Thin Film

7/21/2019 Thin Film

http://slidepdf.com/reader/full/thin-film-56de39e7d015d 1/47

Two-Dimensional Nanostructures

(Thin Films)

Disusun untuk memenuhi Ujian Tengah Semester Matakuliah Fisika Material dan Divais

Nano Nano dengan Dosen Pengampu Prof. Dr.Eng. Khairurrijal

Disusun oleh:

Yulianto Agung Rezeki / 20215010

Kamaruddin / 20215040

Akmal Zulfi M / 20215041

MAGISTER FISIKA

SEKOLAH PASCASARJANA ITB

BANDUNG

2015

7/21/2019 Thin Film


TWO-DIMENSIONAL NANOSTRUCTURES: THIN FILMS 1

TWO-DIMENSIONAL STRUCTURES: THIN FILM

Yulianto Agung Rezeki, Kamaruddin, Akmal Zulfi M

20215010, 20215040, 20215041

[email protected], [email protected], [email protected]

Magister Fisika Institut Teknologi Bandung

5.1 Pendahuluan

Deposisi film tipis telah menjadi subjek studi intensif selama hampir se-abad, dan banyak

metode yang telah dikembangkan dan ditingkatkan. kebanyakan teknik ini telah dikembangkan

dan banyak digunakan dalam industri, yang berpengaruh besar dalam pengembangan lebih

lanjut dan perbaikan teknik deposisi. Metode pertumbuhan film pada umumnya dapat dibagi

menjadi dua kelompok yaitu: deposisi fase uap dan pertumbuhan berbasis cairan. Sebelumnya

terdiri dari, misalnya, penguapan, Molecular Beam Epitaxy (MBE), Sputtering , Chemical

Vapor Deposition (CVD), dan Atomic Layer Deposition (ALD). Contoh akhir-akhir ini adalah

deposisi endapan elektrokimia, Chemical Solution Deposition (CSD), Lapisan Langmuir-

Blodgett dan Self-assembled Monolayers (SAM). Deposisi lapisan lebih banyak melibatkan

proses heterogen termasuk reaksi kimia heterogen, evaporasi, adsorpsi dan desorpsi pada

permukaan pertumbuhan, nukleasi heterogen dan pertumbuhan permukaan. Selain itu,

sebagian deposisi film dan proses karakterisasi dilakukan dalam keadaan vakum.

5.2 Dasar Pertumbuhan Film

Pertumbuhan film tipis, karena semua transformasi fasa, melibatkan proses nukleasi dan

pertumbuhan pada substrat atau pertumbuhan permukaan. Proses nukleasi memainkan peran

yang sangat penting dalam menentukan kristalinitas dan mikrostruktur film yang dihasilkan.

Untuk deposisi film tipis dengan ketebalan di wilayah nanometer, proses nukleasi awal bahkan

lebih penting. Nukleasi dalam pembentukan Film adalah nukleasi heterogen. Ukuran dan

bentuk dari inti awalnya diasumsikan semata-mata tergantung pada perubahan volume energi

bebas Gibbs, namun dalam prakteknya, interaksi antara film dan substrat memainkan peran

yang sangat penting dalam menentukan nukleasi awal dan pertumbuhan film. Banyak

pengamatan eksperimental yang mengungkapkan bahwa ada tiga dasar model nukleasi:

1.

Islands atau Pertumbuhan Volmer-Weber

Pertumbuhan Volmer-Weber yaitu proses nukleasi awal yang terjadi karena ikatan antara

partikel pertumbuhan lebih kuat dibandingkan pada substrat. Kebanyakan keadaan ini

terjadi pada logam dengan substrat isolator, seperti halida alkali, grafit dan substrat mika

mailto:[email protected]











7/21/2019 Thin Film



menunjukkan nukleasi ini selama deposisi awal pembentukan film. Selanjutnya kumpulan-

kumpulan yang terbentuk seperti pulau bergabung dan membentuk film yang kontinu.

Gambar 1 adalah ilustrasi dari skema island.

Gambar 1 Skema island atau Volmer-Weber

2. Layer atau Pertumbuhan Frank-van der Merwe

Pertumbuhan Frank van der Merwe adalah kebalikan dari pertumbuhan Volmer-Weber, di

mana pertumbuhan partikel sama-sama terikat lebih kuat pada substrat daripada antara

setiap partikel lain. Pertumbuhan atau pembentukan lapisan pertama terjadi secara utuh

atau lengkap sebelum pembentukan lapisan selanjutnya terjadi. Salah satu contoh dari

model pertumbuhan ini adalah pertumbuhan epitaxial yaitu pertumbuhan film kristal

tunggal. Gambar 2 adalah ilustrasi dari skema layer.

Gambar 2 Skema layer of Frank-van der Merwe

3. Island-Layer atau pertumbuhan Stranski-Krastonov

Model pertumbuhan ini merupakan gabungan pertumbuhan dari pertumbuhan Volmer-

Weber dan Frank-van der Merwe. Misalnya model pertumbuhan biasanya membentuk titik

kumpul, yang dikembangkan selama pembentukan inti atau film. Gambar 3 adalah ilustrasi

skema island-layer.

Gambar 3 Skema island-layer atau Stranski-Krastonov

Bagian terpenting dalam pertumbuhan film adalah deposisi film dengan kristal tunggal baik

melalui homoepitaxy yaitu di mana dalam pembentukan film memiliki kesamaan struktur

kristal dan komposisi kimia seperti yang dari substrat, atau heteroepitaxy yaitu di mana dalam

pembentukan film memiliki kecocokan kristal yang medekati struktur seperti yang dari

substrat. Homoepitaxy adalah ekstensi sederhana dari substrat, dan dengan demikian hampir

tidak ada antarmuka antara substrat dengan film yang terbentuk dan tidak ada proses nukleasi.

Meskipun sumber pembentuk film memiliki komposisi kimia berbeda dari substrat,

pertumbuhan partikel lebih suka untuk mengikat substrat dari pada antara partikel satu sama

7/21/2019 Thin Film



lain. Karena dari perbedaan komposisi kimia, konstanta kisi dari pembentuk film kemungkinan

besar akan berbeda dari substrat.

Perlu dicatat bahwa model nukleasi tersebut dan mekanisme yang berlaku untuk pembentukan

kristal tunggal, polikristalin dan bahan penyusun amorf, dan bahan penyusun anorganik,

organik dan hibrida. Apakah bahan penyusun adalah kristal tunggal, polikristalin atau amorf,

tergantung pada kondisi pertumbuhan dan substrat. Perubahan suhu dan tingkat tumpukan pada

pertumbuhan partikel adalah dua faktor yang paling penting. Berikut ini adalah penjelasan

singkat dalam pertumbuhan kristal film. :

1. Pertumbuhan film dengan kristal tunggal yang paling sulit, membutuhkan: (i) sebuah

substrat kristal tunggal dengan kesamaan kisi yang mendekati, (ii) permukaan substrat

bersih sehingga menghindari kemungkinan terjadinya nukleasi sekunder, (iii)

pertumbuhan dengan tinggi suhu untuk memastikan mobilitas yang cukup pada

pertumbuhan partikel dan (iv) tingkat pertumbuhan pembentukan partikel yang rendah

untuk memastikan waktu yang cukup untuk difusi permukaan dan penggabungan

pertumbuhan partikel ke dalam struktur kristal dan untuk kebebasan stuktur bentuknya

sebelum kedatangan partikel pertumbuhan berikutnya.

2. Deposisi film amorf biasanya terjadi ketika (i) pertumbuhan pada suhu rendah diterapkan,

sehingga terdapat mobilitas yang cukup pada permukaan untuk pertumbuhan partikel dan

atau (ii) masuknya partikel pertumbuhan ke permukaan pertumbuhan yang sangat banyak,

sehingga partikel pertumbuhan tidak memiliki waktu yang cukup untuk menemukan lokasi

pertumbuhan dengan energi terendah.

3. Kondisi untuk pertumbuhan film polikristalin dimana kristal jatuh antara kondisi

pertumbuhan kristal tunggal dan endapan film yang bersifat amorf. Secara umum, suhu

deposisi yang cukup memastikan mobilitas permukaan partikel pertumbuhan dan

mendorong pertumbuhan partikel cukup tinggi.

Gambar 4 menunjukkan kondisi pertumbuhan untuk kristal tunggal, polikristalin, dan amorf

dari film silicon dengan metode Chemical Vapor Deposition (CVD).

7/21/2019 Thin Film



Gambar 4 Kondisi film tipis silikon penumbuhan kristal tunggal, polikristalin, dan amorf dengan CVD

5.3 Ilmu Vakum

Kebanyakan deposisi film dan pengolahananya dilakukan dalam ruang hampa. Selain itu,

hampir semua karakterisasi film dilakukan pada kondisi vakum. Banyak referensi yang dapat

dirujuk untuk memperoleh keadaan vakum, namun dalam pembahasan deposisi film tipis dan

karakterisasi beberapa konsep yang umum digunakan seperti jalan bebas rata-rata atom,

tekanan vakum dan ketergantungan pada suhu. Dalam fase gas, molekul gas terus bergerak dan

bertabrakan di antara mereka sendiri serta dengan dinding wadah. Tekanan gas adalah hasil

transfer momentum dari molekul gas ke dinding, dan juga variabel sistem yang paling banyak

dikutip dalam teknologi vakum. Itu berarti jarak yang ditempuh oleh molekul antara tabrakan

beruntun disebut jalan bebas rata-rata dan merupakan sifat penting dari gas yang tergantung

pada tekanan, diberikan oleh:

P

xmfp

3105

di manamfp adalah jalan bebas rata-rata dalam sentimeter dan P adalah tekanan dalam torr.

Ketika tekanan di bawah 10-3 torr, molekul gas dalam deposisi film khusus dan sistem

karakterisasi maka akan sangat dekat bertabrakan hanya dengan dinding dari ruang vakum,

yaitu tidak ada tabrakan antara molekul gas.

Fluks tumbukan gas pada deposisi film adalah ukuran dari frekuensi molekul gas yang

bertumbukan atau bertabrakan dengan permukaan, dan merupakan parameter yang paling

penting. Hal ini karena untuk deposisi film, hanya molekul yang bertumbukan ke permukaan

7/21/2019 Thin Film



pertumbuhan yang akan dapat berkontribusi terhahadp proses pertumbuhan. Besarnya Fluks

tersebut adalah

2/1

2210513.3

MT

P x

Dimana P adalah tekanan dalam torr, M adalah berat molekul, dan T adalah suhu. Gambar 5

menunjukkan kerapatan molekul, kecepatan tumbukan, jarak bebas rata-rata, dan waktu yang

dibutuhkan dalam pembentukan satulapisan sebagai fungsi tekanan:

Gambar 5. Ringkasan densitas molekul, incident rate, jarak rata-rata, dan formasi waktu monolayer sebagai fungsitekanan

Perlu dicatat bahwa aliran gas berbeda dengan gerak tak menentu dari tabrakan molekul gas.

Aliran gas didefinisikan sebagai gerakan bersih diarahkan gas ke sistem dan terjadi ketika ada

penurunan tekanan. Bergantung pada geometri sistem yang terlibat serta tekanan, suhu dan

jenis gas yang bersangkutan, aliran gas dapat dibagi menjadi tiga jenis: aliran molekuler, aliran

menengah dan aliran kental. Aliran molekul yang bergerak bebas terjadi pada kepadatan gas

rendah atau vakum tinggi, berarti jalan bebas antara tabrakan antarmolekul lebih besar dari

dimensi sistem dan molekul berbenturan dengan dinding sistem saja. Pada tekanan tinggi,

tabrakan antar molekul menjadi dominan sehingga ini berarti jalan bebas berkurang dan alirangas disebut sebagai jenis aliran viskos. Diantara aliran molekul bebas dan aliran viskos ada

jenis transisi yaitu aliran menengah. Aliran gas di atas dapat didefinisikan sebagai besarnya

jumlah Knudsen, Kn, diberikan oleh:

mfp

n

D K

Dimana D adalah karakteristik dimensi sistem (dalam hal ini adalah diameter pipa), danmfp

adalah jalan bebas rata-rata. Gambar 6 menunjukkan jenis aliran gas pada tabung sebagai

7/21/2019 Thin Film



fungsi dari dimensi sistem dan tekanan, serta tabel kisaran angka Knudsen sesuai dengan jenis

aliran gasnya,

Gambar 6. Daerah aliran gas dalam tabung sebagai fungsi dimensi sistem dan tekanan dan jarak bilangan Knudson

Tabel 1 Kisaran Bilangan Knudsenuntuk wilayah aliran gas

Jenis Aliran Gas Bilangan Knudsen D.P

Aliran Molekuler K n < 1 D.P < 5x10-3 cm.torr

Aliran Menengah 1 < K n < 110 5x10-3 < D.P. < 5x10-1 cm.torr

Aliran Viskos/Kental K n > 110 D.P > 5x 10-1 cm.torr

(D=karakteristik dimensi system, P Tekanan)

Aliran viskos sedikit rumit dan dapat dibagi lagi menjadi aliran laminar, aliran turbulen dan

aliran transisi. Dengan kecepatan aliran gas yang rendah, aliran laminar berlapis dimana-mana,

garis aliran paralel dapat tervisualisasikan, tidak terdapat kecepatan yang tegak lurus, dan

pencampuran dalam gas adalah hanya dengan difusi. Dalam aliran ini, kecepatannya nol pada

antarmuka gas-dinding dan secara bertahap meningkat sebagai gerakan menjauh dari

antarmuka, mencapai maksimum pada pusat ketika mengalir di dalam pipa. Perilaku aliran ini

dapat didefinisikan oleh yang disebut bilangan Reynolds (Re), yang diberikan pada aliran gas

dalam pipa:

.Re

v D

Dimana D adalah diameter pipa, v adalah kecepatan aliran, adalah massa jenis dan adalah

viskositas gas. Aliran laminar sesuai dengan Re kecil < 2100. Pada kecepatan gas yang tinggi

terjadi aliran turbulen, di mana Re > 4000 dan gas secara terus-menerus bercampur. Pada 2100

< Re < 4000, transisi dari laminar ke aliran turbulen terjadi dan disebut sebagai aliran transisi.

