35 Bab III Metode Penumbuhan, Karakterisasi Material dan Pengukuran Transpor Magnetik Dalam penelitian ini, kajian terhadap material semikonduktor feromagnetik lapisan tipis ZnO dan ZnO didoping Li dilakukan dalam beberapa tahap eksperimen yaitu preparasi substrat wafer silikon, sintesis larutan prekursor Zn dan Zn didoping Li, penumbuhan lapisan tipis ZnO dan ZnO didoping Li dengan metode aerosol-assisted MOCVD (AA-MOCVD), serta karakterisasi lapisan tipis dan pengukuran transpor magnetik. III.1 Sistem Aerosol-Assisted Metal Organic Chemical Vapor Deposition (AA- MOCVD) Penumbuhan lapisan tipis ZnO dan ZnO didoping Li dilakukan dengan menggunakan sistem AA-MOCVD yang ada di laboratorium MOCVD Program Studi Fisika ITB. Sistem AA-MOCVD terdiri dari beberapa bagian sub-sistem yaitu sistem penghasil aerosol prekursor (aerosol bubbler), sistem pengalir aerosol prekursor, reaktor penumbuhan, dan sistem pembuangan sisa gas. Skema sistem AA-MOCVD yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar III.1. Gambar III.1 Skema sistem aerosol-assisted MOCVD 36 Dalam penelitian ini, material zinc acetate dihydrate sebagai prekursor Zn dan lithium acetylacetonate sebagai sumber doping Li memiliki sifat volatilitas yang rendah sehingga tidak mudah membuat uap prekursor melalui proses pemanasan bubbler. Salah satu solusi guna mengatasi permasalahan tersebut yaitu dengan melakukan modifikasi pada bubbler menggunakan sistem pembuat aerosol, sehingga dapat menghasilkan aerosol prekursor tanpa perlu dipanaskan. Sistem MOCVD yang telah dimodifikasi menggunakan bubbler aerosol ini dikenal dengan metode aerosol-assisted MOCVD (AA-MOCVD). Bubbler aerosol dibuat menggunakan botol bahan kimia (Schott Duran) dengan kapasitas 250 ml yang dipasangkan ultrasonic atomizer mist maker sebagaimana ditunjukkan pada Gambar III.2 (b). Aerosol prekursor dapat dihasilkan dengan menggetarkan membran keramik piezoelektrik pada frekuensi ultrasonik sebesar 2,4 MHz. Gambar III.2 (a) Sistem aerosol-assisted MOCVD (b) Bubbler aerosol Aerosol prekursor yang dihasilkan dari bubbler aerosol selanjutnya akan dialirkan menggunakan sistem pengalir aerosol. Sistem ini terdiri dari gas pembawa aerosol yaitu gas nitrogen teknis, kemudian regulator tekanan gas untuk mengatur tekanan aliran gas, serta mass flow controller (MFC) untuk mengatur debit aliran gas. Gas nitrogen teknis yang dialirkan melalui bubbler aerosol akan membawa aerosol prekursor menuju reaktor untuk proses penumbuhan lapisan tipis. (a) (b) 37 Reaktor sistem AA-MOCVD yang digunakan dalam penelitian ini berupa reaktor silinder vertikal dengan dinding berpendingin yang terbuat dari stainless steel. Di dalam reaktor terpasang lempeng pemanas molibdenum (Mo) untuk memanaskan permukaan substrat sehingga diharapkan reaksi pirolisis hanya terjadi di permukaan substrat tidak di dinding reaktor. Pada dinding reaktor terpasang pendingin yang menggunakan aliran air untuk mendinginkan dinding reaktor. Sisa gas hasil reaksi dalam penumbuhan lapisan tipis selanjutnya dialirkan menuju aliran pembuangan sisa gas dengan menggunakan kipas hisap blower. III.2 Preparasi Substrat Substrat yang digunakan dalam penelitian ini adalah wafer silikon tipe-n dengan arah orientasi kristal (100) yang dipoles