Path: Top > S3-Dissertations > Physics-FMIPA > 2017

STUDY OF STRUCTURAL EVOLUTION FOR MODIFICATION OF OPTICAL, ELECTRONIC AND MAGNETIC PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED ZINC OXIDE THIN FILMS GROWN BY DC-UNBALANCED MAGNETRON SPUTTERING

STUDI EVOLUSI STRUKTUR UNTUK MODIFIKASI SIFAT OPTIK, ELEKTRONIK DAN MAGNETIK LAPISAN TIPIS ZINC OXIDE BERSTRUKTUR NANO YANG DITUMBUHKAN DENGAN DC-UNBALANCED MAGNETRON SPUTTERING

PhD Theses from JBPTITBPP / 2018-05-17 09:24:48
Oleh : ROBI KURNIAWAN (NIM: 30214303), S3 - Physics-FMIPA
Dibuat : 2017, dengan 8 file

Keyword : ZnO, sputtering, materials distribution, strain, annealing, doping, carbon, defect, polarization, absorption, electronic transition, ferroelectric, ferromagnetic

Structural and morphological modifications have been performed on nanostructured ZnO thin films to obtain optimal optical, electrical and magnetic parameters. In this study, ZnO-based materials were grown by sputtering method. The nanostructured ZnO thin films were grown by using a starting material of ZnO powder and further grown on a silicon substrate (100) with a substrate temperature of 300 °C. As the comparison, nanostructured ZnO was also grown by spray method using Zn(CH3COO)2.H2O solution at the same substrate temperature of 300 °C. Sample characterizations were performed using X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FESEM), RT66A ferroelectric test, photoluminescence (PL), UV-Vis spectrophotometer, and magnetic properties measurement system (MPMS). From both methods, ZnO nanomaterials have been successfully fabricated. Based on initial characterization using XRD and FESEM, sputtered-ZnO nanomaterials have better structural and morphological characteristics, particularly in the distribution and uniformity of particle size. The sputtered-ZnO has a high orientation in the (002) plane whereas the sprayed-ZnO has dominant orientation in the (100), (002), and (101) planes. Furthermore, ZnO with sputtering method was preferred and became the focus of

this study due to its high orientation in the polar plane. Further research focused on optimizing ZnO structures through variation of growth parameters (time and growth power) to obtain a uniform distribution and high strain. From the optimization process, it was found that the grain size of ZnO increases from 70.478 nm to 175.431 nm as the increase of deposition time, while the increase in

deposition power up to 12W caused an increase of ZnO diffusion on the Si substrate so that it was arranged densely and has the uniform grain size of 55.768 nm. However, the XRD results show that ZnO with a denser and uniform arrangement has a small strain value. To obtain two conditions simultaneously, ie high strain values and uniform distribution, further research was conducted to

modify the structure and morphology of ZnO. At this step, the ZnO structure was modified from nanoparticles to columnar. Here, the growth of the columnar structure can be performed at one stage by controlling the deposition parameters without any catalyst and patterning. Further modifications were performed with ii annealing and doping. It can be shown that the increase in annealing temperature

led to the structural evolution of ZnO. All samples showed a wurtzite structure with a dominant crystal orientation in the (002) plane. A football-like polarization response showed a leakage current in the samples due to the presence of VO defects. Furthermore, the influence of structural modification on electronic properties has been observed. The decrease in sample size led a blue shift in the band gap where the electronic transition depends on the presence of defects in the system. Here, the carbon doping into ZnO caused a reduction in the columnar height and did not change the ZnO shape significantly. The addition of carbon atoms led a change in the polarization response and decrease of the leakage current. In addition, the presence of carbon atoms caused a red shift in the band gap. Furthermore, investigation of polarization properties in illuminated conditions indicated a change in polarization response in all the samples. The polarization curve shift was observed on the sample set of carbon-doped ZnO.

Furthermore, the ferromagnetic response was obtained by modifying the structure of undoped ZnO NC. The presence of VO and VZn plays an important role in generating ferroelectric and ferromagnetic properties in the ZnO. The emergence of ferroelectric and ferromagnetic properties can be used to produce magnetoelectric properties, which are important keys in switchable and nonvolatile memory applications. Our results provide a good understanding about modification of optical, electronic and magnetic properties, which play an important role in the development of devices with high sensitivity, such as sensor and optoelectronic devices.

Deskripsi Alternatif :

Suatu modifikasi struktur dan morfologi telah dilakukan pada lapisan tipis ZnO berstruktur nano untuk mendapatkan parameter optik, elektronik, dan magnetik yang optimal. Pada penelitian ini, lapisan tipis ZnO berstruktur nano

ditumbuhkan dengan menggunakan metode sputtering. Material ZnO ditumbuhkan menggunakan bahan awal berupa serbuk ZnO dan selanjutnya dideposisi di atas substrat silikon (100) dengan suhu substrat sebesar 300 °C. Sebagai perbandingan, ZnO berstruktur nano juga ditumbuhkan dengan metode spray menggunakan larutan Zn(CH3COO)2.H2O pada suhu substrat yang sama sebesar 300 °C. Karakterisasi sampel dilakukan dengan menggunakan X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FESEM), RT66A