7/21/2019 Thin Film



Difusi adalah salah satu mekanisme perpindahan massa gas, yang juga terjadi pada cairan dan

padatan. Difusi adalah gerak atom atau molekul dari daerah yang memiliki konsentrasi lebih

tinggi ke daerah yang memiliki konsentrasi lebih rendah, sehingga meningkatkan entropi dari

sistem. Mekanisme lain adalah konveksi, proses aliran gas massal. Konveksi muncul dari

respon terhadap gravitasi, sentrifugal, medan listrik listrik dan gaya magnet. Konveksi dapat

memainkan peran penting dalam deposisi film bertekanan tinggi. Misalnya, gas panas dan

kurang padat di atas substrat maka panas akan meningkat, sedangkan gas dingin dan lebih padat

akan menggantikan kesenjangan. Situasi seperti ini sering dijumpai dalam reaktor CVD

dinding dingin.

5.4 Physical Vapor Deposition (PVD)

PVD adalah proses mentransfer partikel pertumbuhan dari sumber atau target dan partikel

pertumbuhannya pada substrat untuk membentuk film. Hasil dari proses terjadi secara otomatis

dan kebanyakan tidak melibatkan reaksi kimia. Berbagai metode ini dikembangkan untuk

menghilangkan partikel pertumbuhan dari sumber atau target. Ketebalan partikel

pertumbuhannya dapat bervariasi dari angstrom ke milimeter. Secara umum, metode ini dapat

dibagi menjadi dua kelompok yaitu: Evaporasi (penguapan) dan sputtering. Pada metode

penguapan, partikel pertumbuhan dikeluarkan dari sumber oleh heater. Sedangkan pada

sputtering, atom atau molekul yang copot dari target padat melalui pengaruh ion gas (plasma).

Setiap kelompok dapat dibagi lagi menjadi beberapa metode, tergantung pada teknik spesifik

yang diterapkan untuk mengaktifkan sumber atau target atom atau molekul dan kondisi

deposisi yang diterapkan.

5.4.1 Evaporasi (Penguapan)

Evaporasi adalah metode deposisi mungkin cukup sederhanadan telah banyak digunkana dalam

deposisi film. Meskipun pembentukan film tipis melalui metode penguapan telah dikenal

sekitar 150 tahun yang lalu, mengakuisisi berbagai aplikasi lebih dari 50 tahun ketika industri

teknik skala vakum yang telah dikembangkan. Skema sederhana dapat dilihat pada Gambar 7

berikut ini,

7/21/2019 Thin Film



Gambar 7. Kamar vakum untuk penguapan

Sistem ini terdiri dari sumber penguapan yang menguapkan bahan yang diinginkan dan substrat

terletak pada jarak yang tepat menghadap sumber penguapan dan keduanya berada dalam ruang

vakum. Substrat dapat dipanaskan atau pemberian tegangan listrik atau diputar selama deposisi.Tekanan uap yang diinginkan dari bahan sumber dapat dihasilkan dengan hanya pemanasan

sumber dengan suhu tinggi, dan konsentrasi partikel pertumbuhan dalam fase gas dapat dengan

mudah dikontrol dengan memvariasikan suhu sumber dan fluks pembawa gas. Kesetimbangan

tekanan uap dari elemen dapat diperkirakan sebagai:

C T R

H P

g

ee

ln

dimana e

H adalah panas molar penguapan, R g adalah konstanta gas, T adalah temperatur, dan

C adalah konstanta. Namun, penguapan senyawa lebih rumit, karena senyawa dapat mengalami

reaksi kimia, seperti pirolisis, dekomposisi dan disosiasi, dan Komposisi yang dihasilkan sering

berbeda dari komposisi sumber selama penguapan pada suhu yang tinggi. Laju penguapan

tergantung pada bahan yang bersangkutan:

21

2/ T mR P P N g he Aee

dimanae

adalah tingkat penguapan,e

adalah koefisien penguapan yang bervariasi antara 0

dan 1, NA adalah konstanta Avogadro, Pe adalah tekanan uap, Ph adalah tekanan hidrostatik

yang bekerja pada sumber, m adalah berat molar, R g adalah konstanta gas dan T adalah suhu.

Ketika campuran elemen atau Senyawa ini digunakan sebagai sumber untuk pertumbuhan film

kompleks, komposisi kimia dari fasa uap kemungkinan besar akan berbeda dengan sumber.

Penyesuaian komposisi atau perbandingan molar dari konstituen di sumber dapat membantu.

Namun, komposisi sumber akan berubah sebagai hasil penguapan, karena salah satu elemen

mungkin menguap jauh lebih cepat dari yang lain yang mengakibatkan penipisan pertama

elemen. Akibatnya, komposisi di fase uap akan berubah. Untuk sistem multikomponen,

7/21/2019 Thin Film



komposisi kimia film yang menguap mungkin akan berbeda dari sumber dan dengan tebal

bervariasi. Oleh karena itu pada umumnya sulit untuk partikel pertumbuhan film kompleks

yang menggunakan metode penguapan.

Deposisi film tipis dengan penguapan dilakukan pada tekanan rendah sekitar (10 -3-10-10 torr);

atom dan molekul dalam fase uap tidak bertabrakan satu sama lain di permukaan pertumbuhan,

karena jalan bebas rata-rata sangat besar dibandingkan dengan jarak sumber ke substrat. Itu

berarti perjalanan partikel dari atom atau molekul sumber ke substrat pertumbuhan langsung

di sepanjang garis pandang, dan oleh karena itu ukuran/ketebalan film yang seragam untuk area

yang luas sulit untuk diperoleh. Beberapa pengaturan khusus yang telah dikembangkan untuk

mengatasi kekurangan ini, termasuk (i) menggunakan berbagai sumber yang bukan titik

sumber, (ii) memutar substrat, (iii) kedua sumber dan substrat memuat seperti permukaan bola,

dan (iv) kombinasi dari semua di atas.

Selain penguapan sumber dengan tahan panas, teknik lain telah dikembangkan dan telah

menarik perhatian yang meningkat dan banyak diminati. Misalnya, sinar laser telah digunakan

untuk menguapkan bahan. Karakteristik penyerapan material yang akan menguap menentukan

panjang gelombang laser yang akan digunakan. Untuk mendapatkan daya tinggi, kerapatan

diperlukan dalam banyak kasus, sinar laser berdenyut pada umumnya digunakan seperti proses

pengendapan yang sering disebut sebagai ablasi laser. Ablasi Laser terbukti menjadi teknik

yang efektif untuk deposisi film kompleks termasuk oksida logam kompleks seperti film

superkonduktor dengan Tc yang tinggi. Salah satu keuntungan besar yang ablasi laser tawarkan

adalah kontrol dari komposisi uap. Pada prinsipnya, komposisi fasa uap dapat dikontrol seperti

pada sumber. Kerugian dari ablasi laser meliputi desain sistem yang kompleks, tidak selalu

mungkin untuk menemukan panjang gelombang laser untuk penguapan yang diinginkan, dan

efisiensi konversi energi yang rendah.Penguapan Berkas Elektron adalah eknik teknik lain,

tetapi terbatas untuk kasus bahwa sumber merupakan bahan elektrik konduktif. Keuntungan

dari penguapan berkas elektron termasuk berbagai tingkat penguapan dapat dikendalikan

karena kepadatan daya tinggi dan kontaminasi rendah. penguapan Arc adalah metode lain yang

umum digunakan untuk penguapan sumber konduktif.

5.4.2 Molecular beam epitaxy (MBE)

MBE dapat dianggap sebagai kasus khusus dari penguapan untuk pertumbuhan film kristal

tunggal, dengan pengontrolan penguapan yang sangat tinggi dari berbagai sumber pada

keadaan ultrahigh-vakum, biasanya sekitar 10-10

torr. Selain sistem ultrahigh vakum, MBE

7/21/2019 Thin Film



sebagian besar memiliki fungsi kemampuan karakterisasi struktural dan kimia secara realtime,

termasuk Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED), X-ray Photoelectric

Spectroscopi (XPS), Auger Electron Spectroscopy (AES). Dalam MBE, atom atau molekul

menguap dari satu atau lebih sumber yang tidak tidak berinteraksi satu sama lain dalam fasa

uap di bawah tekananseperti pada tekanan rendah. Meskipun beberapa sumber gas yang

digunakan dalam MBE, kebanyakan berkas molekul yang dihasilkan oleh pemanasan bahan

padat yang ditempatkan dalam sel sumber, yang disebut sebagai sel efusi atau sel Knudsen.

Sejumlah sel efusi yang radiatically selaras dengan substrat seperti ditunjukkan Gambar 8.

Gambar 8 Skema yang menggambarkan nomer sel efusi secara radiasi sebanding dengan substrat

Bahan-bahan sumber yang paling sering digunakan untuk suhu yang diinginkan dengan pemanasan resistif. Jalan bebas rata-rata atom atau molekul (sekitar 100 m) jauh melebihi jarak

antara sumber dan substrat (biasanya sekitar 30 cm) di dalam ruang deposisi. Atom atau

molekul ditandai pada hasil substrat kristal tunggal dalam pembentukan film yang diinginkan

secara epitaxial yakni Lingkungan yang sangat bersih, tingkat pertumbuhan yang lambat, dan

kontrol independen dari penguapan partikel sumber yang memungkinkan fabrikasi yang tepat

dari struktur nano dan Nanomaterials pada lapisan atom tunggal. Lingkungan vakum ultrahigh

memastikan tidak adanya pengotor atau kontaminasi, dan dengan demikian sebuah film yang

sangat murni dapat segera diperoleh. Penguapan dapat dikontrol dari sumber yang

memungkinkan presisi kontrol tersebut tepat secara komposisi kimia dari penyimpanan partikel

pertimbuhan pada waktu tertentu. Tingkat pertumbuhan yang lambat memastikan difusi

permukaan yang cukup dan relaksasi sehingga pembentukan cacat kristal dapat diminimalisir.

Bagian atau komponen utama dari MBE meliputi:

a. Suhu pertumbuhan yang rendah (misalnya sekitar 550 °C untuk GaAs) yang membatasi

difusi dan mempertahankan antarmuka hyperabrupt, yang sangat penting dalam fabrikasi

dua dimensi struktur nano atau struktur multilayer seperti sumur kuantum.

7/21/2019 Thin Film



b.

Tingkat pertumbuhan yang lambat yang menjamin terkontrol dengan baik pertumbuhan

dua dimensi pada tingkat pertumbuhan yang khusus dari 1 µm/ jam. Permukaan yang

sangat halus dan antarmuka dapat dicapai melalui pengendalian pertumbuhan pada tingkat

lapisan monoatomik.

c. Mekanisme pertumbuhan yang sederhana dibandingkan dengan teknik-pertumbuhan film

lainnya, teknik ini memberikan pemahaman yang lebih baik karena kemampuan individual

penguapan dapat dikendalikan dari sumber.

d.

Berbagai kemampuan analisis in situ memberikan informasi berharga untuk memahami

dan penyempurnaan dari proses yang dilakukan.

5.4.3 Sputtering

Sputtering adalah proses dimana partikel yang dikeluarkan dari bahan target yang padat karena

penembakan partikel berenergi tinggi. Ini hanya terjadi ketika energi kinetik dari partikel yang

masuk jauh lebih tinggi dari energi termal bahan target untuk mengetuk atom atau molekul

keluar dari target bahan. Berikut ini adalah ilustrasi dari sputtering,

Gambar 9 Ilustrasi sputtering

Target bertindak sebagai salah satu elektroda dan kemudian partikel pertumbuhan jatuh pada

substrat yang bertindak sebagai elektroda lain. Berbagai teknik sputtering telah banyak

dikembangkan namun dasar proses sputtering kurang lebih sama. Berikut ini adalah ilustrasi

sputtering dengan dengan prinsip sistem DC dan RF:

https://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=id&prev=search&rurl=translate.google.com&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Particle&usg=ALkJrhhrjEPx3e6WKniCbqIHLELmH3Y7DQ

https://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=id&prev=search&rurl=translate.google.com&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Particle&usg=ALkJrhhrjEPx3e6WKniCbqIHLELmH3Y7DQ

7/21/2019 Thin Film



Gambar 10 Skema gambaran prinsip sistem dc dan RF sputtering

Target dan substrat berfungsi sebagai elektroda dan saling berhadapan di ruang sputtering

khusus yang telah dirancang. Gas inert, biasanya berupa gas argon dengan tekanan sekitar 100

mTorr, diberikan ke dalam sistem sebagai pembatas/ penengah untuk memulai dan

mempertahankan keadaan. Ketika medan listrik dari beberapa kilovolt per sentimeter ataupun

tegangan DC diberikan pada elektroda, pancaran partikel dimulai dan dijaga antara pilihan

elektroda. Elektron bebas akan dipercepat oleh medan listrik dan menghasilkan energi yang

cukup untuk mengionisasi atom argon.

