Topografl Alltar Lapisall Atom Sampel Si(lOO)Pada Scal/llillg Tunneling Microscope (STM) Untllk Karakterisasi(R. Harry ArjadJ)

TOPOGRAFI ANTAR LAPISAN ATOM SAMPEL SI(100) PADASCANNING TUNNELING ~lICROSCOPE (STM)

UNTUK KARAKTERISASI

R. Harry Arjadil, Laksmi Andri Astutj2I P3KIM . LIPI2 PPR -BATAN

Kawasan Puspiptek-Serpong Tangerang

ABSTRAK

TOPOGRAFI ANTAR LAPISAN ATOM SAM PEL Si(lOO) PADA SCANNING TUNNELING MICROSCOPE

(STM) UNTUK KARAKTERISASI. Karakterisasi bahan dapat dilakukan dengan beberapa cara, salah satunya adalah denganmenggunakan SPM ( Scanning Probe Microscope ), yang merupakan mikroskop yang menggunakan sebuah probe sebagaisensornya. Salah satu mikroskop yang merupakan keluarga SPM adalah STM (Scanning Tunneling Microscope ), yang mempunyaikemampuan untuk menghasilkan gambar topographi dari permukaan sampel terukur dalam orde ukuran atom (Atomic size ).Padatulisan ini dijelaskan tentang pengukuran permukaan bahan dari permukaan bersih (Clean Surface) Si(1 00) dengan menggunakanSTM, untuk melihat topographi antara lapisan atom dari permukaan potongan sampel. Hasil pengukuran menunjukan topographilapisan-Iapisan atom tersebut dan juga struktur kristal sebagai data untuk melakukan karakterisasi terhadap bahan tersebut.

ABSTRACT

ATOMIC LA YER TOPOGRAPHY OF Si(lOO) SAMPLE AT SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM)FOR THE PURPOSE OF CHARACTERIZATION. Material characterization can be done by several methods, one of themethod is using a SPM ( Scanning Probe Microscope ), which is a type of microscope that based on a probe sensor. One of theSPM family is a STM (Scanning Tunneling Microscope) which is has a capability to produce a topography of a surface samplematerial in an atomic size. This paper is describing the surface measurement of clean surface sample Si( I 00) material by STM, toshow the atomic layer topography of the sample cut. The measurement result shows the topography of atomic layers and the

crystal structure as a data to characterize the material sample.

Kala kunci: Karakterisasi, IImu Bahan, Scanning Tunneling Microscope

1. PENDAHULUAN.

Sifat - sifat bahan dapat ditentukan darikarakteristik bahan tersebut clanjuga dapat ditentukandari struktur kristalnya. Beberapa instrumen dapatdigunakan untuk mengetahui struktur kristal clankarakteristik bahan, salah satu instrumen yang telahdikenal clandigunakan untuk melakukan karakterisasibahan adalah Scanning Tunneling Microscope (STM).Instrumen terse but adalah sebuah mikroskop yangtermasuk dalam keluarga "Scanning Probe Microscope(SPM)", yaitu mikroskop yang menggunakan probesensor sebagai sensornya [I].

STM yang memilikijamm sensor sebagaiprobesensornya, telah digunakan selama ini oleh beberapakelompok penelitian untuk mengetahui sifat -sifat atauperubahan -perubahan struktur kristal dari suatu bahan

setelah mengalami suatu proses tertentu. Pada prosesannealing (sebagai contoh) terhadap sebuah material,maka akanterjadi perubahan strukturkristaldarimaterial

tersebut clan akan menyebabkan perubahan sifat-sifatelektrikclansifat-sifatlain dari material tersebut. Dengandemikian maka gambaI' topographi dari permukaanmaterial akan dapat digunakan clan dianalisa untukmengetahui sifat-sifat dari material. Selain untukmengetahui perubahan struktur kristalnya, topografipermukaan sampel juga dapat digunakan untukmengetahui kemumian dari material terukur, yaitukemungkinan adanya material lain yang terdepositpadanya.