ferroelectric test, photoluminescence (PL), UV-Vis spectrophotometer, dan magnetic properties measurement system (MPMS). Dari kedua metode penumbuhan tersebut, telah berhasil difabrikasi nanomaterial ZnO. Berdasarkan

hasil karakterisasi awal menggunakan XRD dan FESEM, nanomaterial ZnO dengan metode sputtering memiliki karakteristik struktur dan morfologi yang lebih baik, khususnya dalam hal distribusi dan keseragaman ukuran partikel. ZnO dengan metode sputtering memiliki orientasi tinggi pada bidang (002) sedangkan ZnO dengan metode spray memiliki orientasi dominan pada bidang (100), (002), dan (101). Selanjutnya, ZnO dengan metode sputtering lebih dipilih dan menjadi fokus pada penelitian ini karena memiliki orientasi yang tinggi pada bidang polar. Penelitian selanjutnya difokuskan untuk optimasi struktur ZnO melalui variasi parameter (waktu dan daya) penumbuhan untuk mendapatkan distribusi yang seragam dan regangan yang tinggi. Dari proses optimasi diperoleh bahwa ukuran butiran ZnO meningkat dari 70,478 nm hingga 175,431 nm seiring

dengan peningkatan waktu deposisi, sedangkan peningkatan daya deposisi hingga 12 W menyebabkan peningkatan difusi ZnO di atas substrat Si sehingga tersusun lebih rapat dan memiliki ukuran butiran yang seragam sebesar 55,768 nm.

Namun, dari hasil XRD dapat ditunjukkan bahwa ZnO dengan susunan yang lebih rapat dan seragam memiliki nilai regangan yang kecil. Untuk mendapatkan dua kondisi secara bersamaan, yaitu nilai regangan yang tinggi serta distribusi yang seragam, dilakukan penelitian lanjutan untuk memodifikasi struktur dan morfologi ZnO. Pada tahap ini struktur ZnO dimodifikasi dari nanopartikel iv menjadi kolumnar. Melalui pengontrolan parameter deposisi, penumbuhan struktur kolumnar dapat dilakukan pada satu tahap tanpa katalis lain dan patterning. Modifikasi lebih lanjut dilakukan dengan annealing dan pendadahan. Dapat ditunjukkan bahwa peningkatan suhu annealing menyebabkan evolusi struktur pada ZnO. Semua sampel menunjukkan struktur wurtzite dengan orientasi kristal yang dominan pada bidang (002). Respon polarisasi menyerupai football menunjukkan kebocoran arus pada sampel karena kehadiran defek VO. Selanjutnya, pengaruh modifikasi struktur terhadap sifat elektronik telah diamati. Penurunan ukuran sampel mengakibatkan blue shift pada celah pita dimana transisi elektronik bergantung pada kehadiran defek pada sistem. Di sisi lain, pendadahan karbon ke dalam ZnO menyebabkan pengurangan ketinggian kolumnar namun tidak mengubah bentuk ZnO secara signifikan. Penambahan atom karbon menyebabkan perubahan respon polarisasi dan penurunan kebocoran arus pada sistem. Selain itu, kehadiran atom karbon menyebabkan red shift pada celah pita. Lebih lanjut, investigasi sifat polarisasi pada kondisi disinari menunjukkan adanya perubahan respon polarisasi pada semua sampel. Sebuah pergeseran kurva polarisasi teramati pada set sampel ZnO yang didadah

karbon. Lebih lanjut, respon feromagnetik diperoleh dengan memodifikasi struktur ZnO NC tanpa didadah. Kehadiran VO and VZn berperan penting dalam memunculkan sifat feroelektrik dan feromagnetik di ZnO. Munculnya sifat

feroelektrik dan feromagnetik dapat digunakan untuk memunculkan sifat magnetoelektrik di ZnO, yang mana merupakan kunci penting dalam aplikasi penyimpanan memori yang dapat diganti dan tidak mudah hilang. Hasil kami

akan memberikan pengetahuan yang baik mengenai pengontrolan sifat optik, elektronik dan magnetik, yang berperan penting untuk pengembangan divais dengan sensitivitas yang tinggi, seperti sensor dan divais berbasis optoelektronik.

Copyrights : Copyright (c) 2001 by Perpustakaan Digital ITB. Verbatim copying and distribution of this entire article is permitted by author in any medium, provided this notice is preserved.

Beri Komentar ?#(0) | Bookmark

PropertiNilai Properti
ID PublisherJBPTITBPP
OrganisasiS3 - Physics-FMIPA
Nama KontakUPT Perpustakaan ITB
AlamatJl. Ganesha 10
KotaBandung
DaerahJawa Barat
NegaraIndonesia
Telepon62-22-2509118, 2500089
Fax62-22-2500089
E-mail Administratordigilib@lib.itb.ac.id
E-mail CKOinfo@lib.itb.ac.id

Print ...

Kontributor...

  • Pembimbing :










    Prof. Toto Winata, Ph.D.










    Assoc. Prof. Dr. Eng. Yudi Darma.










    Assoc. Prof. Dr. Inge M. Sutjahja., Editor: Alice Diniarti

File PDF...