commit to user

12

pelapisan bahan dengan cara menyebarkan larutan keatas substrat kemudian diputar

dengan kecepatan konstan untuk memperoleh lapisan baru yang homogen melibatkan

akselerasi dari genangan cairan diatas substrat yang berputar. Beberapa parameter

yang terlibat dalam proses spin coating adalah viskositas larutan, kandungan padatan,

kecepatan angular dan waktu putar (Agung, 2008). Berikut proses spin coating :

Gambar 2.5. Metode Spin Coating

(Siti, 2007)

Proses spin coating meliputi penetesan lapisan diatas substrat, percepatan

dengan kecepatan putar, perataan dan proses pengeringan (penguapan). Proses spin

coating memuat tahapan seperti dibawah ini :

a. Penetesan larutan diatas substrat

Pada Gambar 2.6 menunjukkan proses penetesan larutan di atas substrat.

Pada bagian ini larutan dideposisikan di atas substrat, kemudian diputar dengan

kecepatan tinggi. Kecepatan putar yang digunakan adalah 4000 rpm. Kemudian

lapisan yang telah dibuat akan dikeringkan sampai pelarut pada lapisan tersebut

benar-benar sudah menguap.

Gambar 2.6. Penetesan Larutan di atas Substrat

(Luurtsema, 1997)


commit to user

13

b. Percepatan spin coating

Pada tahapan ini, setelah penetesan larutan dilakukan percepatan larutan

dengan kecepatan yang relatif tinggi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.

Kecepatan yang digunakan mengakibatkan adanya gaya sentrifugal dan turbulensi

cairan. Kecepatan yang digunakan bergantung pada sifat larutan. Waktu yang

digunakan pada percepatan ini biasanya membutuhkan waktu kira-kira 10 menit.

Gambar 2.7. Percepatan pada Spin Coating

(Luurtsema, 1997)

c. Proses perataan

Setelah melalui proses percepatan maka akan terjadi perataan larutan di atas

substrat. Perataan pada spin coating seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8

bertujuan agar lapisan tipis tidak terjadi ketebalan pada salah satu bagiannya.

Gambar 2.8. Perataan pada Spin Coating

(Luurtsema, 1997)


commit to user

14

d. Proses pengeringan

Pada tahapan pengeringan lapisan seperti pada Gambar 2.9, pelarut diserap ke

atmosfer dan sudah terbentuk lapisan tipis dengan ketebalan tertentu. Ketebalan pada

lapisan ini bergantung pada kelembaban pada substrat.

Gambar 2.9. Pengeringan Lapisan

(Luurtsema, 1997)

2.6. Karakterisasi

Agar sampel dapat didefinisikan maka dilakukan pengujian terhadap sampel

agar dapat dibedakan dengan sampel lainnya. Adapun karakterisasi yang dilakukan

meliputi XRD untuk menganalisa tingkat kristal dan SEM EDX untuk menganalisa

komposisi, morfologi, ukuran butir dan ketebalan lapisan tipis yang terbentuk.

2.6.1. X-Ray Diffraction (XRD)

Metode difraksi dimanfaatkan untuk menganalisis padatan berstruktur

kristalin atau amorf. Metode difraksi digunakan untuk meneliti ciri utama suatu

struktur, seperti parameter kisi dan tipe struktur. Selain itu juga dimanfaatkan untuk

mengetahui rincian lain seperti susunan berbagai jenis atom dalam kristal, kehadiran

cacat kristal , orientasi, ukuran subbutir dan mengetahui material yang terkandung

dalam suatu bahan dan ukuran butiran serta kerapatan fasanya.

Sinar-X adalah radiasi elektromagnetik dengan rentang panjang gelombang

kurang dari 0,01 hingga 10 nm (energinya kurang lebih dari 100 eV hingga 100KeV.

Panjang gelombang tersebut sama ordenya konstanta kisi kristal, sehingga sinar-X

sangat berguna untuk menganalisa struktur kristal. Jika sinar-X dikenai pada suatu


commit to user

15

material, maka intensitas sinar yang dihamburkan akan lebih rendah dari intensitas

sinar yang datang. Hal ini disebabkan adanya penyerapan oleh material dan juga

penghamburan oleh atom-atom dalam material tersebut. Berkas sinar yang

dihamburkan tersebut ada yang saling menghilangkan, karena fasanya berbeda dan

ada yang saling menguatkan karena fasanya sama. Berkas sinar yang saling

menguatkan itulah yang disebut sebagai berkas difraksi sinar-X. Intensitas sinar-X

terdifraksi bergantung pada berbagai faktor. Faktor-faktor yang mempengaruhi

tersebut berasal dari polarisasi sinar-X, penyerapan sinar-X, faktor geometri, posisi

dan getaran atom-atom karena adanya pengaruh temperatur (Smallman dan Bishop,

1999). Peristiwa difraksi yang terjadi pada kisi kristal, dapat dilukiskan pada gambar