Pada tulisan ini dijelaskan mengenai pengukuranpermukaan material dari permukaan bersih (cleansurface) Si(lOO) dengan menggunakan ScanningTunneling Microscope, untuk melihat topographi antarlapisan atom dari potongan sampel dengan kemiringantertentu.Tujuanpengukuranpermukaanpada kemiringantertentu tersebut yaitu untuk mengetahui perbatasanantar lapisanatom (atomic layer)pertama dengan lapisanatom selanjutnya.Posisikemiringanyang diambil adalah

245

Prosiding Pertemuan limiah IImu Pengetahuan don Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -20 Oktober 1999 ISSN 1410-2897

posisi yang diperkirakan akan menghasilkan gambartopographi yang akan menunjukan perbedaan lapisanatom pertama clanlapisan atom selanjutnya cukupjelas.Penggambaran topographi tersebut akan membantudalarnmenentukan karakteristik darimaterial yang telahmengalami suatu proses dengan mudah clanmendapatkan basil pengukuran topographi yang jelas.

TEORI PENDUKUNG.

Penelitian ini adalah untuk mengetahui strukturkristal dari material terukur setelah mengalami suatuproses, dengan demikian dapat diketahui perubahan -perubahan sifat material tersebut. Pengukuran yangdilakukan adalah dalam orde atom, sehingga permukaanterukur adalah permukaan dengan luas dalam ordenanometer kuadrat (square nanometer). Jadi dalam hatini yang perlu diperhatikan adalah luasdariprobe sensoryang umumnya berupa jarum, semakin kecil luaspen ampang jarum maka semakin teliti basilpenggarnbaran topographi permukaan tersebut. Prinsipdasar dari sistem mikroskop ini adalah pengukuran arusterowongan (tunnel current) yang timbul diantara duaelektroda yang berdekatan yang merupakan informasidari tinggi rendahnya permukaan tersebut. Prinsip dasardari kerja STM tersebut dapat diekspresikan dalampersamaan[4,5,6]:

1= [eh2H;o2;Jexp.(-2k"d)

dengan :I = arus terowongan (tunnel current)d = Jarak jarum ukur terhadap permukaan

sampelko= konstanta yang merupakan fungsi kerja

h1i=-

21!h = konstanta Planck'sA = permukaan luas sampel terukur.

Persamaan diatas menunjukkan bahwa arus terowongan(tunnel current) akan tergantung pacta permukaansarnpel terukur, clan yang terpenting adalah diakibatkanolehjarak dari ujungjarum ukur clan permukaan sarnpel.Jadi besarnya arus akan merupakan fungsi dari tinggirendah permukaan sam pel. Dengan menggunakanmetoda arus konstan maka jarum ukur akan bergerak naikturun sesuai dengan tinggi rendahnya permukaan sarnpeldengan catatan permukaan sampel terukur konstan, yaitusarna dengan permukaan ujungjarum ukur.

Jadi topographi permukaan sampel akan dapatdigambarkan sesuai dengan perubahan arus terowongan(tunnel current) yang terdeteksi clan digambarkan dalambentuk topografi permukaan.

METODOLOGI PENELITIAN DANPERCOBAAN.

Dalam penelitian ini dilakukan pengukurandengan menggunakan "Scanning TunnelingMicroscope(STM).. yang bekerjadenganmetodaaruskonstan. Metoda arus konstan adalah prinsip kerja STMyang mempertahankan agar arus terowongan (tunnelcurrent) yang timbul dijaga konstan sehingga posisijarum ukur diatas permukaan sampel mempunyai jarakrelatifyang konstan. Dengan menjaga agar jarakjarumukur terhadap permukaan konstan, maka ujung jarumukur bergerak naikturun sesuai dengan perubahan tinggirendahnya permukaan sampel terukur.