Kepadatan gas atau tekanan tidak harus terlalu rendah, atau elektron hanya akan bergerak ke

anoda tanpa adanya tabrakan dengan atom argon dalam fase gas. Namun, jika kepadatan gas

atau tekanan tekanan terlalu tinggi, elektron tidak akan mendapatkan energi yang cukup saat

beinteraksi dengan atom gas untuk menyebabkan ionisasi. Sehingga ion positif (Ar +) dalam

ruang dapat menyerang katoda (target sumber) dan mengakibatkan pengusiran atom netral pada

target melalui transfer momentum. Atom-atom ini melewati ruang dan partikel pertumbuhan

pada elektroda yang berlawanan (substrat dengan menumbuhkan film).

Sebagai tambahan untuk partikel pertumbuhan, yaitu atom netral, partikel bermuatan negatif

pengaruh medan listrik juga akan membombardir dan berinteraksi dengan permukaan substrat

atau film.

Untuk mengisolasi deposisi film, medan listrik alternatif diberikan untuk menghasilkan plasma

antara dua elektroda. Frekuensi RF khusus yang digunakan sekitar 5 sampai 30 MHz. Namun,

13.56 MHz telah banyak digunakan. Bagian penting pada sputtering RF adalah target bias diri

untuk potensi negatif dan berperilaku seperti target DC. Sputtering campuran unsur atau

7/21/2019 Thin Film



senyawa tidak akan menghasilkan perubahan komposisi dalam target dan dengan demikian

komposisi fase uap akan sama dengan target dan tetap sama selama deposisi. Banyak

modifikasi yang telah dilakukan untuk mengembangkan atau meningkatkan proses

pengendapan dan pembentukan hibrida dan proses PVD dimodifikasi. Sebagai contoh, medan

magnet telah diperkenalkan ke dalam proses sputtering untuk meningkatkan waktu hidup

partikel pertumbuhan dalam fase uap; sputtering seperti ini disebut sebagai Magma Magnetron

Sputtering. Gas reaktif juga telah diperkenalkan ke dalam ruang deposisi untuk membentuk

senyawa film, yang dikenal sebagai sputtering reaktif.

5.4.4 Comparison of evaporation and sputtering

Beberapa perbedaan utama antara penguapan dan sputtering secara singkat adalah sebagai

berikut:

a. Perbedaan tekanan deposisi tampak dengan jelas. Metode penguapan menggunakan

tekanan rendah biasanya berkisar antara 10-3 torr sampai 10-10 torr, sedangkan sputtering

membutuhkan tekanan yang relatif tinggi biasanya sekitar 100 torr. Atom atau molekul

dalam ruang penguapan tidak saling bertabrakan, sedangkan atom dan molekul pada

sputtering bertabrakan satu sama lain sebelum tiba di permukaan pertumbuhan.

b. Penguapan adalah proses yang dapat dijelaskan melalui kesetimbangan termodinamika,

sedangkan sputtering tidak.

c. Pertumbuhan permukaan tidak terjadi (tidak diaktifkan) pada penguapan, sedangkan

pertumbuhan permukaan pada sputtering terjadi secara terus-menerus selama pelepasan

elektron dan dengan demikian sangat reaktif.

d. Film yang diperoleh dengan penguapan terdiri dari partikel berbentuk seperti biji besar,

sedangkan pada sputtering film terdiri dari biji-bijian yang lebih kecil dengan adhesi yang

lebih baik ke substrat.

e.

Fraksinasi sistem multi-komponen merupakan tantangan serius dalam penguapan,

sedangkan komposisi target dan film bisa saja sama.

5.5 Chemical Vapor Deposition (CVD)

CVD adalah proses kimiawi untuk mereaksikan senyawa volatil (yang sangat mudah menguap)

dari bahan yang akan terdeposisi (prekursor), dengan gas-gas lain, untuk menghasilkan padatan

nonvolatil (yang sukar menguap) yang terdeposisi secara atomic pada substrat.

7/21/2019 Thin Film


7/21/2019 Thin Film



SiCl 2NO → SiO 3Cl 2N SiOCH → SiO 4CH 2HO

Dari prekursor dan reaktan yang sama, film yang berbeda dapat terdeposisi ketika

perbandingan dari reaktan dan kondisi deposisi divariasikan. Sebagai contoh, silika dan silikon

nitrida film keduanya dapat dideposisikan dari campuran Si2Cl6 dan N2O dan Gambar 11

menunjukkan taraf deposisi dari silika dan silikon nitrida sebagai fungsi dari perbandingan

reaktan dan kondisi deposisi.

Gambar 11 Taraf deposisi silika dan silikon nitrida sebagai fungsi dari perbandingan reaktan dan kondisi deposisi.

5.5.2 Reaksi kinetik

Meskipun CVD adalah proses ketidaksetimbangan yang dikendalikan oleh kinetika kimia danfenomena tansport, analisa kesetimbangan masih berguna dalam memahami proses CVD.

Reaksi kimia dan kesetimbangan fasa menentukan kelayakan suatu proses tertentu dan keadaan

akhir yang akan dicapai. Pada sistem yang diberikan, terlibat tahapan panjang dari reaksi

kompleks. Reaksi dasar jalur reaksi dan kinetika telah diteliti hanya untuk beberapa

karakteristik baik pada sistem penting industri. Reduksi klorosilan oleh hidrogen adalah contoh

untuk menggambarkan kompleksitas jalur reaksi dan keterlibatan kinetik seperti terlihat pada

sistem sederhana dan proses deposisi. Pada sistem Si – Cl – H, terdapat setidaknya delapan jenis

gas, yaitu: SiCl4, SiCl3H, SiCl2H2, SiClH3, SiH4, SiCl2, HCl, dan H2. Delapan jenis gas tersebut

7/21/2019 Thin Film



dalam keadaan setimbang di bawah kondisi deposisi teratur oleh enam persamaan

kesetimbangan kimia. Menggunakan data termodinamika yang sudah ada, komposisi fase gas

sebagai fungsi suhu reaktor untuk perbandingan satu molar dari Cl dan H sebesar 0,01 dan

tekanan total 1 atm, terhitung dan direpresentasikan pada Gambar 12

Gambar 12 Komposisi fase gas sebagai fungsi suhu reaktor untuk perbandingan satu molar dari Cl dan H sebesar

0,01 dan tekanan total 1 atm, terhitung menggunakan data termodinamik yang sudah ada.

5.5.3 Fenomena transport

Transport fenomena memainkan peranan penting dalam CVD dengan akses yang mengatur

prekursor film ke substrat dan dengan mempengaruhi tingkat yang diingankan dan tidak

diinginkan reakse fase gas yang terjadi sebelum deposisi. Geometri reaktor kompleks dan

karakteristik gradien termal besar dari ruang CVD menyebabkan berbagai struktur aliran ynagmempengaruhi ketebalan film, keseragaman komposisi, dan tingkat pengotor.

Untuk operasi rekator CVD pada tekanan rendah, di mana jarak bebas rata-rata dari molekul

gas adalah 10 kali lebih besar dibanding dengan karakteristik panjang dari reaktor, sehingga

tidak terjadi tabrakan antara molekul gas. Dengan demikian, transportasi gas terdapat dalam

aliran molekul bebas. Untuk kebanyakan sistem CVD, karakteristik tekanan 0,01 atm dan di

atasnya, dan jarak bebas rata-rata jauh lebih besar daripada karakteristik dimensi sistem. Selain

itu, kecepatan gas rendah pada kebanyakan reaktor CVD, biasanya hanya puluhan cm/s, di

mana bilangan Reynolds kurang dari 100 dalam arus laminar. Sebagai akibatnya, lapisan batas

7/21/2019 Thin Film



stagnan pada ketebalan, δ, mendekati penumbuhan permukaan selama deposisi. Dalam lapisan

batas ini, komposisi spesies tumbuh berkurang dari konsentrasi bulk nya, Pi, untuk konsentrasi

permukaan di atas film tumbuh, Pio, dan spesies tumbuh terdifusi melalui lapisan batas sebelum

terdeposi pada permukaan tumbuh seperti yang didiskusikan pada Bab 3 dan juga diilustrasikan

pada Gambar 3.6. Ketika hukum gas sempurna diterapkan pada komposisi gas pada sistem

khas CVD yang cukup encer, aliran difusi dari gas atau spesies tumbuh melalui lapisan batas

diberikan oleh persamaan berikut.

=

di mana D adalah difusivitas dan bergantung pada tekanan dan suhu.

= 0 (0

) (0)

di mana n adalah pendekatan temuan eksperimental yaitu 1,8. Jumlah D0 adalah nilai D yang

diukur pada suhu T0 (273 K) dan tekanan P0 (1 atm) standar, dan bergantung pada kombinasi

gas yang bersangkutan. Gambar 13 menunjukkan laju deposisi silikon dari empat prekursor

gas yang berbeda sebagai fungsi suhu. Gambar tersebut juga menunjukkan deposisi film silikon

menjadi kontrol difusi pada suhu substrat yang tinggi, sedangkan reaksi permukaan adalah

proses membatasi suhu substrat yang relatif rendah.

Gambar 13 Taraf deposisi silikon dari empat prekursor gas yang berbeda sebagai fungsi suhu

Ketika laju penumbuhan tinggi dan tekanan pada kamar reaktor juga tinggi, maka difusi dari

spesies tumbuh yang melalui lapisan batas dapat menjadi proses laju membatasi. Sebagaimana

diindikasikan oleh persamaan (5.31), variasi difusivitas gas berbanding terbalik dengan

tekanan dan dengan demikian aliran difusi gas melalui lapisan batas dapat ditingkatkan secara

7/21/2019 Thin Film



sederhana dengan mengurangi tekanan pada reaktor. Untuk deposisi pada area film yang luas,

penipisan spesies tumbuh atau reaktan di atas permukaan penumbuhan dapat mengakibatkan

deposisi film yang tak seragam. Untuk mengatasi ketidakseragaman deposit film, berbagai

desain reaktor telah dikembangkan untuk meningkatkan transport massa gas melalui lapisan

batas. Sebagai contoh adalah menggunakan tekanan rendah dan desain baru kamar reaktor serta

susceptor substrat baru.

5.5.4 Metode CVD

Berbagai metode CVD dan reaktor CVD telah banyak dikembangkan, bergantung pada jenis

prekursor yang digunakan, kondisi deposisi, dan bentuk-bentuk energi pada sistem untuk

mengaktifkan reaksi kimia yang diinginkan dalam deposisi film padat pada substrat. Sebagai

contoh, ketika senyawa metalorganik digunakan sebagai prekursor, kemudian disebut

MOCVD (metalorganic CVD) dan ketika plasma digunakan untuk mengaktifkan reaksi kimia,

kemudian disebut PECVD ( plasma-enhanced CVD). Modifikasi dari metode CVD juga telah

dilakukan. Beberapa diantaranya adalah low pressure CVD (LPCVD), laser-enhanced atau

assisted CVD, dan aerosol-assisted CVD (AACVD). Gambar 14 beberapa jenis reaktor CVD.

Gambar 14 Beberapa jenis reaktor CVD

Reaktor CVD umumnya dibagi menjadi dua, yaitu hot-wall dan cold-wall . Hot-wall CVD

biasanya berbentuk tabung dan pemanasnya berada di sekeliling reaktor dipisahkan dengan

elemen penghambat. Pada tipe cold-wall, substrat dipanaskan secara induksi oleh susceptor

grafit dan dinding chamber adalah udara atau air yang didinginkan. LPCVD berbeda dengan

CVD konvensional, yaitu dioperasikan dalam tekanan gas rendah ~0,5 sampai dengan 1 torr.