2.10 berikut:

Gambar 2.10. Difraksi sinar-X pada Kristal

(Beiser, 1992)

Seberkas sinar-X pertama (I) dengan panjang gelombang λ yang mengenai

atom A pada bidang pertama dan sinar-X kedua (II) dengan panjang gelombang λ

jatuh pada kristal dengan sudut θ terhadap permukaan bidang kristal yang jaraknya

adalah d. Seberkas sinar-X pertama (I) yang mengenai atom A pada bidang pertama

dan sinar-X kedua (II) yang mengenai atom B pada bidang berikutnya mengakibatkan


commit to user

16

masing-masing atom menghambur dalam arah rambang. Sinar yang berinterferensi

saling menguatkan terjadi ketika sinar-sinar yang terdifraksi beda lintasannya sebesar

kelipatan bulat dari panjang gelombang. Difraksi akan saling menguatkan jika

terpenuhi persamaan Bragg sebagai berikut

nλ = 2dsin θ (2.3)

dengan d adalah jarak antar bidang atom dalam kristal, λ adalah panjang gelombang

sinar-X, n bilangan bulat (1,2,3,… dst) yang menyatakan orde berkas yang dihambur

dan θ adalah sudut difraksi.

2.6.2. Scanning Electron Microscopy (SEM)

SEM dikembangkan pertama kali tahun 1938 oleh Manfred von Ardenne

(ilmuwan Jerman). SEM bekerja berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada

permukaan sampel, yang selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi

gambar. SEM mempunyai karakteristik secara kualitatif karena menggunakan

elektron sebagai pengganti gelombang cahaya dan hal ini sangat berguna untuk

menentukan struktur permukaan dari sampel. Pengujian ini dapat memperoleh

informasi mengenai topografi, morfologi, komposisi dan kristalografi. Morfologi

yang diamati oleh SEM berupa bentuk, ukuran dan susunan partikel.

Prinsip kerja SEM adalah deteksi elektron yang dihamburkan oleh suatu

sampel padatan ketika ditembak oleh berkas elektron berenergi tinggi secara kontinu

yang dipercepat di dalam electromagnetic coil yang dihubungkan dengan cathode ray

tube (CRT) sehingga dihasilkan suatu informasi mengenai keadaan permukaan suatu

sampel.

Sebagai pengertian awal, mikroskop elektron scanning menggunakan

hamburan balik elektron-elektron (dengan E 30 Kv yang menggunakan energi

datang) dan elektron-elektron sekunder (E 100 Ev ) yang dipantulkan dari benda uji.

Elektron-elektron sekunder mempunyai energi yang rendah, maka elektron-elektron

tersebut dapat dibelokkan membentuk sudut dan menimbulkan bayangan topografi.


commit to user

17

Intensitas dari hamburan balik elektron-elektron sebanding dengan jumlah atom. Oleh

karena itu hal ini penting untuk menunjukkan perbedaan komposisi. Intensitas dari

elektron yang dihamburkan balik juga peka terhadap orientasi berkas sinar datang

relatif terhadap kristal. Efek ini menimbulkan perbedaan orientasi antara butir satu

dengan butir yang lain (Smallman, 1991).

Dalam analisis suatu material, SEM dapat dilengkapi dengan EDX (Energy

Dispersive X-ray), merupakan karakterisasi material menggunakan sinar-X yang

diemisikan ketika material mengalami tumbukan dengan elektron. Sinar-X di

emisikan dari transisi elektron dari lapisan kulit atom, karena itu tingkat energinya

tergantung dari tingkatan energi kulit atom. Dengan mendeteksi tingkat energi yang

dipancarkan dari sinar-X dan intensitasnya, maka dapat diketahui unsur-unsur

penyusun material dan persentase massanya.


commit to user

18

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Material Jurusan Fisika FMIPA

Universitas Sebelas Maret untuk pembuatan larutan dan pembuatan lapisan tipis.

Proses annealing dilakukan di UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika

Universitas Sebelas Maret menggunakan furnace. Lapisan tipis yang dihasilkan

selanjutnya dilakukan karakterisasi XRD yang dilakukan di Laboratorium MIPA

Terpadu Universitas Sebelas Maret dan karakterisasi SEM EDX dilakukan di PPPGL

Bandung (Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi Kelautan). Waktu

pelaksanaan penelitian ini mulai dari bulan Juli 2011 sampai Nopember 2011.

3.2. Alat dan Bahan yang Digunakan

3.2.1. Alat yang Digunakan

Alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat sintesa dan karakterisasi.

Alat-alat sintesa yang digunakan meliputi Erlenmeyer Pyrex 25ml, kertas timbang,

spatula, neraca analitik merk Mettler Toledo tipe AL204, magnetic strirrer, hot plate

merk IKA® C-MAG tipe HS 7 dan merk WiseStir tipe MSH-20D, pipet, pinset,

stopwatch, ultrasounic cleaner merk KA DA CHENG, spin coater merk Chemat

Technology tipe KW-4A, aluminum foil, pemotong substrat, furnace merk

NEYTECH Qex, kaca 25 cm x 20 cm, penggaris, tissu, selotip, masker, hair dryer.

