Penumbuhan Lapisan Tipis Barium Titanat (BaTiO3) Doping

Strontium dan Zirkonium dengan Metode Chemical Solution

Deposition (CSD) Sebagai Material Feroelektrik

TESIS

Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister

Program Studi Ilmu Fisika

Oleh

Herlin Dien Mahmudah

S911202005

PROGRAM PASCA SARJANA

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2017

ii

iii

iv

PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLIKASI ISI TESIS

Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa :

1. Tesis yang berjudul : “PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS BARIUM

TITANAT (BaTiO3) DOPING STRONTIUM DAN ZIRKONIUM

DENGAN METODE CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION (CSD)

SEBAGAI MATERIAL FEROELEKTRIK” ini adalah karya penelitian

saya sendiri dan bebas plagiat serta tidak terdapat karya ilmiah yang pernah

diajukan oleh orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan

dalam naskah ini dan disebutkan dalam sumber acuan serta daftar pustaka.

Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini,

maka saya bersedia menerima sanksi sesuai ketentuan perundang-undangan

(Permendiknas No. 17, tahun 2010).

2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal dan forum ilmiah

lain harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dan PPs

UNS sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu

semester (enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi

dari sebagian atau keseluruhan Tesis ini, maka Prodi Ilmu Fisika PPs UNS

berhak mempublikasikannya pada jurnal ilmiah yang diterbitkan oleh Prodi

Ilmu Fisika PPs-UNS. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan

publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang

berlaku.

Surakarta, 16 Februari 2017

Mahasiswa,

Herlin Dien Mahmudah

NIM S911202005

v

Herlin Dien Mahmudah. 2017. Penumbuhan Lapisan Tipis Barium Titanat

(BaTiO3) doping Strontium dan Zirkonium dengan Metode Chemical Solution

Deposition (CSD) Sebagai Material Feroelektrik. TESIS. Pembimbing 1: Dr.

Yofentina Iriani, S.Si, M.Si, II : Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph.D.

Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret.

ABSTRAK

Lapisan Tipis Barium Titanat (BaTiO3) telahdibuat menggunakan metode

Chemical Solution Deposition (CSD) di atas substrat Pt/Si dengan memakai spin

coater. Variasi % mol doping Sr dan Zr yaitu sebesar 1%, 2%, 3%, 4% dan 5%.

Lapisan tipis BST dan BZT dikarakterisasi menggunakan X-Ray Difraction

(XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) serta pengujian kurva histerisis

menggunakan metode sawyer tower. Sudut difraksi (2θ) pada kurva XRD

bergeser ke kanan (semakin besar) seiring dengan bertambahnya % mol doping Sr

dan bergeser ke kiri (semakin besar) seiring dengan bertambahnya % mol doping

Zr. Parameter kisi BST dan BZT menggunakan penghalusan program GSAS

menunjukkan bahwa lapisan tipis BST dan BZT mempunyai struktur tetragonal.

Dari analisa SEM, seiring dengan bertambahnya variasi % mol doping Sr dan Zr

tidak mempengaruhi ketebalan, tetapi mempengaruhi ukuran butir lapisan

tipis. Lapisan tipis BST dan BZT merupakan bahan feroelektrik dimana telah

terbentuk kurva histerisis. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa lapisan tipis

BST dan BZT telah terdeposisi di atas substrat Pt/Si.

Kata Kunci : BT, BST, BZT,CSD, XRD, SEM, sawyer tower

vi

Herlin Dien Mahmudah. 2017. Growth of Barium Titanat (BaTiO3) Thin Films

Doping Strontium dan Zirconium by Chemical Solution Deposition (CSD) as

material ferroelectric.TESIS.Supervisor 1: Dr. Yofentina Iriani, S.Si, M.Si, II :

Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph.D. Program Study of Physic Science,

Postgraduate Program of Universitas Sebelas Maret.

ABSTRACT

Thin layer of Barium Titanate (BaTiO3) have been fabricated method

Chemical Solution Deposition (CSD) on the substrate Pt/Si using a spin coater.

Variation % mol dopping Sr and Zr : 1% , 2 % , 3 % , 4 % and 5 % .The BST and

BZT thin layers were characterized using X-Ray Difraction (XRD), Scanning

Electron Microscopy (SEM) and the hysteresis curve testing by sawyer

towermethods. The diffraction angle (2θ) in the XRD curve shifts to the right

(bigger) along with increasing doping mol % Sr and curve shifts to the left

(smaller) along with increasing doping mol % Zr. BST and BZT lattice parameters

using the refinement GSAS program showed that a thin layer of BST and BZT has

a tetragonal structure. From SEM analysis, along with increasing variation mol%

Sr and Zr doping does not affect the thickness, but affects the grain size of a thin

layer. BST and BZT thin layer of a ferroelectric material which has been formed

mark a hysteresis curve perfectly. The characterization results to show that a thin

layer of BST and BZT has been deposited on the substrate Pt/Si.