Tekanan rendah bertujuan untuk meningkatkan aliran massa reaktan dan produk gas yang

7/21/2019 Thin Film



melalui lapisan batas antara aliran laminar gas dan substrat. Pada proses PECVD, plasma

ditopang dalam ruang di mana reaksi simultan CVD terjadi. Biasanya, plasma sangat

digunakan dengan medan RF dengan range frekuensi mulai dari 100 kHz sampai dengan 40

MHz pada tekanan gas antara 50 mtorr dan 5 torr, atau dengan microwave dengan frekuensi

umum 2,45 GHz. Seringkali energi gelombang microwave digabungkan ke frekuensi resonansi

alami dari elektron plasma dengan adanya sebuah medan magnet statis, dan kemudian plasma

tersebut disebut dengan plasma electron cyclotron resonance (ECR). Pengenalan hasil palsma

pada banyak taraf peningkatan deposisi, sehingga memungkinkan penumbuhan film pada suhu

substrat yang relatif rendah. Gambar 15 membandingkan laju penumbuhan film polikristalin

silikon yang dideposit dengan dan tanpa peningkatan plasma. Contoh dari pembuatan thin film

menggunakan PECVD adalah pembuatan film tipis SiGe[*]. Deposisi dilakukan pada tekanan

dalam kamar deposisi sebesar 1000 mTorr, frekuensi tinggi 13,56 MHz, 15 W pada RF power,

dan suhu 350oC. Film tipis ditumbuhkan pada wafer silikon. Laju alir silane dijaga konstan pda

25 sccm dan germane bervariasi (10, 8, 4) sccm setiap 10 menit. Film tipis yang dihasilkan

merupakan polikristalin alami dengan ketebalan ~500 nm. Mengurangi laju alir germane

mengurangi tekanan parsial germane sehingga menyebabkan peluang atom Ge terdeposisi pada

permukaan film berkurang juga. Pada penelitian ini, sebenarnya dilakukan proses annealing,

tetapi tidak dibahas dalam makalah ini karena fokus makalah hanya pada sintesis material saja.

MOCVD, juga disebut organometallic vapor phase epitaxy (OMVPE) berbeda dengan proses

CVD lainnya yaitu pada sifat kimia prekursor gasnya, yaitu senyawa metalorganik.

Penumbuhan film tipis CeO2 merupakan salah satu contoh penggunaan MOCVD.[**] Film

tipis CeO2 ditumbuhkan pada substrat silikon pada temperatur 400oC di bawah tekanan reaktor

10mbar, menggunakan 0,01 M larutan [Ce(mmp)4] yang diencerkan dalam C6H12 sebagai

prekursor. Digunakan oksigen sebagai oksidan dengan laju alir dalam 100-500 sccm. Laju alir

prekursor 0,5 atau 1 gram/menit dan N2 sebagai pembawa gas dengan laju alir 1000 sccm.

Pengurangan laju alir oksidan mengurangi ketebalan dari film tipis (50 nm dari 85 nm) dan

pengurangan laju alir prekursor dari 1 sampai dengan 0,5 gram/menit sangat berpengaruh besar

terhadap ketebalan film tipis (10 nm dari 50 nm).

Laser juga dapat digunakan untuk meningkatkan atau membantu reaksi kimia atau deposisi dan

dua mekanisme yang telibat yaitu: proses pirolitik dan fotolitik. Pada proses pirolitik, laser

digunakan sebagai pemanas substrat untuk menguraikan gas di atas substrat dan meningkatkan

laju reaksi kimia, sedangkan pada proses fotolitik, foton laser diguakan untuk memisahkan

secara langsung molekul prekursor pada fase gas. AACVD dikembangkan untuk sistem di

7/21/2019 Thin Film



mana tidak ada gas prekursor yang tersedia dan tekanan uap prekursor cair dan padaat adalah

sangat rendah. Pada proses ini, prekursor cair bercampur pada bentuk tetesan cairan yang

terdispersi pada gas pembawa dan dimasukkan ke dalam ruang deposisi. Dalam ruang deposisi,

tetesan prekursor tersebut terurai, bereaksi, dan kemudian tumbuh film pada substrat.

Gambar 15 Laju penumbuhan film polikristalin silikon yang terdeposisi dengan dan tanpa peningkatan plasma

Selain penumbuhan film tipis pada substrat planar, metode CVD telah dimodivikasi dan

dikembangkan untuk deposit fase padat dari prekursor gas pada substrat yang sangat berpori

atau di dalam media yang berpori. Dua metode deposisi yang paling dikenal adalah

electrochemical vapor deposition (EVD) dan chemical vapor infiltration (CVI). EVD dapat

dieksplor untuk pembuatan film elektrolit padat gas-tight dense pada substrat berpori dan

sistem yang paling banyak dipelajari adalah pembuatan film zirkonia yttria-stabilized pada

substrat pori alumina untuk sel bahan bakar oksida padat dan membran padat. Pada proses EVD

untuk menumbuhkan film elektrolit oksida padat, pemisahan pori substrat dengan prekursor

logam dan sumber oksigen. Prekursor logam yang dipakai biasanya adalah klorida, sedagkan

uap air, oksigen, atau udara atau campuran semuanya digunakan sebagai sumber oksigen.

Awalnya, dua reaktan inter-diffuse pada pori substrat dan bereaksi satus sama lain hanya ketika

keduanya sama-sama mengendapkan oksida padat yang sesuai. Ketika kondisi deposisi yang

tepat dikontol, deposisi padatan dapat ditempatkan pada ‘pintu masuk’ pori-pori pada sisi yang

menghadap prekursor logam dan mengisi pori. Tempat endapan padatan utamanya bergantung

pada laju difusi reaktan dalam pori-pori serta konsentrasi dari reaktan dalam kamar deposisi.

Dalam kondisi deposisi yang khas, difusi molekul reaktan dalam pori berada pada wilayah

difusi Knudsen, di mana tingkat difusi akan berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari berat

molekul. Prekursor oksigen berdifusi lebih cepat dibanding prekursor logam dan akibatnya pengendapan biasanya terjadi di dekat ‘pintu masuk’ pori-pori yang menghadap ruang

7/21/2019 Thin Film



prekursor logam. Jika endapan padat berupa isolator, deposisi dengan proses CVD ini berhenti

ketika pori-pori terhubung dengan dendapan, karena tidak terjadi reaksi langsung yang

berlanjut antara kedua reaktan. Namun, untuk elektrolit padat, campuran konduktor terutama

ion-elektronik, deposisi akan cenderung dengan cara CVD, dan film dapat tumbuh pada

permukaan yang terkena secara langsung uap dari prekursor logam. Pada proses ini, oksigen

atau air tereduksii pada oksigen/antarmuka fil, dan ion oksigen tertransfer dalam film, yang

berdifusi ke arah yang berlawanan, dan bereaksi dengan prekursor logam ada antarmuka

film/antarmuka prekursor logam secara kontinyu membentuk oksida metal.

CVI melibatkan pengendapan produk padat pada media berpori, dan fokus utama dari CVI

adalah pada pengisian void dalam grafit berpori dan fobrous mats untuk membuat komposit

karbon-karbon. Berbagai teknik CVI terlah dikembangkan untuk infiltrasi substrat berpori

dengan yujuan utama untuk mempersingkat waktu dseposisi dan untuk mencaai deposisi yang

homogen pada: (a) infiltrasi isotermal dan isobaris, (b) infiltrasi gradien termal, (c) infiltrasi

gradien tekanan, (d) infiltrasi aliran terpaksa, (e) infiltrasi berdenyut, dan (f) infiltrasi

peningkatan plasma.

Berbagai macam hidrokarbon telah digunakan sebagai prekursor untuk CVI dan temperatur

khas untuk deposisi berkisar 850 s.d 1.100oC dan waktu deposisi berkisar 10-70 jam dan

cenderung lebih lama jika dibandingkan dengan penguapan dengan metode deposisi yang lain.

Waktu deposisi yang lama disebabkan oleh rendahnya reaktivitas kimia dan difusi gas dalam

media berpori. Selain itu, difusi gas akan semakin lambat seiring dengan lebih padatnya

endapan dalam substrat berpori. Sehingga untuk meningkatkan laju difusi gas digunakan

berbagai tekik, termasuk aliran terpaksa, gradien termal, dan gradien tekanan. Untuk

meningkatkan reaktivitas kimia dapat digunakan plasma. Namun, preferensial deposisi di dekat

permukaan mengakibatkan pengisian homogen. Pengisian lengkap akan menjadi sulit dan

membutuhkan waktu yang lama, karena difusi gas menjadi sangat lama pada pori-pori kecil.

5.5.5 Penumbuhan film berlian menggunakan CVD

Berlian adalah fase termodinamika metastabil pada suhu kamar, sehingga berlian sintesis yang

terbuat pada suhu tinggi di bawah tekanan tinggi dengan bantuan katalis logam transisi seperti

Ni, Fe, dan Co. Penumbuhan film berlian di bawah tekanan rendah (sama dengan atau kurang

dari 1 atm) dan suhu rendah (~800oC) bukan merupakan proses kesetimbangan secara

termodinamika dan berbeda dari proses CVD lainnya. Pembentukan berlian dari fase gas pada

tekanan rendah pada awalnya dilaporkan pada akhir 1960. Proses khas CVD pada pembentukan

7/21/2019 Thin Film



film berlian diilustrasikan pada Gambar 16. Campuran gas hidrokarbon (biasanya metana) dan

hidrogen dimasukkan ke dalam zona aktivasi ruang deposisi, di mana energi aktivasi diberikan

ke dalam campuran dan menyebabkan disosiasi kedua molekul hidrokarbon dan hidrogen

untuk membentuk radikal bebas hidrokarbon dan atom hidrogen. Banyak perbedaan skema

aktivasi efektif yang telah ditemukan dalam deposisi film berlian dan termasuk filamen panas,

RF, dan microwave plasma dan api. Setelah tiba pada permukaan penumbuhan, satu set generik

reaksi permukaan akan terjadi:

CH H ∙→ CD ∙ H

CD ∙ ∙ CH → CD CH

CD ∙ CxHy → CD CxHy

Reaksi (5.32) mengaktifkan situs permukaan dengan menghilangkan atom hidrogen

permukaan yang terkait pada atom karbon di permukaan berlian. Aktivasi permukaan situs

dengan mudah menggabungkan radikal hidrokarbon atau molekul hidrokarbon tak jenuh

(seperti C2H2) pada reaksi (5.34). Atom hidrogen konsentrasi tinggi telah terbukti menjadi

faktor kunci dalam keberhasilan penumbuhan film berlian dan atom hidrogen diyakini untuk

menghilangkan endapan grafit secara onstan pada permukaan penumbuhan berlian, untuk

memastikan penumbuhan berlian secara terus menerus. Spesies oksigen juga terbukti penting

dalam deposisi film berlian yaitu dengan pembakaran asmopheric menggunakan oksigen dan

asetilen. Bahan bakar hidrokarbon yang lain seperti etilen dan metil asetilen, semuanya dapat

digunakan sebagai prekursor untuk penumbuhan film berlian.

Gambar 16 Elemen-elemen pentinf pada proses komplek pembentukan berlian menggunakan CVD: laju reaktan

masuk ke dalam reaktor, aktivasi reaktan oleh proses termal dan plasma, reaksi dan transfort spesies ke permukaan

tumbuh, dan proses deposisi kimia permukaan berlian dan bentuk-bentuk lain dari karbon.

7/21/2019 Thin Film



5.6 Atomic layer depositi on (ALD)

Atomic layer deposition (ALD) atau deposisi lapisan atom adalah metode penumbuhan film

tipis yang unik dan sangat berbeda dengan metode deposisi film tipis lainnya. Fitur yang paling

khas dari ALD adalah memiliki sifat penumbuhan yang dapat dibatasi dengan sendirinya ( self-

limiting growth nature), setiap sekali hanya satu lapisan atom atau molekul yang dapat tumbuh.

Oleh karena itu, ALD menawarkan kemungkinan terbaik untuk mengontrol ketebalan film dan

kehalusan permukaan dengan skala nanometer atau sub-nanometer. Terdapat literatur yang

menyebut ALD dengan istilah lapisan epitaksi atom (atomic layer epitaxy - ALE), penumbuhan

lapisan atom (atomic layer growth - ALG), lapisan atomik CVD (ALCVD), dan lapisan

epitaksi molekul (molecular layer epitaxy - MLE). Dibanding dengan teknik deposisi film tipis

lainnya, ALD merupakan metode yang relatif baru dan pertama kali digunakan untuk

menumbuhkan film ZnS. ALD dapat dianggap sebagai modifikasi khusus dari deposisi uap

kimia (CVD), atau kombinasi dari fase uap self-assembly dan reaksi permukaan. Dalam proses

ALD, pertama kali permukaan diaktifkan melalui reaksi kimia. Ketika molekul prekursor

dimasukkan ke dalam ruang deposisi, prekusor bereaksi dengan spesies permukaan yang aktif

dan membentuk ikatan kimia dengan substrat. Karena antar molekul prekursor tidak bereaksi

satu sama lain, lapisan molekul yang dapat terdeposisi pada tahap ini jumlahnya tidak lebih

dari satu. Selanjutnya, monolayer molekul prekursor yang terikat kimiawi pada substrat

diaktifkan lagi melalui reaksi permukaan. Pada tahap selanjutnya, molekul prekursor yang

sama atau berbeda dimasukkan ke ruang deposisi dan bereaksi dengan diaktifkannya kembali

monolayer yang terdeposisi sebelumnya.

Gambar 17 merupakan skema yang menggambarkan proses penumbuhan film titania dengan

metode ALD. Pertama kali substrat terhidrolasi, sebelum prekursor dimasukkan, titanium

tetraklorida.

Gambar 17 Skema yang menggammbarkan reaksi utama dan tahapan proses untuk pembentukan film titania

menggunakan ALD

7/21/2019 Thin Film



Titanium tetraklorida akan bereaksi dengan gugus hidroksil permukaan melalui reaksi

kondensasi permukaan sebagai berikut.