Alat-alat untuk karakterisasi meliputi XRD merk Bruker model D8 ADVANCE,

SEM EDX merk JEOL.

3.2.2. Bahan yang Digunakan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi Barium Asetat

[Ba(CH3COO)2], Titanium Isopropoksid [Ti(C12O4H28)], Zirkonium Butoxide


commit to user

19

[Zr(O(CH2)3CH3)4], Asam Asetat (CH3COOH), Metanol, Etylene glycol. Substrat

yang digunakan adalah Pt/Si (111).

3.3. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. Alur

penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Diagram Alur Penelitian

Pembuatan Larutan

Hidrolisis

Spin coating

Karakterisasi

SEM EDX

- Morfologi dan Ukuran Butir

- Komposisi

- Ketebalan

-

Simpulan

Analisa

Annealing

Persiapan Substrat

XRD

Tingkat Kristal


commit to user

20

3.3.1. Persiapan Substrat

Substrat yang digunakan pada penelitian ini menggunakan substrat Pt/Si (111)

yang ditunjukkan pada Gambar 3.2 dengan ukuran 0,8 cm x 0,8 cm yang dipotong

menggunakan pemotong substrat. Substrat Pt/Si (111) yang telah di potong

dimasukkan kedalam wadah menggunakan pinset kemudian ditetesi metanol sampai

substrat terlihat tergenang. Selanjutnya dimasukkan ke dalam ultrasonic cleaner merk

KA DA CHENG dan digetarkan selama 5 menit. Pencucian substrat menggunakan

metanol dimaksudkan untuk menghilangkan atau membersihkan kotoran atau lemak,

seta agar tidak terkontaminasi dengan bahan lain. Selain itu, pencucian ini berguna

untuk mendapatkan daya rekat yang bagus pada waktu deposisi. Pencucian dilakukan

2 kali agar substrat yang didapatkan bersih. Proses pencucian substrat terlihat pada

Gambar 3.3. Substrat kemudian dikeringkan menggunakan hair dryer seperti pada

Gambar 3.4.

Gambar 3.2. Substrat Pt/Si (111)

Gambar 3.3. Pencucian Substrat Gambar 3.4. Pengeringan Substrat


commit to user

21

3.3.2. Pembuatan Larutan

Larutan yang dibuat adalah mempunyai molaritas 0,5 M. Pembuatan larutan

dimulai dengan penghitungan berat bahan-bahan yang dipakai yaitu : Barium Asetat

[Ba(CH3COO)2], Titanium Isopropoksid [Ti(C12O4H28)], Zirkonium Butoxide

[Zr(O(CH2)3CH3)4], Asam Asetat (CH3COOH) dan Etylene glycol. Semua bahan

yang telah dihitung kemudian dilakukan penimbangan seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 3.5. Semua bahan dicampur pada erlenmeyer diaduk di atas hot plate

magnetic stirrer WiseStir tipe MSH-20D dengan kecepatan 300 rpm agar larutan

menjadi homogen. Proses ini dapat dilihat pada Gambar 3.6 dan Gambar 3.7. Setelah

semua larutan homogen selanjutnya dipanaskan dengan suhu 900C di atas hot plate

merk IKA®

C-MAG tipe HS 7 selama 40 menit yang ditunjukkan pada Gambar 3.8.

Proses terakhir pada pembuatan larutan ini adalah menempatkan larutan ke dalam

botol kecil yang telah diberi label keterangan dengan nama tanggal pembuatan

larutan seperti pada Gambar 3.9.

Gambar 3.5. Penimbangan Bahan

Gambar 3.6. Pencampuran Bahan


commit to user

22

Gambar 3.7. Pengadukan Bahan Gambar 3.8. Pemanasan dengan hot plate

Gambar 3.9. Larutan BZT

3.3.3. Proses Spin Coating

Pada proses ini, substrat diletakkan di atas holder seperti pada Gambar 3.10

kemudian larutan diteteskan di atas substrat menggunakan pipet. Sampel diputar

dengan kecepatan 4000 rpm selama 30 menit menggunakan spin coater merk

Chemat Technology tipe KW-4A yang ditunjukkan pada Gambar 3.11.