mengkilap salah satu permukaannya. Substrat Si(100) dicuci terlebih dahulu di dalam cairan aseton, produksi MERCK Chemical dengan tingkat kemurnian pro-analis 99,9%, menggunakan pembersih ultrasonik (ultrasonic cleaner) selama 15 menit untuk menghilangkan partikel debu dan lapisan lemak yang menempel di permukaan silikon. Kemudian substrat Si(100) dicuci kembali menggunakan ultrasonic cleaner di dalam cairan metanol, produksi MERCK Chemical dengan tingkat kemurnian pro analis 99,9%, selama 15 menit guna menghilangkan residu dari pencucian menggunakan cairan aseton. Selanjutnya permukaan substrat Si(100) dibilas menggunakan air de-ionisasi. Secara alami, substrat wafer silikon telah memiliki lapisan oksida silikon pada permukaan dengan orde ketebalan beberapa angstrom. Guna menghilangkan lapisan oksida silikon alami tersebut, maka substrat Si(100) dicelupkan ke dalam larutan asam HF 2% selama 1 menit. Setelah itu permukaan substrat kembali dibilas menggunakan air de-ionisasi dan kemudian dikeringkan menggunakan semprotan gas nitrogen teknis. Permukaan wafer silikon yang telah dicuci dapat dicek dengan meneteskan bulir air pada permukaan substrat karena permukaan substrat Si(100) yang bersih akan memiliki sifat hidrofobik yang tinggi. 38 III.3 Sintesis Larutan Prekursor Larutan prekursor Zn digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis ZnO tanpa doping sementara larutan prekursor Zn didoping Li digunakan pada penumbuhan lapisan tipis ZnO didoping Li. Larutan prekursor Zn disintesis dengan melarutkan sebanyak 0,55 gram zinc acetate dihydrate (Zn(ac) 2·2H2O), produksi MERCK Chemical dengan tingkat kemurnian reagent grade >98%, di dalam 50 ml metanol untuk membentuk larutan dengan konsentrasi 0,05 M. Perhitungan massa zinc acetate dihydrate yang dibutuhkan untuk membentuk konsentrasi molaritas larutan dalam volume tertentu dapat dihitung menggunakan persamaan (III.1). I ^lL/H/ �:^l;H 8:�Ž; srrr (III.1) dengan I ^l adalah massa zinc acetate dihydrate, / adalah molaritas larutan, / �:^l; menunjukkan massa molekul relatif dari zinc acetate dihydrate, dan 8:�Ž; menunjukkan volume larutan yang akan dibuat dalam satuan ml. Larutan prekursor Zn diaduk menggunakan pengaduk magnetik dengan kecepatan putaran 500 rpm selama 15 menit hingga serbuk zinc acetate dihydrate seluruhnya terlarut dalam metanol yang ditandai dengan warna larutan yang menjadi bening dan transparan. Sementara itu, larutan prekursor Zn didoping Li disintesis dengan menambahkan serbuk lithium acetylacetonate [Li(acac)], produksi MERCK Chemical dengan tingkat kemurnian pro analis 99,9%, dengan sejumlah massa yang telah dihitung untuk memberikan konsentrasi sebesar 0 mol% hingga 20 mol% pada larutan 0,05 M prekursor Zn. Perhitungan massa lithium acetylacetonate yang perlu ditambahkan untuk memberikan konsentrasi mol% doping tertentu pada prekursor Zn dihitung dengan persamaan (III.2) I PgLTH I ^l / �:^l;H/ å:Pg; (III.2) dengan I Pg adalah massa lithium acetylacetonate, T yaitu persentase mol dari doping Li yang akan ditambahkan, I ^l adalah massa zinc acetate dihydrate, / �:^l; massa molekul relatif dari zinc acetate dihydrate, dan / å:Pg; adalah massa molekul relatif dari 39 lithium acetylacetonate. Larutan prekursor Zn didoping