TiCl HOMe → ClTi O Me HCl

di mana Me merupakan logam atau substrat oksida logam. Reaksi akan berhenti ketika semua

kelompok hidroksil pada permukaan bereaksi dengan titanium tetraklorida. Kemudian sisa gas

produk, HCl dan molekul prekursor dibersihkan, dan uap air kemudian dimasukkan ke sistem.

Titanium triklorida kimia terikat ke permukaan substrat dan mengalami reaksi hidrolisis

sebagai berikut.

ClTi O Me HO → HOTi O Me HCl Antar prekursor Ti yang terhidrolisis selanjutnya mengalami kondensasis untuk membentuk

ikatan Ti – O – Ti dengan reaksi sebagai berikut.

HOTi O Me HOT i O M e→ Me O TiOH O TiHO O Me HO

HCl hasil produk dan kelebihan H2O akan dibersihkan dari ruang reaksi. Satu lapisan TiO2

telah tumbuh dengan selesainya satu siklus dari reaksi kimia. Gugus hidroksil permukaan siap

untuk bereaksi dengan molekul prekursor titanium lagi pada siklus berikutnya. Dengan

mengulangi langkah di atas, lapisan TiO2 kedua dan lapisan berikutnya dapat terdeposisi

dengan pengontrolan yang sangat baik.

Pertumbuhan film ZnS merupakan contoh klasik dari pertumbuhan lain yang sering digunakan

mengilustrasikan prinsip-prinsip proses ALD. ZnCl2 dan H2S digunakan sebagai prekursor.

Langkah pertama adalah ZnCl2 yang diadsorpsi secara kimia pada substrat, dan kemudian H2S

dimasukkan (dalam ruang reaksi) agar bereaksi dengan ZnCl2 untuk membentuk monolayer

dari ZnS pada substrat dan HCl dilepaskan sebagai produk samping reaksi. Film tipis dari

berbagai bahan termasuk bahan oksida, nitrida, florida, unsur-unsur, unsur golongan II-VI,

senyawa campuran dari golongan II-VI dan III-V, pada epitaksial, polikristalin atau bentuk

amorf yang dideposisi dengan metode ALD terangkum dalam Tabel 2.

7/21/2019 Thin Film



Tabel 2 Deposisi film tipis oleh ALD

Senyawa Golongan II

s.d VI

Unsur golongan II-VI

Senyawa golongan III

s.d V

Nitrida

Oksida

Fluorida

Unsur-unsur

Others

ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnS1-xSex, CaS, SrS, BaS, SrS1-xSexCdS,

CdTe, MnTe, HgTe, Hg1-x,CdxTe, Cdl-xMnxTe

ZnS:M (M = Mn, Tb, Tm), CaS:M (M = Eu, Ce, Tb, Pb),

SrS:M (M = Ce, Tb, Pb, Mn, Cu)

GaAs, AIAs, AIP, InP, GaP, InAs, AI,Ga1-xAs, GaxInl-xAs,

GaxIn1-xP

AIN, GaN, InN, SiN,, TiN, TaN, Ta3 N5, NbN, MoN, WzN,

Ti-Si-N

Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ta2O5, Nb2O5, Y2O3, MgO, CeO2,

SiO2, La2O3, SrTiO3, BaTiO3, BixTiyOz, In2O3, In2O3:Sn,

In2O3:F, In2O3:Zr, SnO2, SnO2:Sb, ZnO, ZnO:Al, Ga2O3,

NiO, CoOx,, Yba2Cu3O7-x, LaCoO3, LaNiO3

CaF2, SrF2, ZnF2

Si, Ge, Cu, Mo, Ta, W

La2S3, PbS, In2S3, CuGaS2, SiC

Tabel 3 Persyaratan prekursor ALD

Persyaratan Komentar

Tingkat penguapan

Tanpa dekomposisi diri

Agresif dan reaksi lengkap

Tanpa proses etsa bahan

film atau substrat

Tanpa disolusi pada film

Hasil sampingan tidak

reaktif

Untuk transportasi yang efisien, batas kasar 0,1 torr berlaku

pada suhu maksimum sumber.

Dengan dekomposisi diri akan menghancurkan mekanisme

self-limiting film

Untuk memastikan penyelesaian yang cepat dari reaksi

permukaan dan waktu siklus yang sangat singkat

Kemurnian film menjadi tinggi

Reaksi fase gas tanpa masalah

Tidak bersaing jalur reaksi

Akan mencegah pertumbuhan film

Akan menghancurkan mekanisme self-limiting penumbuhan

film

Untuk menghindari korosi

7/21/2019 Thin Film



Cukup murni

Murah

Mudah untuk sintesis dan

menangani

Tidak beracun dan ramah

lingkungan

Penyerapan kembali hasil sampingan dapat mengurangi laju

penumbuhan

Untuk memenuhi persyaratan tertentu untuk setiap proses

Hal utama dalam desain yang baik pada proses ALD adalah pemilihan prekursor yang tepat.

Tabel 3 menunjukkan persyaratan-persyaratan yang harus dipenuhi oleh bahan prekursor untuk

metode ALD. Dalam perkembangannya, berbagai prekursor telah digunakan dengan metode

ALD. Misalnya, unsur seng dan sulfur yang digunakan pada eksperimen pertama kali sebagai

unsur dasar untuk menumbuhkan ZnS dengan metode ALD. Logam klorida dipelajari segera

setelah demonstrasi pertama ALD yang telah berhasil dilakukan. Senyawa logam-organik

termasuk senyawa organologam dan logam alkoksida juga sering digunakan. Untuk non-

logam, hidrida sederhana sebagian besar juga telah digunakan: H2O, H2O2, H2S, H2Se, H2Te,

NH3, N2H4, PH3, AsH3, SbH3 dan HF.

(a) (b)

Gambar 18 (a) spektrum XRD dan (b) gambar cross-section SEM pada 160 nm film Ta(Al)N(C) pada wafer

silikon berpola

Dibandingkan dengan metode fasa uap deposisi yang lain, ALD mempunyai berbagai

keuntungan terutama dalam aspek: (i) kontrol yang cukup akurat dari ketebalan. Pengontrolan

film yang cukup akurat dari ketebalan film merupakan karakter dari proses self-assembly, dan

ketebalan film dapat diatur secara digital dengan menghitung jumlah siklus reaksi, (ii) cakupan

7/21/2019 Thin Film



konformal. Cakupan konformal merupakan keadaan nyata untuk deposisi film yang bebas dari

variasi yang disebabkan oleh distribusi uap tak seragam atau suhu di area reaksi.

Gambar 18 menunjukkan spektrum XRD dan gambar SEM dari potongan melintang dari Film

Ta(Al)N(C) dengan ketebalan 160 nm di atas wafer silikon yang berpola. Film Ta(Al)N(C)

merupakan polikristalin dan menunjukkan konformalitas yang sempurna. Suhu deposisi diatur

pada 350°C dan prekursor yang digunakan adalah TaCl5, trimetilaluminium (TMA), dan NH3.

Namun, perlu dicatat bahwa keadaan cakupan konformal yang sangat baik hanya dapat dicapai

bila takaran prekursor dan waktu pulsa yang cukup untuk mencapai keadaan jenuh pada setiap

langkah di semua permukaan dan tidak terjadi dekomposisi prekursor yang meluas. ALD telah

menunjukkan kemampuan deposisi struktur multilayer atau nanolaminate yang baik. Sebagai

contoh, pada Gambar 19 menunjukkan representasi skema nanolaminate yang telah terbentuk

di atas substrat kaca dengan metode ALD.

Gambar 19 Skema yang merepresentasikan nanolaminates yang disiapkan ke dalam 5 x 5 cm2 gelas substrat

menggunakan ALD. Lapisan Al2O3 menyediakan ion barrier melawan difusi sodium dari substrat gelas soda

lemon

ALD merupakan teknik yang ditetapkan untuk tujuan menghasilkan lapisan film dengan

tampilan daerah electroluminescent yang besar, dan merupakan metode masa depan yang

memungkinan untuk menghasilkan film sangat tipis untuk perkembangan mikroelektronika.

Namun, beberapa aplikasi lain tidak dianjurkan menggunakan ALD karena penggunaan laju

deposisi yang rendah, biasanya < 0,2 nm (kurang dari setengah monolayer) per siklus. Untuk

deposisi silika, penyelesaian siklus reaksi biasanya memerlukan waktu lebih dari 1 menit.

Beberapa upaya terakhir telah diarahkan utnuk pengembangan metode deposisi ALD yang

lebih cepat. Misalnya, lapisan yang sangat konformal dari amorf silikon dioksida dan

aluminium oksida nanolaminate yang dideposisikan pada skala 12 nm atau < 32 monolayers

7/21/2019 Thin Film



per siklus, dan metode ini disebut sebagai "lapisan deposisi bolak-balik" (alternating layer

deposition).

Contoh lainnya dari metode ini adalah penumbuhan film tipis ZnO pada substrat silikon. [***]

Tahapan dari penumbuhan film tipis ZnO adalah injeksi dietilzinc, membersihkan reaktor

dengan mengalirinya dengan N2, injeksi uap air dan membersihkan reaktor kembali

menggunakan N2. Substrat dipanaskan dengan suhuh 200oC. Spektra PL pada suhu 5K sampai

dengan 80K digunakan secara terus menerus pada operasi laser He-Cd (λ = 325 nm, W = 5

mW) dan pulsa laser N2 (λ = 337 nm, W = 150 kW, τ = 10 nsec). Film tipis ZnO dihasilkan

dengan ketebalan 3,5 – 100 nm.

5.7 Superlattices

Superlattices dalam bab ini merupakan film tipis yang strukturnya terdiri dari lapisan-lapisan

kristal tunggal. Namun, perlu dicatat bahwa superlattice awalnya merupakan istilah yang

digunakan untuk menggambarkan paduan yang disusun secara homogen. Supperlattices film

komposit mampu menampilkan spektrum yang luas dari sifat konvensional serta sejumlah efek

kuantum yang menarik. Ketika kedua lapisan relatif tebal, sifat material berbentuk bulk diamati

karena ekstensi sering sinergis dari hukum campuran properti yang operatif. Namun, ketika

lapisan sangat tipis, efek kuantum muncul, karena fungsi gelombang dari pembawa muatan

dalam lapisan tipis yang berdekatan menembus hambatan dan pasangan dengan satu sama lain.

Struktur superlattice biasanya dibuat menggunakan molecular beam epitaxy (MBE), tetapi

juga dapat dibuat dengan metode CVD. Selain itu, ALD juga merupakan teknik lain yang unik

dalam pembuatan struktur superlattice. Sebagai contoh adalah deposisi superlaticce

PbTe/CdTe menggunakan electrochemical form of atomic layer deposition (E-ALD)

Superlattices organik juga dapat dibuat menggunakan teknik Langmuir-Blodgett atau dengan

self-assembly, yang akan dibahas pada bagian berikutnya. Beberapa sistem superlattice

semikonduktor tercantum dalam Tabel 4.

Tabel 4 Contoh dari sistem superlattice

Bahan film Ketidaksesuaian Metode deposisi

GaAs-AsxGa1-xAs

In1-xGaxAs-GaSb1-yAsy

GaSb-AlSb

InP-GaxIn1-xAsyP1-y

InP-In1-xGaxAs

0,16%, x = 1

0,61%

0,66%

0%, x = 0,47

MBE, MOCVD

MBE

MBE

MBE

MBE, MOCVD, LPE

7/21/2019 Thin Film



GaP-GaP1-xAsx

GaAs-GaAs1-xPx

Ge-GaAs

Si-Si1-xGex

CdTe-HgTe

MnSe-ZnSe

PbTe-Pb1-xSnxTe

1,86%

1,79%, x = 0,5

0,08%

0,92%, x = 0,22

0,75%

4,7%

0,44%, x = 0,2

MOCVD

MOCVD, CVD

MBE

MBE, CVD

MBE

MBE

CVD

Superlattice semikonduktor dapat dikategorikan ke dalam superlattice dengan komposisi dan

modulasi doping superlattice (yaitu doping periodik selektif). Fabrikasi superlattice

semikonduktor pada dasarnya merupakan sintesis yang mengendalikan struktur band gap, yang

juga dikenal sebagai band gap engireering . Gambar 20 menunjukkan gambar TEM dari

struktur superlattice InGaO3(ZnO)5

(a) (b)

Gambar 20 Struktur InGaO3(ZnO)5 (a) Skematik struktur kristak. Gambar kisi HRTEM menunjukkan

perbandingan (b dan c) cross-section gambar HRTEM dari InGaO3(ZnO)5

Sejauh ini semua metode yang dibahas adalah metode deposisi fasa uap. Film tipis juga dapat

dilakukan melalui proses kimia basah. Ada banyak metode yang dikembangkan dan

dicontohkan termasuk deposisi elektrokimia, pengolahan sol-gel, dan self-assembly. Dibanding

dengan metode deposisi vakum, metode deposisi film berbasis larutan menawarkan berbagai

keuntungan termasuk kondisi pengolahan ringan sehingga metode ini berlaku dan secara luas

digunakan untuk pembuatan film tipis dari bahan yang memiliki suhu sensitif. Kondisi

pengolahan ringan juga menghasilkan film yang bebas tegangan.