Gambar 3.10. Penetesan Larutan Gambar 3.11. Proses Spin Coating

di atas Substrat


commit to user

23

3.3.4. Proses Hidrolisis

Pada Gambar 3.12 menunjukkan proses hidrolisis yang dilakukan pada lapisan

tipis BZT. Pada proses ini, substrat yang telah di tetesi larutan dan diputar dengan

kecepatan 4000 rpm selama 30 menit di panaskan di atas hot plate merk IKA® C-

MAG tipe HS dengan suhu 3000C selama 5 menit untuk mendapatkan variasi jumlah

lapisan yang di inginkan yaitu 3 dan 5 lapis. Lapisan pertama di dapatkan dengan cara

meneteskan larutan BZT ditas substrat kemudian di putar dengan spin coater dan

dipanaskan dengan hot plate. Untuk mendapatkan lapisan kedua dilakukan proses

yang sama yaitu sampel ditetesi larutan lagi, diputar dengan spin coater dan

dilakukan hidrolisis. Proses ini dilakukan berulang sampai didapatkan jumlah lapisan

yang diinginkan yaitu 3 dan 5 lapis, sehingga didapatkan lapisan tipis BZT dengan

jumlah lapisan 3 dan 5 lapis.

Gambar 3.12. Proses Hidrolisis dengan hot plate

3.3.5. Proses Annealing

Setelah didapatkan lapisan tipis BZT, langkah selanjutnya adalah dilakukan

proses annealing menggunakan furnace merk NEYTECH Qex seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3.13. Proses annealing dilakukan dengan cara


commit to user

24

memasukkan sampel ke dalam furnace merk NEYTECH Qex menggunakan suhu

8000C kemudian ditahan selama 3 jam (waktu tahan) dengan heating rate berbeda-

beda. Heating rate yang digunakan adalah 10C/menit, 3

0C/menit dan 5

0C/menit

untuk masing-masing variasi jumlah lapis 3 dan 5.

Gambar 3.13. Proses Annealing dengan Furnace

3.3.6. Karakterisasi

Setelah proses annealing maka sampel lapisan tipis BZT dilakukan

karakterisasi meliputi karakterisasi XRD untuk menganalisa tingkat kristal dan SEM

EDX untuk menganalisa komposisi, morfologi, ukuran butir dan ketebalan lapisan

tipis yang berupa foto dari masing-masing sampel.

3.3.6.1. X-Ray Difraction (XRD)

XRD merupakan alat karakterisasi yang dapat menghasillan sinar-X dan

digunakan untuk mengidentifikasikan tingkat kristal. XRD memberikan data-data

difraksi dan kuantitas intensitas difraksi pada sudut-sudut dari suatu bahan.Data yang

diperoleh dari XRD berupa intensitas difraksi sinar-X yang terdifraksi dan sudut-

sudut (2θ). Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal

yang memiliki orientasi tertentu. Puncak-puncak yang muncul pada pola XRD

tersebut kemudian dicocokkan dengan ICDD (International Center for Diffraction

Data). Gambar alat karakterisasi XRD ditunjukkan pada Gambar 3.14.


commit to user

25

Gambar 3.14.

Karakterisasi X-Ray Difraction (XRD) merk Bruker model D8 ADVANCE

3.3.6.2. Scanning Electron Microscopy (SEM)

Teknik SEM (Scanning Electron Microscopy) pada hakekatnya merupakan

pemeriksaan dan analisis permukaan. Gambar permukaan yang diperoleh merupakan

gambar topografi dengan segala tonjolan dan lekukan permukaan. SEM bekerja

berdasarkan prinsip scan sinar elektron pada permukaan sampel, yang

selanjutnya informasi yang didapatkan diubah menjadi gambar. SEM dapat

dipakai untuk mengetahui struktur mikro suatu material meliputi tekstur, morfologi

dan komposisi. SEM dalam penggunaannya analisis material dilengkapi dengan

Energy Dispersive X-Ray (EDX) yang dapat mengetahui komposisi persentase massa

unsur-unsur penyusun lapisan tipis BZT.

3.4. Teknik Analisa Data

Data yang dapat diperoleh pada penelitian ini berupa hasil karakterisasi dari

XRD dan SEM. Data hasil XRD ini berupa pola difraktogram yaitu 2θ vs intensitas

yang akan menunjukkan orientasi bidang tertentu. Dari puncak-puncak yang muncul,

hasilnya dibandingkan dengan ICDD (International Center for Diffraction Data).

Karakterisasi SEM yang berbentuk foto ini digunakan untuk melihat komposisi,

morfologi, ukuran butir dan ketebalan dari lapisan tipis BZT yang terbentuk. Dari


commit to user

26

karakterisasi SEM ditambah fitur EDX (Energy Dispersive X-Ray (EDX) yang dapat

mengetahui komposisi persentase massa unsur-unsur penyusun pada lapisan tipis

BZT.


commit to user

27

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pembuatan lapisan tipis BZT telah ditumbuhkan di atas substrat Pt/Si.

Lapisan tipis BZT ditumbuhkan pada suhu 8000C dengan metode sol gel yang

disiapkan dengan proses spin coating. Proses pembuatan lapisan tipis BZT

meliputi pembuatan larutan, pendeposisian di atas substrat Pt/Si dan proses

annealing. Penumbuhan lapisan tipis BZT di atas substrat Pt/Si berhasil dilakukan

menggunakan variasi heating rate yaitu 10C/menit, 3

0C/menit dan 5

0C/menit

untuk jumlah lapis 3 dan 5 lapis pada proses annealing.