Dengan menggunakan prinsip kerja STM pactaarus konstan, percobaan tahap pertama dilakukanpengukuran permukaan sampel yang bersih (cleansurface), yaitu sampel yang telah melalui prosespembersihandenganmenggunakan "ultrasonic cleaner".Sampel tersebut merupakan sampel yang telah melaluisuatu proses pemanasan (annealing), kemudian ingindiketahui perubahan struktur kristalnya untuk dianalisaperubahan - perubahan sifat material sam pel tersebut.Disamping hal tersebut pengukuran yang dilakukanadalah untuk mengetahui kemungkinan adanya ketidakmurnhn pactamaterial sampel. Ketidak murnian yangmungkin teljadi adalah adanyadeposit material lain yangacta pacta material dasar dari sampel, selain itu jugaketidak murnian dari sampel yang diakibatkan olehadanyadepositbahan lainselamamelakukanproses,baikproses pemanasan maupun proses pembersihanpermukaan sampel sebelum dilakukan pengukuran.Kemungkinan deposit bahan lain adalah adanya bahannickel (Ni)yangdiakibatkan'olehpinsetyang digunakan,atau peralatan bantu lainnya yang digunakan selamaproses terjadi. Hal utama yang ingin diketahui daripengukuran tersebut adalah adanya perubahan strukturkristalyang terjadiclansifat-sifat laindari sampelselamaproses pemanasan terhadap sampel tersebut, dengandemikian maka akan dapat diketahui perubahan -perubahan sifat dad material dengan melakukan prosespemanasan sampel pacta temperatur tertentu untukmendapatkan sifat -sifat material yang baru.

Pacta proses yang dikenakan terhadap sebuahsampel tidak hanya mempengaruhi terhadap permukaansampel itu sendiri, akan tetapijuga akan mempengaruhipactabahan teruji secara keseluruhan. Dengan adanyahal tersebutmakaperludilakukanpengukuranpermukaansampelyang akanmenunjukanperubahan strukturkristal -yang terjadi pactabatas antara satu lapisan atom denganlapisanyang lainnya.Pengukuranyang dilakukan adalahmenggeserpermukaanukurdari sampeldengan membuatsudut kemiringandari sampelsehingga daerahukur yangmenjadi permukaan ukumya adalah pacta daerah yangmerupakanperbatasanantaralapisanatom (atomic layer)yang pertama dengan lapisan atom yang kedua. Dengandemikian maka akan dapat dilihat perubahan struktur

"AI"::

Topograji Antar Lapisan Atom Sampel Si(lOO)Pada Scanning Tunneling Microscope (STM) Untuk Karakterisasi(R. Harry Arjadi)

kristal daTi Bahan setelah mengalami proses khususnyapacta perubahan struktur kristal antar lapisan-lapisanatomnya. Gambar 1 adalah prinsip kerja penyapuan(scanning) sistem STM dengan penggeseran permukaansampel pacta sudut kemiringan tertentu.

~~.:~~~- / "\ ;;:'7'

~ 000000000

o<blo~ Lapis.. I eoOD'>OOOOOO

Lapl... ZSudUI

Kemlrlq..

a. Permukaansampelmengalami b. Permukaan sampel padapergeseran sudut padasudut posisi mendatartertentu

Gambar 1. prinsip kerja penyapuan sistem STMdengan penggeseran permukaan sampel padasudut kemiringan tertentu.

Pacta penelitian ini digunakan sampel Si(lOO)sebagai sampel yang akan diukur, daDsistem "ScanningTunneling Microscope II yang digunakan adalah STMbuatan" Omicron" dengan metoda arus konstan. Dalampengukuran yang dilakukan digunakan arus terowongan(tunnel current) sebesar:%: 1 nAp. dengan tegangan biassebesar + 1.6 volt. Seperti dijelaskan sebelumnya, pactapengukuran pertama dilakukan penyapuan (scanning)ujung jarum sensor pacta permukaan sampel yangmendatar, kemudian posisi / daerah penyapuan digesersehinggajarum ukur berada pada posisi garis Balas antarlapisan atom (step) pacta permukaan sampel terukur. Haltersebut dimaksudkan agar posisi jarum ukur berada pactaBalas antara lapisan atom (atomic layer) pertama denganlapisan atom kedua. Dengan demikian akan terlihatgambar topographi daTi lapisan - lapisan permukaansilicon tersebut.