Keywords: BT, BST, BZT, CSD, XRD, sawyer tower

vii

MOTTO DAN PERSEMBAHAN

MOTTO:

1. Sesungguhnya bersama kesulitan ada kemudahan. (Q.S Al-Insyirah, 6)

2. Jangan sampai perencanaan dan tindakan kita, tidak lebih hebat dari

kemampuan kita untuk menunda.

3. Apapun yang dikerjakan dengan sungguh-sungguh hari ini adalah

pembentuk keberhasilan di masa depan.

PERSEMBAHAN:

Karya sederhana ini kupersembahkan untuk :

1. Kedua orang tuaku (Ibu Supartini dan Bapak Sugiyatno) (Ibu Sri Sumirah

dan Bapak Sutiman), yang selalu aku banggakan, memberikan kasih

sayangnya dengan tulus dan memberikan segala-galanya untukku.

2. Soulmateku Danang Yunianto yang selalu memotivasi dan mendoakanku.

3. Dek Hasna Syakira Andromeda dan Om Fajar terima kasih atas perhatian

dan dukungannya.

viii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillahi rabbil ’aalamiin, atas semua limpahan nikmat, rahmat dan

karunia Allah SWT, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis. Sholawat dan

salam senantiasa penulis haturkan kepada Nabi Muhammad SAW sebagai suri

tauladan umatnya.

Tesis yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan

derajatmagister sains ini berjudul “Penumbuhan Lapisan Tipis Barium Titanat

(BaTiO3) Doping Strontium dan Zirkonium dengan Metode “Chemical Solution

Deposition (CSD)” Sebagai Material Feroelektrik. Hasil dan bentuk

terselesaikannya tesis ini merupakan kebahagiaan tersendiri bagi penulis.Tesis ini

dapat terselesaikan atas bantuan berbagai pihak dengan berbagai pengalaman

berharga. Penulis mengucapkan rasa terimakasih yang mendalam kepada:

1. Ketua Program Studi Ilmu Fisika Pasca Sarjana UNS

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

memberikan berbagai pengetahuan, ilmu, motivasi, bimbingan serta saran

dalam penyusunan tesis ini.

3. Bapak Prof. Ir.Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph. D., selaku Pembimbing II.

4. Bapak, Ibu dosen serta Staff di Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana UNS.

5. Ibu dan Bapak Sugiyatno, Bapak Ibu Sutiman , Mas danang , Om fajar dan

Dek Hasna atas semua kasih sayang, kesabaran, support dan semuanya.

6. Rekan kerja Laboratorium Material: Dek Tira, Dek Nana, Dek Meisya dan Dek

Retno.

7. Hibah DIPA BLU UNS dalam hibah penelitian tim pascasarjana dengan nomor

kontrak No. 2341/UN27.10/PG/2012.

8. Semua pihak yang telah membantu dan memberi dukungan kepada penulis.

Semoga Allah SWT membalas atas semua jerih payah dan pengorbanan

yang telah diberikan, dengan balasan yang terbaik menurut-Nya.Aamiin ya Allah.

Penulis menyadari akan banyaknya kekurangan dalam penulisan tesis ini. Namun

demikian, penulis berharap semoga karya kecil ini bisa bermanfaat.

ix

DAFTAR ISI

Halaman

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

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

HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................. iii

PERNYATAAN ORISINALITAS ..................................................................... iv

ABSTRAK .......................................................................................................... v

ABSTRACT ........................................................................................................ vi

MOTTO DAN PERSEMBAHAN ...................................................................... vii

KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii

DAFTAR ISI ....................................................................................................... ix

DAFTAR TABEL ............................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xi

DAFTAR SIMBOL ............................................................................................. xii

DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xiii

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

A. Latar Belakang .................................................................................... 1

B. Perumusan Masalah ............................................................................. 2

C. Tujuan Penelitian ................................................................................. 3

D. Batasan Masalah................................................................................... 3

E. Manfaat Penelitian ............................................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 4