Pada pembuatan lapisan tipis BZT saat pendeposisian di atas substrat Pt/Si

secara kasat mata gradasi warna tidak terlihat. Pada heating rate 10C/menit,

30C/menit dan 5

0C/menit pada jumlah lapis 3 dan 5 lapis warna tetap bening tidak

terjadi perubahan warna. Tidak terjadi gradasi warna, hal ini di karenakan larutan

yang digunakan sudah berubah warna dari bening menjadi keruh. Setelah

dilakukan proses annealing menggunakan heating rate 10C/menit untuk jumlah

lapis 3 dan 5 lapis, lapisan tipis setelah di furnace terdapat bintik-bintik warna

putih di tengah-tengah. Untuk heating rate yaitu 30C/menit dan 5

0C/menit untuk

jumlah lapis 3 dan 5 lapis, lapisan berubah menjadi kuning kecoklatan. Waktu

yang digunakan pada proses annealing, untuk heating rate10C/menit

membutuhkan waktu yang sangat lama bila dibandingkan heating rate yaitu

30C/menit dan 5

0C/menit yaitu 15 jam. Untuk heating rate 3

0C/menit total waktu

proses annealing yaitu 7 jam dan heating rate 50C/menit total waktunya hanya 5

jam 30 menit.

Lapisan tipis yang sudah dilakukan proses annealing, selanjutnya

dilakukan karakterisasi yang meliputi XRD dan SEM. Karakterisasi XRD untuk

mengetahui tingkat kristal yang terbentuk pada lapisan tipis BZT dan SEM EDX

digunakan untuk mengetahui komposisi, morfologi, ukuran butir dan ketebalan.


commit to user

28

4.1. Karakterisasi EDX (Energy Dispersive X-ray)

Komposisi penyusun lapisan tipis BZT dapat diketahui dengan karakterisasi

SEM yang dilengkapi dengan EDX (Energy Dispersive X-ray). Untuk uji

komposisi unsur-unsur penyusun lapisan tipis BZT hanya diambil sampel dengan

heating rate 30C/menit.

Tabel 4.1.

Hasil EDX (At %) Lapisan Tipis BZT untuk Heating Rate 30C/menit

Unsur

Jumlah lapis

Pt Ba Zr Ti

3 Lapis 30,78 26,07 15,78 27,37

5 Lapis 14,29 40.49 5,70 39,51

Pada Tabel 4.1 adalah unsur-unsur pembentuk lapisan tipis BZT dengan

variasi jumlah lapis pada heating rate 30C/menit. Hasil karakterisasi SEM EDX

heating rate 30C/menit 3 lapis dan 5 lapis dapat diketahui perbandingan

persentase unsur-unsur pembentuk lapisan tipis BZT. Semakin banyaknya jumlah

lapis maka komposisi unsur-unsur pembentuk lapisan tipis BZT mengalami

kenaikan pada unsur Ti dan Ba. Semakin banyak jumlah lapisan maka semakin

banyak unsur-unsur pembentuk BZT Pt/Si terdeposit di atas substrat, sehingga

meningkatkan probabilitas unsur-unsur pembentuk lapisan tipis BZT dan

menurunkan at % Pt dan Zr.

4.2. Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD)

Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) digunakan dalam

mengidentifikasikan tingkat kristal dari lapisan tipis BZT. Hasil data XRD berupa

intensitas dan sudut 2θ. Puncak-puncak yang muncul menunjukkan satu bidang

kristal yang memiliki orientasi tertentu. Puncak-puncak yang muncul dicocokkan

dengan data base ICCD (International Center for Diffraction Data) PDF #

360019 untuk mengidentifikasi lapisan tipis BZT dan PDF # 870642 untuk


commit to user

29

mengidentifikasi Pt. Alat XRD yang digunakan untuk karakterisasi pada lapisan

tipis BZT ini menggunakan XRD merk Bruker model D8 ADVANCE dengan

sumber radiasi (target) Cu dengan panjang gelombang 1,5406 Å dan rentang

scanning 200-60

0.

4.2.1. Variasi Heating Rate untuk 3 Lapis

Gambar 4.1.