5.8. Self-assembly (Penataan Diri)

Self-asssembly (penataan diri) molecular adalah proses dimana molekul (atau bagian dari

molekul) secara sepontan membentuk formasi agregat yang semestinya tanpa intervensi dari

7/21/2019 Thin Film



manusia. Interaksi antara terjadi biasanya adalah non-kovalen. Menurut Whitsides and

Grzybowkski, self-assembly dapat didefenisikan sebagai proses dimna komponen yang sudah

ada terlebih dahulu secara otomatis terorganisir menjadi pola atau struktur tanpa bantuan

manusia.

Self-assembly juga dapat didefenisikan sebagai pengorganisasian secara spontan molekul-

molekul yang tidak teratur menjadi struktur yang teratur sebagai konsekuensi interksi lokal dan

spesifik diantara komponen-komponennya. Interksi non-kovalen yang terlibat dalam proses

self-assembly molekul melibatkan ikatan hydrogen, ikatan ionic, dan gaya Van der Waals.

Meskipun setiap reaksi tersebut relative lebih lemah dibandingkan ikatan kovalen, struktur

yang stabil dapat terbentuk karena adanya interksi kolektif dalam struktur self-assembly. Kunci

utama dalam proses self-assembly molekul adanya saling melengkapi secara kimia (chemical

complementarary) dan kesesuaian struktur (structure complementary).

Penataan diri dapat terjadi dengan komponen yang memiliki ukuran dari tingkat molekuler

sampai tingkat makroskopik, dapat terjadi apabila dilakukan pada kondisi yang sesuai.

Walaupun mayoritas mekanisme dalam self-assembly berfokus pada komponen molekuler,

namun aplikasi yang paling menarik dari proses self-assembly dapat ditemukan pada ukuran

yang lebih besar (nanometer ke mikrometer). System yang lebih besar juga memberikan control

yang lebih terhadap karakterisasi dari komponen dan interaksi antar molekul tersebut.

Self-assembly sangat menarik secara science dan penting secara teknologi karena setidaknya

empat alasan. (i) yang pertama adalah menjadi pusat penting dalma kehidupan. Satu sel

mengandung banyak sekali senyawa kompleks seperti lipit membran, protein, struktur asam

nukleat, agregasi protein, dan lainnya yang terbentuk secara karena self-assembly. (ii) yang

kedua adalah bahwa self assembly menyajikan langkah-langkah menuju berbagai variasi

material dengan struktur seperti kristal, kristal cair (liquid crystal), semi kristalin, dan polimer

dua fasa sebagai contohnya. (iii) Yang ketiga, self-assembly juga terjadi lebih besar dalam

dalam system komponen yang lebih besar dari pada molekul, dan terdapat potensial yang

sangat besar untuk digunakan pada material.(iv) yang keempat adalah self-assembly

memberikan salah satu strategi yang paling umum untuk membuat struktur dalam skala

nanometer. Jadi, self-asembly sangat penting dalam jangkauan yang sangat luas seperti kimia,

fisika, biologi, ilmu material, ilmu nano, dan untuk sector manufaktur. Terdapat potensi dari

self-assembly untuk mambangun pertukaran konsep dn teknik diantara ranah tersebut.

Prinsip self-assembly

7/21/2019 Thin Film



Konsep dari self-assembly sejarahnya datang saat mempelajari proses molekuler. Kesuksesan

dari self-assembly ditentukan dari lima karakteristik dari system.

A) Komponen

Sebuah system dari self-assembly terdapat grup molekul atau segmen dari makromolekul yang

berinteraksi satu sama lain. Molekul atau segmen makromolekuler tersebut bisa sama atau

berbeda. Interaksi tersebut terjadi dari keadaan yang memiliki keteraturan rendah (larutan atau

agregat yang belum teratua) menjadi keadaan akhir (Kristal) yang memiliki keteraturan tinggi.

B)

Interaksi

Self-assembly terjadi ketika interaksi molekul dengan molekul yang lainnya menuju

kesetimbangan dan interaksi repulsive. Generasi seperti itu secara umum bersifat lemah dan

non-kovalen (van der waals dan interaksi Coulumb, interaksi hidrofobik, dan interaksi

hydrogen) namun relative ikatan kovalen lemah(ikatan koordinasi) dapat dikenali karena

menggumpal sesuai untuk self-assembly.

C)

Reversibilitas

Untuk self-assembly dalam membentuk struktur yang akan dibentuk, assosiasi harus bersifat

reversible atau komponen dapat melakukan penyesuaian pada posisi ketika agregat terbentuk.

Kekuatan dari ikatan antar komponen dapat dibandingkan dengan gaya yang diberikan untuk

merusak ikatan tersebut. Untuk molekul, gaya diberikan dengan termal. Proses dimana

benturan antar molekul mengakibatkan kepada irreversible yang menghasilkan gelas, bukan

Kristal.

D) Lingkungan

Self-assembly dari molekul normalnya dilakukan pada larutan atau pada permukaan yang

mengakomodir pergerakan molekul. Interaksi dari komponen dengan lingkungan secara kuat

dapat memengaruh proses.

E) Transfer massa dan agisasi

Agar self-assembly dapat terjadi, molekul harus mudah bergerak atau memiliki mobilitas

tinggi. Dalam larutan, kekuatan termal menjadi bagian penting yang dibutuhkan dalam

membawa molekul untuk saling bertumbukan. Dalam system self-assembly skala nano,

mesoskopik, dan makroskopik, interaksi komponen terjadi dengan senyawa yang analog

dengan molekul. Dalam melakukan self-assembly, tantangan pertama adalah memastikan

mobilitas dari komponen, mengigat komponen tersebut lebih besar dari molekul. Gerak acak

Brown menjadi sangat irrelevant, lalu gravitasi dan gesekan menjadi sangat penting. Pilihan

dari interaksi antara komponen juga menjadi penting.

7/21/2019 Thin Film



Secara termodinamik, proses self-assembly dapat dibedakan menjadi dua system, yaiutu

equilibrium self-assembly (ESA) dan dynamic self-assembly (DySA).

a) Equilibrium self-assembly (ESA)

Pada kesetimbangan termodinamik, self-assembly menyusun komponen system menjadi

struktur dengan energy potensial rendah. Pada keadaan ESAm tidak terjadi aliran energy antara

system dengan lingkungan setelah terjadi self-assembly. ESA dapat digerakkan secara terpisah

oleh energetika dan entropi atau kombinasi keduanya. Energi yang terlibat dalam proses ESA

meliputi ikatan hydrogen, gaya van der waals serta gaya elektrostatik. Sementara itu ESA yang

digerakkan oleh entropi lebih sering terjadi pada system yang memiliki muatan elektrostatik

sejenis. Meskipun memiliki gaya tolak akibat muatan yang sama, molekul dapat melakukan

self-assembly karena perubhan entropi system bernilai positif.

Gambar 21 Ilustrasi efek entropi pada self-assembly

Terlihat pada Gambar 21, dimana merupakan ilustrasi efek entropi yang mendorong terjadinya

self-assembly. Entropi sebelum self-assembly lebih rendah dibandingkan setelah terjadinya

self-assembly kerena sebelum self-assembly (meskipun terlihat lebih tidak teratur) derajat

kebebasan rotasi dan traslasi tidak sebebas setelah proses self-assembly. Setelah self-assembly,

molekul memiliki kemampuan untukberdifusi lebih bebas dalam struktur self-assembly.

b) Dynamic self-assembly (DySA)

Struktur self-assembly pada kondisi ESA dibatasi oleh karakternya yang statis. Pada system

biologi terdapat banyak struktur self-assembly yang dapat merespon perubahan yang terjadi

terhadap lingkungannya. Untuk dapat melakukan self-assembly, self-replicate dan respon

terhadap stimulus eksternal, system biologi harus membebaskan dirinya dari ESA membentuk

keadaan meta stabil yang bergantung pada pasokan energy dari luar. Hingga saat ini teori

mengenai DySA masih terus dikembangkan, namun kesimpulan yang dapat disampaikan dari

sejumlah laporan penelitian yang ada adalah DySA memiliki nilai lebih dibandingkan ESA,

karena DySA merupakan satu-satunya jenis self-assembly yang dapat digunakan untuk

membuat “material cerdas”, yang dapat beradaptasi mengubah struktur internal. Gambar 22

memperlihatkan perbedaan antara system ESA dan DySA.

7/21/2019 Thin Film



Gambar 22 skema perbedaan ESA dan DySA

Penyusunan monolayers secara self-assembly dari perakitan molekul terbentuk secara spontan

dengan perendaman substrat (yang diinginkan) ke dalam larutan surfaktan aktif dalam pelarut

organik. Tipikal perakitan molekul surfaktan secara self-assembly dapat dibagi menjadi tiga

bagian sebagaimana ditunjukkan sketsa pada Gambar 23.

Gambar 23. Tipikal perakitan molekul surfaktan secara self-assembly

Bagian pertama adalah kelompok kepala yang berperan dalam proses eksotermik, yaitu adsorbs

chemisorption pada permukaan substrat. Interaksi antara molekul dengan substrat yang sangat

kuat akibat kesesuaian dari kelompok kepala ke situs tertentu di permukaan secara ikatan

kimia, seperti ikatan kovalen antara Si dengan O dan ikatan antara S dengan Au, dan ikatan

antara ion – CO2 – dengan Ag+. Bagian kedua merupakan rantai alkil, dan energi eksotermis

terkait denganinteraksi ikatan berantai van der Waalyang nilai chemisorption-nya lebih kecil

dari kelompok kepala pada substrat. Bagian molekul ketiga berfungsi sebagai terminal; bagian

fungsional di atas permukaan SA monolayers merupakan ketidak-teratur secara termal pada

suhu kamar. Proses yang paling penting dalam self-assembly adalah chemisorption, dan energi

yang terkait bernilai puluhan kkal/mol (misalnya; ~ 40 – 45 kkal/mol untuk tiolat di atas emas).

Sebagai hasil dari interaksi antara kelompok kepala eksotermis dengan substrat, molekul

mencoba untuk menempati setiap situs (dengan interaksi saling mengikat) yang tersedia di

permukaan dan molekul yang teradsorpsi dapat menyebar sepanjang permukaan. Secara

7/21/2019 Thin Film



umum, SA monolayers dianggap mengatur dan menata secara teratur assemblei molekul yang

memiliki struktur seperti kristal dua dimensi, meskipun terdapat banyak cacat.

Gaya yang bekerja pada self-assembly meliputi: gaya elektrostatik, hidrofobisitas dan

hidrofobik, gaya kapiler dan chemisorption. Ada beberapa jenis metode self-assembly untuk

monolayers organik dan ini termasuk (i) organo-silicon pada permukaan hydroxylated, seperti

SiO2 pada Si, Al2O3 pada Al, kaca, dll, (ii) alkanethiols pada emas, perak dan tembaga, (iii)

sulfida dialkil pada emas, (iv) disulfida dialkil pada emas, (v) alkohol dan amina pada platinum,

(vi) dan asam karboksilat pada aluminium oksida dan perak.

Cara lain untuk mengelompokkan metode self-assembly dapat didasarkan pada jenis ikatan

kimia terbentuk antara kelompok kepala dan substrat. (i) ikatan kovalen Si – Oantara organo-

silicon pada substrat hydroxylated yang mencakup logam dan oksida, (ii) ikatan kovalen polar

S – Me antara alkanethiols, sulfida dengan logam mulia seperti emas, perak, platinum dan

tembaga, (iii) dan ikatan ion antara asam karboksilat, amina, alkohol pada logam atau substrat

senyawa ionik.

Salah satu hal terpenting dari penerapan self-assembly yang telah dipelajari secara ekstensif

adalah pengenalan untuk berbagai fungsi yang diinginkan dan sifat kimia permukaan untuk

bahan anorganik. Dalam sintesis dan fabrikasi Nanomaterials dan struktur nano, terutama

struktur core-shell, self-assembled monolayers organik banyak digunakan untuk

menghubungkan (memanfaatkan sifat) bahan yang berbeda secara bersama-sama.

5.9. Langmuir-Blodgett Films

Langmuir-Blodget adalah salah satu pendekatan dalam menyusun molekul dalam bentuk thin

film monolapis. Nama Langmuir-Blodgett diambil dari dua peneliti yaitu Irving Langmuir dan

Katherine Blodgett yang telah berjasa mengembangkan teknik tersebut pada tahun 1930-an.

Dengan teknik ini dimungkinkan untuk menyusun molekul film dan memendapkannya dalam

skala Angstrom (10-10 m) dengan kualitas lapisan yang homogen.

Konsep dasar dari teknik LB adalah memindahkan film yang tersusun dari molekul amfifilik

yang dibentuk di atas permukaan air ke atas substrat. Sebelum membahas lebih detail tentang

film LB, mari kita meninjau secara singkat apa itu amphiphile. Amphiphile adalah molekul

yang tidak larut dalam air, dengan salah satu ujung bagian gugus kepala yang bersifat hidrofilik

(menyukai air), dan bagian lainnya gugus ekor yang bersifat hidrofobik (membenci air). Skema

molekul amphiphile disketsakan pada Gambar 24.