Li juga diaduk menggunakan pengaduk magnetik dengan kecepatan putaran 500 rpm selama 15 menit hingga terbentuk larutan yang bening dan transparan. III.4 Penumbuhan lapisan tipis ZnO dan ZnO didoping Li Proses penumbuhan lapisan tipis ZnO dan ZnO didoping Li diawali dengan menempelkan substrat Si(100) di atas pemanas Mo menggunakan pasta perak yang memiliki konduktivitas termal tinggi. Setelah substrat Si(100) dimasukkan ke dalam reaktor, temperatur pemanas Mo dinaikkan hingga mencapai nilai temperatur penumbuhan. Penumbuhan lapisan tipis ZnO dilakukan pada rentang nilai temperatur 200 °C hingga 400 °C dengan interval kenaikan temperatur sebesar 50 °C. Tabel III.1 Parameter penumbuhan lapisan tipis ZnO dengan metode AA-MOCVD Parameter penumbuhan Simbol Nilai Temperatur substrat 6 Ì 200 – 400 °C Tekanan dasar reaktor 2 4 1 bar Tekanan parsial gas N2 2 Ç. 2 bar Laju aliran gas N2 ( Ç. 0,5 liter/menit Frekuensi atomizer B 2,4 MHz Lama waktu P 60 menit Larutan prekursor Zn kemudian dimasukkan ke dalam bubbler aerosol dan dipasang pada sistem AA-MOCVD. Setelah temperatur substrat telah mencapai nilai temperatur penumbuhan yang stabil, bubbler aerosol dinyalakan dengan memberikan nilai tegangan sebesar 20 V untuk menghasilkan aerosol dan ditunggu beberapa menit agar jumlah aerosol yang dihasilkan telah banyak dan stabil. Setelah itu, gas nitrogen teknis dialirkan melalui bubbler aerosol dengan tekanan sebesar 2 bar dan laju aliran konstan sebesar 0,5 liter/menit untuk mengalirkan aerosol prekursor ke dalam reaktor. Lama waktu proses penumbuhan lapisan tipis ZnO yaitu selama 60 menit hingga seluruh larutan prekursor di bubbler habis. Setelah selesai penumbuhan, maka dilakukan proses pendinginan dengan mematikan pemanas dan tetap mengalirkan gas nitrogen hingga temperatur pemanas substrat di dalam reaktor mendekati nilai temperatur ruang. 40 Parameter penumbuhan yang digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis ZnO dengan metode AA-MOCVD dirangkum pada Tabel III.1. Parameter penumbuhan lapisan tipis ZnO didoping Li ditampilkan pada Tabel III.2. Jumlah konsentrasi doping Li diatur dengan menambahkan sejumlah massa lithium acetylacetonate yang dihitung dengan menggunakan persamaan (III.2) guna memberikan nilai konsentrasi dari 0 mol% hingga 20 mol% dengan interval kenaikan konsentrasi doping sebesar 5 mol%. Temperatur substrat yang digunakan pada penumbuhan lapisan tipis ZnO didoping Li yaitu sebesar 400 °C. Tabel III.2 Parameter penumbuhan lapisan tipis ZnO didoping Li dengan metode AA-MOCVD Parameter penumbuhan Simbol Nilai Konsentrasi doping Li T ÅÜ 0 – 20 mol% Temperatur substrat 6 Ì 400 °C Tekanan dasar 2 4 1 bar Tekanan parsial gas N2 2 Ç. 2 bar Laju aliran gas N2 ( Ç. 0,5 liter/menit Frekuensi atomizer B 2,4 MHz Lama waktu P 60 menit III.4.1 Mekanisme Dekomposisi Termal Prekursor Zn Mekanisme dekomposisi termal dari prekursor zinc acetate dihydarate sebagai prekursor Zn dalam penumbuhan lapisan tipis ZnO dapat dipelajari dari hasil karakterisasi termal thermogravimetry analysis (TGA) dan differential thermal analysis (DTA). Tran dkk melakukan karakterisasi TGA/DTA terhadap prekursor zinc acetate dihydarate dalam aliran udara normal dengan laju pemanasan 5 °C/menit (Tran dkk., 2020).