Pola Difraksi Lapisan Tipis BZT Variasi Heating Rate untuk 3 Lapis

Dari Gambar 4.1 di atas menunjukkan variasi heating rate untuk 3 lapis

lapisan tipis BZT. Puncak-puncak yang muncul menunjukkan orientasi bidang

tertentu. Puncak-puncak yang telah dicocokkan dengan data base ICCD

(International Center for Diffraction Data) PDF # 360019 milik BZT, puncak-

puncak yang telah dicocokkan dan dimiliki oleh BZT antara lain pada 2θ= 210;

310; 38

0; 44

0; 50

0; 55

0. Orientasi yang dimiliki BZT yaitu bidang (001), (011),

(111), (002), (012) dan (112). Orientasi milik BZT paling tinggi pada orientasi

bidang (011) yang ditunjukkan pada Tabel 4.2.


commit to user

30

Tabel 4.2. Intensitas Lapisan Tipis BZT Variasi Heating Rate untuk 3 Lapis

Intensitas

Orientasi

Heating rate

10C/menit

Heating rate

3 0C/menit

Heating rate

5 0C/menit

(001) 4022 5853 6142

(011) 6067 8359 10772

(111) 4162 4263 5957

(002) 3625 4516 6094

(012) 2675 3591 4722

(112) 2974 3368 4973

Dari Tabel 4.2 menunjukkan pola difraksi yang sama pada setiap variasi

heating rate untuk 3 lapis. Setiap heating rate terjadi penumbuhan BZT dengan

orientasi bidang tertentu. Pada setiap heating rate, pola difraksi tidak berpengaruh

terhadap orientasi bidang tertentu yang ditunjukkan pada semua heating rate

menunjukkan orientasi bidang yang sama. Penambahan heating rate tidak

mempengaruhi perubahan sudut tetapi seiring bertambahnya heating rate

mempengaruhi besar intensitasnya yang berpengaruh pada tingkat kekristalan.

Intensitas semakin bertambah seiring kenaikan heating rate. Heating rate makin

bertambahnya maka FWHM (Full Width Half Maximum) yaitu lebar setengah

puncak maksimum semakin besar atau kurva melebar. FWHM (Full Width Half

Maximum) pada heating rate 50C/menit melebar bila dibandingkan pada heating

rate 30C/menit dan heating rate 1

0C/menit (Gambar terlampir pada Lampiran 4).

Hal ini berpengaruh terhadap ukuran kristal. Makin besar FWHM (Full Width

Half Maximum) maka makin kecil ukuran partikel.


commit to user

31

4.2.2. Variasi Heating Rate untuk 5 Lapis

Gambar 4.2.

Pola Difraksi Lapisan Tipis BZT Variasi Heating Rate untuk 5 Lapis

Gambar 4.2 menunjukkan lapisan tipis BZT variasi heating rate untuk 5

lapis, puncak-puncak yang telah dicocokkan dan dimilki oleh BZT antara lain

pada 2θ= 210; 31

0; 38

0; 44

0; 50

0; 55

0. Orientasi yang dimiliki BZT yaitu bidang

(001), (011), (111), (002), (012) dan (112). Orientasi paling tinggi berada pada

orientasi bidang (011) yang ditunjukkan pada Tabel 4.2. Variasi heating rate

untuk 5 lapis menunjukkan bahwa setiap heating rate terjadi penumbuhan BZT.

Pada setiap heating rate, pola difraksi tidak berpengaruh terhadap orientasi bidang

tertentu. Penambahan heating rate tidak mempengaruhi perubahan sudut, tetapi

mempengaruhi besarnya intesitasnya yang berpengaruh pada tingkat kekristalan.

Bertambahnya heating rate menunjukkan bertambahnya intensitas yang artinya

semakin tinggi tingkat kekristalannya. Semakin bertambahnya heating rate maka

FWHM (Full Width Half Maximum) semakin besar. Hal tersebut dapat di lihat

pada heating rate 50C/menit yang melebar bila dibandingkan pada heating rate

30C/menit dan heating rate 1

0C/menit (Gambar terlampir pada Lampiran 4). Hal

ini berpengaruh terhadap ukuran kristal. Makin besar FWHM (Full Width Half

Maximum) maka makin kecil ukuran partikel.


commit to user

32

Tabel 4.3. Intensitas Lapisan Tipis BZT Variasi Heating Rate untuk 5 Lapis

Intensitas

Orientasi

Heating rate

1 0C/menit

Heating rate

3 0C/menit

Heating rate

5 0C/menit

(001) 5588 7904 11887

(011) 10250 11843 16389

(111) 4831 7102 9516

(002) 4487 6986 9474

(012) 3520 5531 7655

(112) 4032 5819 8423

4.3. Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM)

Scanning Electron Microscopy (SEM) bekerja berdasarkan prinsip scan

sinar elektron pada permukaan sampel yang selanjutnya informasi yang

didapatkan diubah menjadi gambar. Teknik SEM pada hakekatnya merupakan

pemeriksaan dan analisis permukaan. Gambar permukaan yang diperoleh

merupakan gambar topografi dengan segala tonjolan dan lekukan permukaan.

Karakterisasi SEM EDX digunakan untuk mengetahui komposisi, morfologi,

ukuran butir dan ketebalan yang terbentuk pada lapisan tipis BZT. Untuk

mengetahui ukuran butir dan ketebalan lapisan tipis BZT dapat diketahui dengan

bantuan program Corel Draw X4.