7/21/2019 Thin Film



Gambar 24 Molekul Amphiphile

Karena keunikan dari molekul amphiphile ini maka memungkinkan bagian kepala terendam

dalam air dan bagian ekor berada di udara atau larutan non polar, atau dengan kata lain berada

diantara permukaan air dan udara, atau air dan minyak. Namun, perlu dicatat bahwa daya larut

molekul amfifilik dalam air bergantung pada keseimbangan antara panjang rantai alkil dankekuatan kepala hidrofilik. Kekuatan tertentu dari kepala hidrofilik diperlukan untuk

membentuk film LB. Jika hidrofilisitas terlalu lemah, tidak akan ada film LB yang terbentuk.

Namun, jika kekuatan kepala hidrofilik terlalu kuat, maka molekul amfifilik terlalu terlarut

dalam air sehinggan tidak memungkinkan pembentukan monolayer. Tabel 6 mengelompokkan

kedalam beberapa grup berdasarkan sifat kepala dari molekul amfifilik.

Tabel 6 Pengaruh kelompok fungsional yang berbeda pada pembentukan film LB dari

CI6-compounds.Sangat Lemah

(tidak ada film)

Lemah

(film tidak stabil)

Kuat

(LB film stabil)

Sangat Kuat

(soluble)

Hydrocarbon -CH2OCH3 -CH2OH -SO3-

-CH2I -C6H4OCH3 -COOH -OSO3-

-CH2Br -COOCH3 -CN -C6H4SO4-

-CH2Cl -CONH2 -NR 4+

-NO2 -CH=NOH

-C6H4OH

-CH2COCH3

-NHCONH2

-NHCOCH3

Teknik LB merupakan teknik yang unik, hal ini disebabkan karna lapisan monolayer dapat

ditransfer ke banyak substrat yang berbeda. Kaca, kuarsa, dan substrat logam lainnya dengan

permukaan teroksidasi telah digunakan sebagai substrat, tapi wafer silicon dengan permukaan

silicon dioksida adalah yang paling sering digunakan sebagai substrat. Emas merupakan

substrat oksida-bebas dan juga biasanya digunakan sebagai untuk deposisi LB film. Namun,

emas memiliki energy permukaan yang tnggi ( 1000 mJ/m2) dan mudah terkontaminasi, yang

7/21/2019 Thin Film



mengakibatkan tidak meratanya kualitas kualitas dari LB film. Kebersihan dari permukaan

substrat sangat penting untuk dapat menghasilkan kualitas LB film yang tinggi. Selain itu,

kemurnian dari amphiphile organic yang diteliti sangat penting, karena kontaminasi di

amphiphile akan ikut tergabung dalam monolayer seperti Gambar 25.

Gambar 25 Skematik yang menunjukkan pembentukan film Langmuir, merupakan molekul film pada antarmuka

air-udara, setetes larutan encer molekul amfifilik dalam pelarut yang mudah menguap, seperti CHC13, tersebar

pada antarmuka air-air dari palung.

Gambar 2 menunjukkan skematik pembentukan film Langmuir, larutan encer molekul amfilik

dengan pelarut yang mudah menguap diteteskan. Molekul amfifilik tersebar pada antarmuka

udara-air, penghalang bergerak dan menekan molekul amfifilik yang berada pada antarmuka

udara-air. Jarak antar molekul berkurang dan tekanan permukaan meningkat. Transisi fase

dapat terjadi, yang diharapkan terjadi transisi dari keadaan gas ke keadaan liquid. Dalam

keadaan liquid, monolayer bersifat koheren, kecuali molekul menempati area yang lebih besar

dari pada fase kondensasi. Ketika penghalang menekan film lebih lanjut, fase transisi ke-dua

dapat diamati dari keadaan liquid ke keadaan solid. Dalam fase kondensasi ini, molekul saling

berdempetan dengan erat dan berorientasi searah.

Ada dua metode yang umumnya digunakan untuk mentransfer monolayer dari antarmuka air-

udara ke substrat padat. Pertama metode yang lebih konvensional adalah vertical deposisi yang

diperlihatkan pada Gambar 26.

7/21/2019 Thin Film



Gambar 26 proses pemindahan lapisan monolayer ke substrak secara upstroke. b. proses pemindahan lapisan

monolayer ke substrak secara down stroke

Monolayer akan dapat ditransfer ketika substrat bergerak melalui monolayer yang terdapat

pada antarmuka udara-air. Tergantung jenis permukaan substrak ketika permukaannya

hidrofilik, kelompok kepala yang bersifat hidrofilik akan berinteraksi dengan permukaan

substrak dan transfer monolayer dapat terjadi selama kemunculan (upstroke) hal ini

diperlihatkan pada gambar 3a. lain hal-nya ketika permukaan substrak hidrofobik, rantai alkil

yang bersifat hidrofobik akan berinteraksi dengan permukaan dan transfer monolayer terjadi

saat penceluppan (down stoke) hal ini diperlihatkan gambar 3.b. Beberapa lapisan filem dapat

dibentuk dengan mengulangi proses.

Metode lain untuk membuat struktur multilayer LB adalah horizontal lifting, juga dikenal

dengan metode Scheafer. Metode Scheafer digunakan untuk deposisi film yang sangat kaku,

dalam metode ini monolayer ditekan dan dibentuk pada antarmuka air dan udara, kemudian

substrat datar ditempatkan secara horizontal pada monolayer film. Pada keadaan ini monolayer

ditransfer ke substrat dan dapat dipisahkan dari permukaan air. Gambar 27 memperlihatkan

skema ini.

Gambar 27 Skema pemindahan monolayer ke substrak dengan metode Scheafer

5.10 Deposisi Elektrokimia

Deposisi elektrokimia atau biasa disebut dengan elektrodeposisi adalah proses pengendapan

logam di atas logam lainnya menggunakan dasar elektrolisis. Prinsip dasar elektrodeposisi

adalah penempatan ion-ion logam pelapis di atas substrat yang akan dilapisi dengan cara

elektrolisis, yaitu menguraikan senyawa kimia dalam larutan elektrolit dengan cara

a b

7/21/2019 Thin Film



mengalirkan arus listrik searah. Arus listrik yang mengalir dalam larutan menyebabkan

terjadinya reaksi kimia, yaitu reaksi peruraian ion-ion dalam larutan. Ion-ion positif akan

bergerak ke katoda dan ion-ion negative akan bergerak ke anoda, sehingga dapat terjadi

pelapisan pada substrat.

Perpindahan electron antar elektroda dan zat-zat dalam sel menghasilkan reaksi pada

permukaan elektroda yaitu reaksi oksidasi dan reduksi. Elektroda tempat berlangsungnya

reaksi oksida disebut anoda dan tempat berlangsungnya reaksi reduksi disebut katoda.

Anoda yang digunakan dalam proses elektrodeposisi ada 2 macam yaitu anoda yang dapat larut

(soluble) dan anoda tidak larut (insoluble). Anoda solube adalah anoda yang selama proses

elektrodeposisi memberikan ion-ion logamnya pada katoda, sehingga anoda jenis ini makin

lama makin habis terkikis, contohnya seng, nikel dan timah putih.

Anoda insoluble adalah anoda yang selama proses elektrodeposisi tidak terkikis, misalnya

platina dan timah hitam. Pada anoda insoluble, reaksi anoda tergantung pada jenis anion pada

larutan. Anion sisa asam oksi seperti SO42+, NO3

-, dan PO43- mempunyai oksida lebih negative

daripada air. Anion-anion seperti ini sukar beroksidasi sehingga air yang teroksidasi seperti

pada reaksi berikut:

2HO → 4H+ O 4e− E0 = 1,229 V

.katoda adalah elektroda yang menerima electron, merupakan tempat pengendapan sewaktu

terjadi proses elektrodeposisi, dalam hal ini katoda adalah substrat yang dipakai untuk

membuat lapisan tipis.

Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi proses elektrodeposisi antara lain:

1) Rapat Arus

Pada praktek elektrodeposisi besaran yang diperhatikan adalah rapat arus yaitu arus per satuan

luas permukaan benda kerja, biasanya dapat dinyatakan dalam satuan ampere/cm2. Rapat arus

dinyatakan dengan rumus berikut:

J = IA

Dimana; J adalah rapat arus, I adalah arus listrik, A adalah luas permukaan. Rapat arus

mempengaruhi proporsi logam deposit. Rapat arus yang kecil menyebabkan ion bermuatan

yang bergerak sedikit, sehingga endapan yang terbentuk sedikit. Maka pada kondisi tersebut,

kemungkinan deposit berupa kristal yang kasar karena deposisi permulaan belum sempurna

selesai tetapi sudah disusul deposisi berikutnya. Sedangkan ketika rapat arus mulai dinaikkan,

maka laju pembentukan kristal deposit (nuclei) permulaan mulai mengalami peningkatan,

sehingga kemungkinan deposit menjadi lebih fine-grained berbentuk butiran yang bagus.

7/21/2019 Thin Film



Semakin besar rapat arus menyebabkan ion bermuatan semakin banyak yang bergerak

membentuk endapan. Rapat arus yang terlalu tinggi juga dapat menyebabkan timbulnya panas.

Akibat selanjutnya, dapat menghasilkan deposit yang terbakar dengan ditandai warna yang

menghitam.

2) Substrat

Substrak yang digunakan dalam elektrodeposisi berpengaruh pada sifat magnetic lapisan tipis

yang terbentuk. Substrak selain sebagai tempat menampung deposit juga berfungsi sebagai

lapisan penyangga atau cetakan dimana struktur morfologi dan volume lapisan yang akan

ditumbuhkan bergantung pada morfologi substraknya

3) Tegangan

Tegangan yang diperlukan untuk proses elektrodeposisi tergantung dari jenis, komposisi,dan

kondisi elektrolit. Rapat arus dapat dinaikkan dengan menaikkan tegangan, tetapi hal ini akan

menyebabkan polarisasi dan tercapainya tegangan batas. Pada keadaan tegangan batas, tidak

terjadi aliran arus melalui elektrolit, dan bila tegangan dinaikkan akan terjadi elektrolisis air

yang menghasilkan gas hydrogen dan oksigen

4) Konsentrasi Elektrolit

Konsentrasi elektrolit selama proses elektrodeposisi berlangsung akan mengalami perubahan,

dapat disebabkan oleh pengendapan ion logam dari larutan menuju katoda maupun karena

penguapan. Pada umumnya kelebihan kadar logam akan menyebabkan menurunnya kekilapan

dan kerataan lapisan dan juga mengakibatkan terjadinya pemborosan bahan. Apabila kadar

logam rendah akan terjadi penurunan konduktifitas sehingga proses planting menjadi lambat.

5) Keasaman

Keasaman (pH) lebih mempengaruuhi sifat fiksik deposit daripada komposisinya. Semakin

asam larutan konsentrasi ion hidrogennya semakin tinggi dah hantaran arus dari anoda ke

katoda semakin besar sehinggan semakin banyak ion-ion pelapis yang didistribusikan ke

katoda

6) Waktu

Semakin lama proses elektrodeposisi, maka endapan yang terbentuk semakin banyak. Endapan

hanya terbentuk jika ion-ion yang akan dideposisikan dalamlarutan masih ada. Jika kandungan

ion-ion dalam larutan telah habis maka tidak akan lagi terbentuk endapan atau lapisn.

7) Pengadukan

Pengaduka larutan elektrolit saat proses elektodeposisi akan mengurangi gelembung-

gelembung gas hydrogen. Gelembung-gelembung gas hydrogen ini akan menempel pada

7/21/2019 Thin Film



anoda dan katoda, sehinggan menghalangi proses pelepasan ion dari anoda dan menghambat

proses penangkapan ion-ion pelapisan oleh katoda. Terhalangnya pelepasan ion-ion pelapis

dari anoda mengakibatkan jumlah ion-ion pelapis yang didistribusikan ke katoda menjadi

sedikit dan terhambatnya penangkapan ion-ion pelapis oleh katode mengakibatkan lapisan

yang terbentuk tidak rata dan berlubang-lubang.

Ketika sebuah padatan dilarutkan dalam pelarut polar atau larutan elektrolit, muatan

permukaan akan terbentuk. Ada antarmuka elektroda dan larutan elektrolit, reaksi oksidasi dan

reduksi permukaan terjadi, disertai dengan perpindahan muatan melintasi antarmuka, sampai

kesetimbangan tercapai. Pada sistem tersebut, potensial elektroda atau rapat muatan permukaan

E, dijabarkan dalam persamaan Nernst sebagai berikut.

E = E0 RTnF ln a dimana E0 adalah potensial elektroda standar, atau perbedaan potensial antara elektroda dengan

larutan, ketika aktivitas, ai dari ion adalah kesatuan, F adalah konstanta Faraday, R g adalah

konstanta gas, dan T adalah temperatur. Persamaan ini menunjukkan keadaan kesetimbangan.