Gambar 2. menunjukan hasil penyapuan ujungjarum ukur pactapermukaansampelbersih(cleanswface)dengan permukaan sampel yang mendatar. Gambartersebut menunjukan struktur kristal daTiBahanSi(100)denga beberapa bercak yang menunjukan adanya Bahanlain yang terdeposit pacta permukaan sampel terukur.Pacta pengukuran tersebut sampel merupakan bagianyang menerima elektron daTiujung jarum sensor, jadikondisi tersebut akan menunjukan bahwa elektron -elektron yang dipancarkan oleh ujungjarum sensor akanditerima oleh permukaan sampel. Metode tersebut dikenaldengan sebutan metode Field stage.

Pacta pengukuran kedua posisi permukaan sampeldigeser sedemikian rupa sehingga posisi ujung jarumactapacta perbatasan antara lapisan atom pertama denganlapisan kedua. Dengan demikian maka permukaan

pengukuran adalah pacta posisi dimana permukaansampel mempunyai kemiTing terhadap permukaansebelumnya,dalammenentukankemiringtersebut adalahdengan melihat basil penyapuan pacta permukaansehingga akan didapat gambar topographi yang jelas.Gambar 2 menunjukan gambar basil pengukuran STMpacta posisi permukaan dengan kemiringan tertentu.Gambar tersebut menunjukan adanya beberapa bercak -bercakyang diakibatkan adanya kerusakan daTilapisan-lapisan yang ada, juga karena adanya deposit daTi Bahanlain pacta sam pel selama terjadi proses.

Gambar 2. Permukaan sampel Si(IOO) (cleansur/ace material)

Pacta percobaan yang dilakukan, pengukuransam pel dilakukan pacta daerah ukur sebesar400 A x 400 A. Daerahini ditentukansesuai dengangambar yang dihasilkan, dengan lebih kecilnya areapengukuran maka ketelitian akan tercapai akan tetapidengan area ukur yang kecil maka kestabilan daTipengukuran sulit untuk didapat.

PEMBAHASAN.

HasHpengukuranmenunjukan bahwa topographipermukaan sampel dengan menggunakan STM akanmenunjukanstrukturkristaldaTipermukaansampel. Hasilyang ditunjukan adalah dalam ukuran atom, dengandemikianakan lebihmudah bagi para peneliti khususnyapeneliti dibidang ilmu Bahan (material science) dalammenentukan karakteristik sebuah Bahan (materia/).Terlihat adanya beberapa ketidak mumian daTiBahanterukur yang disebabkan oleh adanya deposit Bahanlainpactasampeltersebut. Pactagambarke dua terlihat bahwastrukturkristaldaTiSi(I 00) pactaperbatasanantaralapisanpertama daD lapisan kedua dapat terlihat dengan jelassehingga dapat ditentukan sifat -sifat daTi Bahan tersebut

dengan mudah. Demikian juga terlihat pacta gambartersebut bahwa pacta bagian dalam daTi sampel jugamengalami suatu ketidak murnian, yang mana haltersebut mungkinjuga daTiBahandasar sampel tersebut.Dengan demikian maka akan dapat diketahui sifat-sifatdaDkarakteristik daTiBahanyang akan digunakan.