4.3.1. Morfologi dan Ukuran Butir Lapisan Tipis

4.3.1.1. Variasi Heating Rate untuk 3 lapis

Foto SEM untuk morfologi permukaan lapisan tipis BZT dengan variasi

heating rate untuk 3 lapis seperti ditunjukkan pada Gambar 4.3. Perbesaran yang

digunakan adalah 40.000 kali.


commit to user

33

Gambar 4.3. Foto SEM Lapisan Tipis BZT Variasi Heating Rate untuk 3 Lapis

(a) 50C/menit (b) 3

0C/menit (c)1

0C/menit

Pada Gambar 4.3 (a) menunjukkan heating rate 50C/menit, morfologi

lapisan tipis terlihat cracking, ukuran butiran terlihat homogen. Rata-rata ukuran

butir didapatkan sekitar (78,2 ± 2,28) nm. Gambar 4.3 (b) menunjukkan heating

rate 30C/menit, morfologi lapisan tipis juga tidak terlihat cracking, jarak antar

butir dan ukuran butir jelas terlihat. Ukuran butir yang terbentuk seragam. Rata-

rata ukuran butir didapatkan sekitar (96,11 ± 3,01) nm. Gambar 4.3 (c)

menunjukkan heating rate 10C/menit, morfologi lapisan tipis BZT tidak terlihat

cracking, jarak antar butir dan ukuran butir jelas terlihat dan mempunyai ukuran

butir yang tidak homogen. Rata-rata ukuran butir didapatkan sekitar (146,99 ±

3,50) nm. Ukuran butir pada variasi heating rate untuk 3 lapis dapat ditunjukkan

pada Tabel 4.4.

(a) (b)

(c)


commit to user

34

Tabel 4.4. Ukuran Butir pada Variasi Heating Rate untuk 3 Lapis

Heating Rate Ukuran Butir (nm)

50C/menit (78,2 ± 2,28)

30C/menit (96,11 ± 3,01)

10C/menit (146,99 ± 3,50)

Dari Tabel 4.4 menunjukkan bahwa heating rate makin kecil atau laju

pemanasan makin kecil maka ukuran butir makin besar. Hal ini disebabkan makin

kecil heating rate, butiran-butiran tersebut mempunyai waktu untuk saling

bergabung karena proses difusi.

4.3.1.2. Variasi Heating Rate untuk 5 lapis

Foto SEM untuk morfologi permukaan lapisan tipis BZT dengan variasi

heating rate untuk 5 lapis seperti ditunjukkan pada Gambar 4.4. Perbesaran yang

digunakan adalah 40.000 kali.

(a) (b)


commit to user

35

Gambar 4.4. Foto SEM Lapisan Tipis BZT Variasi Heating Rate untuk 5 Lapis

(a) 50C/menit (b) 3

0C/menit (c)1

0C/menit

Pada Gambar 4.4 (a) heating rate 50C/menit, morfologi lapisan tipis

terlihat ada butiran hitam yang menunjukkan adanya pengotor dan teksturnya

terlihat kasar. Ukuran butir tidak dapat diukur karena ukurannya tidak homogen.

Gambar 4.4 (b) menunjukkan heating rate 30C/menit, morfologi lapisan tipis

terlihat teksturnya yang kasar. Ukuran butir nampak satu dengan yang lainnya

sehingga tidak bisa dibedakan ukuran butir. Butiran sudah menyatu karena proses

difusi antara butiran. Gambar 4.4 (c) menunjukkan heating rate 10C/menit,

morfologi lapisan tipis tidak terlihat cracking. Ukuran butir tidak dapat diukur

karena butiran sudah menyatu. Butiran putih merupakan oksida-oksida lain.

4.3.2. Ketebalan Lapisan Tipis

4.3.2.1. Variasi Jumlah Lapis pada Heating Rate 10C/menit

Hasil foto SEM tampang lintang untuk mendapatkan ketebalan lapisan tipis

BZT dengan variasi jumlah lapis pada heating rate 10C/menit ditunjukkan pada

Gambar 4.5. Perbesaran yang digunakan adalah 20.000 kali.

(c)


commit to user

36

Gambar 4.5. Tampang Lintang Lapisan Tipis BZT Variasi Jumlah Lapis

pada Heating Rate 10C/menit

(a) 3 lapis (b) 5 lapis

Pada Gambar 4.5 terlihat bahwa lapisan tipis BZT terdeposisi di atas

substrat Pt/Si. Lapisan tipis BZT terlihat disebelah kanan, disampingnya Pt dan

yang berwarna gelap adalah Si.

Program Corel Draw X4 digunakan untuk mendapatkan ketebalan lapisan

tipis BZT. Pada Tabel 4.5 adalah ketebalan lapisan tipis BZT variasi jumlah lapis

pada heating rate10C/menit. Terlihat bahwa makin banyak jumlah lapis pada

heating rate 10C/menit, ketebalan lapisan tipis semakin bertambah. Semakin

bertambahnya jumlah lapis maka unsur-unsur pembentuk lapisan tipis BZT

semakin banyak sehingga lapisan tipis menjadi tebal.