Ketika potensial elektrokimia menyimpang dari nilai kesetimbangannya, misalnya,

diaplikasikan pada medan listrik eksternal, reaksi reduksi (menuju deposisi padat) atau oksidasi

(disolusi padatan) akan diletakkan pada permukaan atau elektroda logam hingga mencapai

keadaan kesetimbangan baru. Perbedaan potensial mengacu pada potensial tinggi dan tegangan

tinggi. Pengontrolan yang hati-hati terhadap potensial tinggi sangat penting untuk menghindari

elektrolisis larutan atau deposisi fase ketidakmurnian. Interaksi ion pelarut Mmt dengan zat

terlarut atau bentuk kompleks ligan harus dipertimbangkan. Interaksi ini atau faktor lain seperti

kekuatan ion larutan harus dikontrol secara hati-hati. Selain termodinamika, beberapa faktor

kinetik juga dapat mempengaruhi deposisi lapisan elemen. Reaksi elektron transfer seperti

oksidasi-reduksi mempengaruhi sifat dan tampilan morfologi deposit. Nukleasi kristal adalah

fungsi potensial tinggi dan juga mempengaruhi sifat deposit. Kecepatan transport massa pelarut

menuju permukaan elektrode memiliki efek yang besar pada kecepatan deposisi yang

dihasilkan. Penuaan elektrolit dapat mengurangi difusi ketebalan lapisan dan kecepatan

deposisi tetapi membuat pertimbuhan maksimum stabil pada larutan dengan aktifitas pelarut

tinggi, koefesien difusi tinggi (viskositas larutan rendah), dan kecepatan pertumbuhan rendah.

Disoisasi kinetik ion komples mempengaruhi aktifitas ion logam pada permukaan elektroda

dan menyebabkan deposisi terbatas untuk morfologi deposisi.

7/21/2019 Thin Film



Campuran dan senyawa elektrodeposisi jauh lebih kompleks. Pada campuran dan senyawa

elektrodeposisi, potensial kesetimbangan, aktifitas ion pada larutan, dan stabilitas hasil deposit

merupakan hal penting pada termodinamika perlu dipertimbangkan. Untuk senyawa M n Nm,

kondisi yang harus dicapai untuk mendapatkan deposisi stimultan dari dua jenis ion yang

berbeda adalah:

E ηm = E η

E dan E adalah potensial kesetimbangan M dan N,

ηm dan η adalah potensial yang dibutuhkan untuk elektodeposisi M dan N.

Dengan mempertimbangkan aktifitas logam M dan N dalam senyawa dan campuran melalui

konsentrasi larutan dan kestabilan termodinamika deposit, serta variasi deposisi, maka akan

sangat sulit untuk mengontrol stokiometri deposit. Pengontrolan kekuatan ion dan konsentrasi

pelarut sangat penting untuk deposisi seragam.

Untuk pertumbuhan lapisan dengan elektrodeposisi, beberapa hal yang harus diperhatikan

adalah:

1. Larutan encer biasa digunakan, pelarut nonaqueous atau lelehan garam juga digunakan.

Elektrolisis air merupakan alasan mengapa pelarut nonaqueous dan lelehan garam juga

digunakan.

2.

Konduktifitas listrik deposit harus cukup tinggi untuk deposisi larutan berturut-turut.

Elektrodeposisi hanya diaplikasikan pada pertumbuhan logam, semikonduktor, dan

lapisan polimer konduktif.

3. Dekomposisi dapat dicapai pada arus konstan atau potensial konstan, atau dengan kata

lain, arus dan tegangan pulsa.

4.

Perlakuan lanjutan harus dilakukan untuk meningkatkan karakteristik deposit.

5.11 Lapisan Sol-Gel

Proses sol gel didefenisikan sebagai proses pembentukan senyawa anorganik melalui reaksi

kimia dalam larutan pada suhu rendah, dimana dalam proses tersebut terjadi perubahan fasa

dari suspense koloid (sol) membentuk fasa cair kontinyu (gel).

Proses sol gel banyak digunakan untuk sintesis material nanopartikel, nanorod, lapisan tipis

dan monolit. Sol adalah suspensi nanocluster terlarut dalam pelarut, dan lapisan tipis dibuat

dengan pelapisan sol diatas substrat. Meskipun beberapa metode tersedia untuk aplikasi

7/21/2019 Thin Film



pelapisan cairan ke substrat, pilihan yang tepat tergantung pada beberapa faktor termasuk

viskositas larutan, ketebalan lapisan yang diinginkan dan kecepatan lapisan. Metode yang biasa

digunakan untuk deposisi lapisan sol-gel adalah spin- dan dip-coating.

Pada dip-coating, substrat yang terbenan dalam larutan dan ditarik pada kecepatan konstan.

Saat substrat ditarik ke atas, lapisan larutan naik dan kombinasi penarikan dan gaya grafitasi

menunjukkan ketebalan lapisan, H.

H = c (ηU0ρg )/

Dimana η adalah viskositas, U0 adalah kecepatan penarikan, ρ adalah densitas lapisan sol dan

c mrupakan konstanta. Gambar 28 mengilustrasikan beberapa keadaan proses dip-coating.

Persamaan diatas tidak memperhitungkan penguapan pelarut dan kondensasi lanjutan antara

dispersi nanocluster dalam sol seperti yang digambarkan pada Gambar 29. Hubungan antara

ketebalan dan variabel lapisan sama dan didukung oleh hasil eksperimen tetapi dengan

kesebandingan konstanta yang berbeda. Ketebalan lapisan dip-coating biasanya berkisar 50-

500 nm, walaupun ketipisan lapisan sekitar ~8 nm per lapisan.

Gambar 28 Keadaan pada proses dip-coating: (a-e) sekumpulan dan (f) kelanjutan.

7/21/2019 Thin Film



Gambar 29 Skematik yang menunjukkan proses lanjutan penguapan pelarut dan kondensasi lanjutan antara

nanocluster terdispersi dalam sol selama dip-coating.

Spin-coating digunakan dalam mikroelektronik untuk deposit photoresist dan polimer khusus.

Spin coating terdiri dari empat keadaan: pengiriman larutan atau sol ke dalam inti substrat,

spin-up, spin-off dan penguapan (meliputi semua keadaan). Setelah memasukkan cairan ke

dalam substrat, gaya sentrifugal membuat cairan melewati substrat (spin-up). Apabila cairan

yang masuk berlebih, maka kelebihan cairan tersebut akan meninggalkan substrat selama spin-

off. Ketika aliran dalam lapisan tipis tidak lagi memungkinkan, penguapan membuat reduksi

ketebalan lapisan. Lapisan seragam dapat dibuat ketika viskositas cairan tidak bergantung pada

laju geser (contoh: Newtonian) dan laju penguapan tidak bergantung posisi. Ketebalan lapisan

spin coated, H, adalah:

H = 1 ρoρ 3ηe2ρo ω

Dimana ρadalah masa pelarut yang mudah menguap per satuan volum, ρo merupakan volume

awal, ω adalah kecepatang angular, η merupakan viskositas larutan dan e adalah laju penguapan yang bergantung pada koefisien massa yang ditransfer. Berdasarkan persamaan

tersebut, diketahui bahwa ketebalan lapisan dapat dikontrol dengan menyesuaikan sifat larutan

dan kondisi deposisi.

Pada proses membuat lapisan sol-gel, pelarut yang dibuang atau dikeringkan pada lapisan

lanjut dengan kondensasi lanjutan dan pemadatan jaringan gel. Proses bersaing menyebabkan

tekanan dan tegangan yang disebabkan oleh penyusutan dibatasi, sehingga menghasilkan

hancurnya struktur gel berpori dan juga membentuk retakan pada hasil lapisan. Laju

pengeringan memainkan peranan penting dalam pengembangan tegangan dan pembentukan

7/21/2019 Thin Film



retakan dan bergantung pada laju pada pelarut atau komponen difusi yang mudah menguap

hingga permukaan bebas pelapisan dan laju pada uap yang dihilangkan dalam gas.

Tegangan terjadi selama pemanasan lapisan padat untuk penyusutan terpaksa. Kehilangan

pelarut setelah pemadatan adalah sumber tegangan dalam pelarut-cetakan lapisan polimer dan

Croll mendefinisikan tegangan sebagai:

σ = Eσϕ ϕr1 v3 1 ϕr

Dimana Eσadalah modulus elastis nonlinier, v adalah Poisson ratio lapisan, ϕ dan ϕr adalah

fraksi volum pelarut pada pemadatan dan sisa setelah pengeringan. Hubungannya

menunjukkan bahwa pelarut pada pemadatan harus diminalisir hingga tegangan lapisan yang

lebih rendah. Pada pembentukan lapisan sol-gel, sangat penting untuk membatasi laju reaksi

kondensasi selama penghilangan pelarut saat pengeringan, sehingga fraksi volum pelarut pada

pemadatan terjaga kecil. Untuk meringankan tegangan, material dapat mengendur secara

internal dengan gerakan molekular atau merusak bentuk. Retakan adalah bentuk lain dari

tegangan. Pada lapisan sol-gel, pembentukan retakan terbatas pada ketebalan lapisan yang

biasanya lebih dari 1 mikron.Ketebalan lapisan kritis adalah:

T = EGAσ

Dimana E adalah modulus Young lapisan, A adalah konstanta kesebandingan dimensional, danG adalah energi yang dibutuhkan untuk membentuk dua permukaan retakan baru. Konsep

ketebalan kritis didukung dengan hasil eksperimen. Ketebalan kritis 600 nm dilaporkan oleh

lapisan sol-gel Ceria dan retakan dibentuk diatas ketebalan ini.

Lapisan sol-gel umumnya berpori atau amorf. Untuk beberapa macam aplikasi, perlakuan

panas berikutnya dibutuhkan untuk mendapatkan densifikasi penuh dan mengubah amorf

menjadi kristalin. Ketidakcocokan koefisien ekspansi termal lapisan sol-gel dan substrat adalah

sumber tegangan penting lainnya, dan sisa tegangan pada lapisan sol-gel dapat setinggi 350

MPa.

Organik-anorganik hibrida adalah tipe material baru yang tidak ada di alam, sol-gel merupakan

cara yang dapat mensintesis material tersebut. Komponen organik-anorganik dapat saling

meresapi satu sama lain pada skala nanometer. Tergantung pada interaksi antara komponen

organik dan anorganik hibrida dibagi atas dua kelas: (i) hibrida meliputi molekul organik,

oligomer, polimer berat molekul rendah tertanam pada matrik anorganik yang memiliki ikatan

hidrogen lemah dan gaya van der Waals, dan (ii) komponen organik dan anorganik terikat satu

sama lain dengan kovalen kuat atau ikatan kimia kovalen. Komponen organik dapat

7/21/2019 Thin Film



memodifikasi sifat mekanik komponen anorganik. Porositas dapat juga dikontrol sebaik

kesetimbangan hidrofilik dan hidrofobik. Hibrida dengan sifat optik dan sifat listrik baru dapat

disesuaikan. Beberapa hibrida dapat menampilkan reaksi elektrokimia baru sebaik reaktifitas

kimia atau biokimia khusus.

Porositas adalah sifat penting lainnya pada lapisan sol-gel. Meskipun untuk beberapa aplikasi,

perlakuan panas pada suhu tinggi dilakukan untuk menghilangkan porositas, porositas yang

diturunkan memungkinkan lapisan sol-gel untuk beberapa aplikasi seperti matriks katalis,

sejumlah besar penginderaan organik atau biokomponen, elektroda pada sel surya. Porositas

sendiri membuat sifat fisis yang unik seperti dielektrik rendah yang konstan, kondukifitas

termal rendah, dll. Molekul organik seperti surfaktan dan polimer diblock digunakan untuk

bentuk template pada sintesis material mesopori tersusun.

Terdapat beberapa metode deposisi larutan kimia (CSD). Prinsip yang didiskusikan diatas

secara umum dapat diaplikasikan untuk metode CSD lainnya. Sebagai contoh, proses lanjutan

selama pengeringan, pengembangan tegangan dan pembentukan retakan mirip dengan lapisan

sol-gel.

Referensi

Agnes, P, P. Girard-Egrot, dan L.J. Blum, “Langmuir-Blodgett technique for synthesis of

biomimetic lipid membranes”, Nanobiotechnology of Biomimetic Membranes,

Springer, (2007)

Avril, L., N. Zanfoni, P. Simon, L. Imhoff, S. Bourgeois, dan B. Domenichini, “MOCVD

growth of porous cerium oxida thin films on silicon substrate”, Surf. & Coat. Tech.,

280, 148-152, (2015).

Biolin Scientific, “Langmuir, Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer Technologies”,

Internet, http://www.biolinscientific.com/ksvnima/technologies/?card=KT1, diakses

pada Selasa, 8 Desember 2015

Joseph, S., N. Saraf, A. Umamaheswara, V. Madakasira, dan N. Bhat, “Role of thermal

annealing on SiGe thin films fabricated by PECVD”, J. Mat. Sci. in Semic. Proc, 40,

655-663, (2015).

Labzowskaya, M.E., I.Kh. Akopyan, B.V. Novikov, A.E. Serov, N.G. Filosofov, L.L. Basov,

V.E. Drozd, dan A.A. Lisachenko, “Exciton photoluminescence of ZnO thin films

grown by ALD-Technique”, Phys. Proc., 76, 37-41, (2015).

http://www.biolinscientific.com/ksvnima/technologies/?card=KT1



7/21/2019 Thin Film


Sundoro, G.A., “Penumbuhan lapisan tipis NiFe dengan menggunakan metode

elektrodeposisi”, Skripsi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret Surakarta, (2012).

Wijaya, R.P, “Self-assembly polymer ”, Skripsi, Departemen Kimia Fakultas Matematika dan

Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia, (2013).

Documents

Thin Film