Dengan melihat topografi yang didapat, makaakan lebihmudah dalam hal menganalisa struktur kristal

'2117

Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -20 Oktober 1999 ISSN 1410-2897

maupun karakteristik dari bahan yang diukur setelahmangalami suatu proses tertentu, seperti halnya proses"annealing".DarihasHpengukuranbanyakterlihatbercak-bercak yang ditimbulkan oleh adanya proses pemanasan

yang antara lain terjadinya pergeseran atom yang ada,sehingga struktur kristal dari bahan tersebut akanmengalamiperubahanbentuk sesuaidengan berjalannyapemanasan yang terjadi. Dari bentuk kristal dan bercakyang didapat akan terlihat bahwa acta kemungkinanbercak -bercak tersebut diakibatkan oleh adanya bahanlain yang terdeposit pacta permukaan sampel danmembentuk bercak atau cacat pacta permukaan sampeI.

Jadi dengan menggunakan sistem ini maka akandapat dilihat bentuk kristal dari suatu bahan khususnyapacta batas antara lapisan atom pertama dengan lapisanatom yang berikutnya. Hasil yang ditunjukan dalampengukuran tersebut terlihat dalam ukuran atomnya, haltersebut ditunjukan oleh adanya bentuk kristal dari bahanterse but.

Gambar 3. Topographi antar lapisan atom daripermukaan bersih (clean surface) Si(IOO)dengansudut kemiringan tertentu,

KESIMPULAN.

Topograpi permukaan antar lapisan atom yangdihasilkanoleh pengukuran dengan Scanning TunnelingMicroscope (STM), memperlihatkan adanya ketidakteraturan dari struktur kristal dari bahan teruji.Pengukuran yang dilakukan adalah pengukuranpermukaan sampel SiC100) seperti terlihat pactagambar3, tampak adanya lapisan atom dari material tersebut.

Pengukuranjuga memperlihatkanadanyabercak- bercak diantara lapisan atom yang ada, hal tersebutmenunjukkanadanya material asing lain yang terdepositpactamaterial sampeI. Gambar topograpi yang berupabercak tersebutjuga dapat menunjukanadanyakeretakanatau cacat pactamaterial, yang disebabkan oleh adanyagoresan pacta saat proses pembersihan (cleanningproses) atau proses lainnya seperti halnya prosespemanasan. Dengan didapatnya gambar topograpi antarlapisan atom tersebut, akan dapat dianalisa dan dapatdiketahui perubahan -perubahan struktur kristalmaupunkarateristik dari material setelah mengalami proses

tertentu. Data-data yang didapat dapat digunakan untukdianalisa sifat-sifat kelistrikannya seperti : hargaresista'1si dan konduktansi dari material sampeI.

Jadi dengan berkembangnya penelitian di dalampengukuran struktur kristal dari permukaan sampel, akanmeningkatkan kualitas data yang didapat. Hal tersebutakan mendukung penelitian di bidang ilmu bahan yangakan mengurangi import bahan untuk menunjang industrididalam negri.

DAFTARPUSTAKA.

[I]. G. BINNINGdan H. ROHRER,"ScanningTunnelingMicroscopy",Surfacescience,126,1983,p.236 - 244.

[2]. A.M. BARO et. aI., " Determination of surfacetopographiof biologicalspecimensat high resolutionby scanning tunneling' microscopy", Nature,315,1985,p.253-254.

[3]. R. SONNENFELD dan P.K. HANSMA, " Atomicresolutionmicroscopyin water", Science,232, 1986,p.211-213.

[4]. P.K. HANSMA dan J. TERSOFF, " ScanningTunneling Microscopy", Journal Applied Physic,61(2),1987,p.RI-R23.

[5]. A. 1. DEKKER," Solid State Physic ", 1970,Macmilan,London.

[6]. R.H. ARJADI, "Scanning Tunneling Microscopeuntuk Pengukuran Topographi dan ElektrikPropertiesdari suatubahan konduktor", PPI'KIM92,1992,p.274-283.

[7]. R.H. ARJADI dan L.A.ASTUTI,"Citra permukaansampel dari Cu/Si(lOO) pacta Scanning TunnelingMicroscope (STM) dengan polaritas sampel yangberbeda ", Prociding Pertemuan Ilmiah Sains MateriI, 1996.

?Lf.Sl