Tabel 4.5. Ketebalan Jumlah Lapis pada Heating Rate 10C/menit

Jumlah Lapis Ketebalan (nm)

3 (663,94 ± 3,56)

5 (682,04 ± 2,46)

(a) (b)


commit to user

37

4.3.2.2. Variasi Jumlah Lapis pada Heating rate 30C/menit

Hasil foto SEM tampang untuk mendapatkan ketebalan lapisan tipis BZT

dengan variasi jumlah lapis pada heating rate 30C/menit yang ditunjukkan pada

gambar 4.6. Perbesaran yang digunakan adalah 20.000 kali.









pada heating rate30C/menit. Terlihat bahwa makin banyak jumlah lapis pada

heating rate 30C/menit, ketebalan lapisan tipis semakin bertambah. Semakin

bertambahnya jumlah lapis maka unsur-unsur pembentuk lapisan tipis BZT

semakin banyak sehingga lapisan tipis menjadi tebal.

(a) (b)


commit to user

38



3 (437,74 ± 3,25)

5 (675,48 ± 3,78)

4.3.2.3. Variasi Jumlah Lapis pada Heating rate 50C/menit

Hasil foto SEM tampang lintang untuk mendapatkan ketebalan lapisan tipis

BZT dengan variasi jumlah lapis pada heating rate 50C/menit yang ditunjukkan

pada gambar 4.7. Perbesaran yang digunakan adalah 20.000 kali.









pada heating rate 50C/menit. Terlihat bahwa makin banyak jumlah lapis pada

heating rate 50C/menit, ketebalan lapisan tipis semakin bertambah. Jumlah lapis

yang semakin banyak maka semakin banyak unsur-unsur pembentuk lapisan tipis

BZT yang menjadikan lapisan tipis tersebut menjadi tebal.

(a) (b)


commit to user

39



3 (661,49 ± 4,42)

5 (2031,04± 4,08)

Dari ketebalan jumlah lapis pada variasi heating rate 10C/menit, 3

0C/menit

dan 50C/menit pada lapisan tipis BZT menunjukkan bahwa semakin banyak

jumlah lapis maka ketebalan pada lapisan tipis BZT semakin besar untuk heating

rate 30C/menit dan 5

0C/menit. Hal ini menyatakan semakin banyak unsur-unsur

pembentuk lapisan tipis BZT yang menjadikan lapisan tipis menjadi tebal.

Dari hasil pembuatan lapisan tipis BZT dengan variasi heating rate

10C/menit, 3

0C/menit dan 5

0C/menit dengan jumlah lapis 3 dan 5 lapis yang

ditumbuhkan pada suhu 8000C dengan metode sol gel yang disiapkan dengan

proses spin coating, sampel yang yang paling optimal adalah 5 lapis dengan

heating rate 30C/menit. Hal ini dilihat dari karakterisasi tingkat kekristalan,

ukuran butir dan ketebalan sampel. Pada sampel 5 lapis dengan heating rate

30C/menit dari karakerisasi XRD menunjukkan bahwa orientasi bidang yang

muncul, intensitasnya mengalami penurunan yang signifikan. Semakin

bertambahnya heating rate maka FWHM (Full Width Half Maximum) semakin

besar. Dilihat dari morfologi dan ukuran butirnya menunjukkan bahwa morfologi

sampel terlihat tidak terlihat adanya oksida-oksida lain seperti halnya pada sampel

heating rate 10C/menit dan 5

0C/menit yang terlihat ada pengotor untuk heating

rate 10C/menit dan oksida-oksida lain berwarna putih ada heating rate 5

0C/menit.

Ukuran butirnya terlihat nampak satu dengan yang lainnya. Untuk ketebalan

sampel menunjukkan bahwa semakin banyak jumlah lapis maka ketebalan lapisan

tipis bertambah.


commit to user

40

BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan, maka dapat

disimpulkan :

1. Semakin bertambahnya heating rate menunjukkan bertambahnya intensitas yang

semakin tinggi tingkat kekristalannya. Heating rate semakin kecil atau laju

pemanasan makin kecil maka ukuran butir semakin besar.

2. Semakin bertambahnya jumlah lapisan maka ketebalan lapisan tipis semakin

bertambah.

5.2. Saran

Pada penelitian ini masih ada kekurangan, maka pada penelitian selanjutnya

perlu dilakukan :

1. Setelah pembuatan larutan maka langsung dilakukan pendeposisian larutan di atas

substrat karena ketika penyimpanan larutan terlalu lama menyebabkan larutan

menjadi keruh dan mengendap.

2. Pada variasi heating rate dengan jumlah lapis tertentu, sebaiknya dilakukan

pembuatan sampel tidak hanya satu kali agar dapat dilihat perbandingan hasilnya.


commit to user

Documents

TERHADAP TINGKAT KRISTAL DAN UKURAN BUTIR ......FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Januari, 2012 perpustakaan.uns.ac.id …