A. Struktur Perovskite ............................................................................... 4

B. Material Feroelektrik ............................................................................ 4

C. Barium Titanat (BaTiO3)...................................................................... 6

D. Efek Doping pada Bahan Feroelektrik ................................................ 7

E. Chemical Solution Deposition (CSD) .................................................. 8

F. X-Ray Diffraction (XRD) .................................................................... 10

G. General Structure Analysis System (GSAS) ........................................ 11

x

H. Scanning Electron Microscopy (SEM) .............................................. 12

I. Metode Sawyer-Tower ......................................................................... 13

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ....................................................... 14

A. Tempat dan Waktu Penelitian ............................................................ 14

B. Alat dan Bahan yang Digunakan.......................................................... 14

b.1. Alat-Alat yang Digunakan ........................................................... 14

b.2.Bahan-Bahan yang Digunakan ..................................................... 14

C. Metode Penelitian................................................................................. 15

c.1. Persiapan substrat ....................................................................... 16

c.2. Pembuatan Larutan ...................................................................... 16

c.3. Proses Spin Coating dan Pemanasan ........................................... 17

c.4. Proses Anneling ........................................................................... 17

D. Karakterisasi ...................................................................................... 17

d.1. X-Ray Diffraction (XRD) ........................................................... 17

d.2.Scanning Electron Microscopy (SEM) ......................................... 18

d.3. Metode Sawyer Tower (Uji Kurva Histerisis) ............................ 18

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................... 19

A. Karakterisasi Struktur Mikro................................................................ 20

B. Karakterisasi Struktur Morfologi ......................................................... 29

C. Karakterisasi Kurva Histerisis.............................................................. 33

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 38

A. Kesimpulan .......................................................................................... 38

B. Saran ..................................................................................................... 38

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 39

LAMPIRAN-LAMPIRAN .................................................................................. 42

xi

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 4.1. Ukuran Kristal Lapisan Tipis BT dan BST ........................................ 23

Tabel 4.2. Ukuran Kristal Lapisan Tipis BT dan BZT ....................................... 23

Tabel 4.3. Parameter Kisi Lapisan Tipis Ba1-ySryTiO3 ....................................... 24

Tabel 4.4. Parameter Kisi Lapisan Tipis BaZryTi1-yO3 ....................................... 25

Tabel 4.5. Ketebalan Lapisan Tipis BST dan BZT ............................................. 33

xii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Struktur Perovskite ABO3 ........................................................... 4

Gambar 2.2. Kurva Histerisis ........................................................................... 5

Gambar 2.3. Struktur Perovskite BT ............................................................... 7

Gambar 2.4. Difraksi Sinar X ........................................................................... 10

Gambar 2.5. Alat Uji Kurva Histerisis .............................................................. 13

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ............................................................... 15

Gambar 4.1. Pola Difraksi Lapisan Tipis Ba1-ySryTiO3 ................................... 20

Gambar 4.2. Pola Difraksi Lapisan Tipis BaZryTi1-yO3 ................................... 22

Gambar 4.3. Hasil Refinement dengan Program GSAS Ba1-ySryTiO3 ............. 26

Gambar 4.4. Hasil Refinement dengan Program GSAS BaZryTi1-yO3 ............. 28

Gambar 4.5. Hasil SEM Lapisan Tipis Ba1-ySryTiO3 ....................................... 29

Gambar 4.6. Hasil SEM Lapisan Tipis BaZryTi1-yO3 ....................................... 30

Gambar 4.7. Hasil cross section SEM Lapisan Tipis Ba1-ySryTiO3 ................. 31

Gambar 4.8. Hasil cross sectionSEM Lapisan Tipis BaZryTi1-yO3 .................. 32

Gambar 4.9. Uji Karakterisasi Kurva Histerisis Sampel Ba1-ySryTiO3 ............ 34

Gambar 4.10. Uji Karakterisasi Kurva Histerisis Sampel BaZryTi1-yO3 ............ 35

xiii

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

oC Suhu Derajat celcius

M Molaritas M

N Bilangan bulat (1,2,3,…)

D Jarak atom antar Kristal Meter

Λ Panjang gelombang Meter

Θ Sudut difraksi Derajat

µ Momen dipole listrik Coulomb meter

qi Muatan Coulomb

ri Jarak antar muatan Meter

P Polarisasi C/cm2

Ps Polarisasi spontan C/cm2

Pr Polarisasi remanen C/cm2

R Jari-jari atom Å

B FWHM Radian

T Ukuran Kristal Nm

χe Suseptibilitas listrik

𝜀 Permitivitas bahan dielektrik

ε0 Permitivitas bahan F/m

xiv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1 ICDD Database .............................................................................. 39

Lampiran 2 Hasil Refinement GSAS ................................................................. 40

Lampiran 3 Perhitungan Ukuran kristal ............................................................ 46