67 Bab IV Hasil dan Analisis IV.1 Hasil Penumbuhan Lapisan Tipis ZnO Lapisan tipis ZnO yang telah ditumbuhkan menggunakan metode AA-MOCVD kemudian dikarakterisasi dengan berbagai teknik karakterisasi material. Metode karakterisasi yang digunakan yaitu metode XRD untuk melihat kurva profil difraksi dari lapisan tipis ZnO yang dapat digunakan dalam menentukan fase dan berbagai parameter kisi kristal, kemudian SEM untuk melihat citra morfologi permukaan dan penampang lintang, EDS untuk menentukan komposisi atom penyusun lapisan tipis, serta pengukuran konduktivitas dan efek Hall dengan metode van der Pauw untuk mengukur sifat elektronik lapisan tipis ZnO. Hasil-hasil karakterisasi dan pengukuran pada lapisan tipis ZnO dibahas secara mendetail dan dikaitkan dengan pengaruh dari temperatur substrat sebagai variabel bebas dalam sub kajian ini. IV.1.1 Fase dan Struktur Kristal Lapisan Tipis ZnO Hasil karakterisasi XRD lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan dengan temperatur substrat dari 200 °C hingga 400 °C ditampilkan pada Gambar IV.1. Berdasarkan data difraksi dari kristal heksagonal wurtzite ZnO dari data kristalografi kartu JCPDS No. 036-1451, seluruh lapisan tipis ZnO memiliki fase kristal heksagonal wurtzite ZnO (Memurdie dkk., 1986). Hal ini dapat dilihat dengan munculnya beberapa puncak difraksi dari fase kristal heksagonal wurtzite ZnO dan tidak ada puncak difraksi dari fase kristal lain. Sehingga profil kurva XRD menunjukkan bahwa lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan pada rentang nilai temperatur substrat 200 °C hingga 400 °C memiliki struktur polikristal dengan fase kristal heksagonal wurtzite ZnO (space group P63mc). Pada kurva profil XRD dari lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan dengan temperatur 200 °C terdapat dua puncak difraksi pada nilai sudut 2θ sebesar 31,8° dan 56,8° yang masing-masing merepresentasikan difraksi dari bidang kristal dalam arah (100) dan (110). Pada temperatur substrat 250 °C, terjadi penambahan puncak difraksi pada nilai sudut 2θ sebesar 34,5° dan 36,2° yang merepresentasikan difraksi dari arah bidang kristal (002) dan (101). Hingga temperatur substrat sebesar 300 °C, terjadi peningkatan intensitas difraksi dari seluruh puncak difraksi yang muncul dengan intensitas tertinggi 68 dimiliki oleh puncak difraksi dari arah bidang kristal (100). Hal ini menunjukkan bahwa pada temperatur 300 °C, lapisan tipis ZnO tumbuh dengan preferensi orientasi bidang kristal dalam arah (100). Gambar IV.1 Kurva profil XRD dari lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan pada rentang nilai temperatur substrat 200 °C hingga 400 °C Pada temperatur substrat 350 °C, muncul puncak difraksi baru pada sudut 2θ sebesar 47,7° dan 63,1° yang berasal dari difraksi bidang kristal dalam arah (102) dan (103). Selain itu, terjadi perubahan preferensi orientasi bidang kristal yang tumbuh dari arah bidang kristal (100) menjadi arah bidang kristal (101) yang ditandai oleh perubahan intensitas puncak difraksi dalam arah bidang kristal tersebut. Sementara itu, pada temperatur substrat 400 °C, kembali terjadi perubahan preferensi orientasi bidang kristal yang tumbuh dari arah bidang kristal (101) menjadi arah bidang kristal (002), yang diindikasikan dengan terjadinya peningkatan intensitas yang signifikan dari puncak difraksi arah bidang kristal (002). Preferensi orientasi bidang kristal dari lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan dengan metode AA-MOCVD dapat dipengaruhi oleh beberapa parameter penumbuhan yaitu temperatur substrat, jenis prekursor, dan jenis pelarut (Qin dkk., 2013; Waugh dkk., 2008) . Hasil karakterisasi XRD ini menunjukkan bahwa temperatur substrat dapat mengubah preferensi orientasi bidang kristal dari 69 lapisan tipis ZnO yang tumbuh dengan diiringi peningkatan kuantitas dan kualitas kristal. Tabel IV.1 Kristalinitas, ukuran kristalit, dan regangan mikro dari lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan dengan variasi temperatur substrat Temperatur Substrat Kristalinitas (%) Ukuran kristalit rata-rata (nm) Regangan mikro (Microstrain) Kristal (%) Amorf (%) 200 °C 61,9 38,1 9 1,79 × 10 -2 250 °C 65,1 34,9 12 1,42 × 10 -2 300 °C 67,5 32,5 20 7,46 × 10 -3 350 °C 77,4 22,6 23 3,90 × 10 -3 400 °C 81,2 18,8 26 5,34 × 10 -3 Gambar IV.2 Kurva kristalinitas dan ukuran kristalit rata-rata lapisan tipis ZnO terhadap berbagai nilai temperatur substrat Nilai persentase kristalinitas, ukuran kristalit rata-rata, dan regangan mikro dari lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan dengan variasi temperatur substrat ditampilkan pada Tabel IV.1. Persentase kristal yang terbentuk dalam lapisan tipis ZnO mengalami peningkatan cukup signifikan terhadap kenaikan temperatur substrat. Pada temperatur 200 °C persentase kristal yang terbentuk yaitu sebesar 61,9 % dan meningkat secara gradual hingga mencapai 81,2 % pada temperatur 400 °C. Di sisi lain, ukuran kristalit 70 rata-rata juga mengalami peningkatan saat semakin tinggi nilai temperatur substrat dalam penumbuhan. Ukuran kristalit ini merepresentasikan ukuran domain kristal yang memiliki arah orientasi bidang kristal yang sama atau dalam kata lain merupakan ukuran kristal tunggal jika dalam bentuk serbuknya. Profil peningkatan persentase kristalinitas dan juga ukuran kristalit ditunjukkan melalui kurva di Gambar IV.2. Temperatur substrat yang semakin tinggi dapat memberikan energi lebih untuk proses penyusunan atom-atom sehingga meningkatkan kristalinitas dan ukuran kristalit lapisan tipis ZnO (Maji dan Nath, 2019). Tabel IV.2 Konstanta kisi dan volume unit sel lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan dengan berbagai nilai temperatur substrat Temperatur Substrat Konstanta kisi Volume unit sel (Å 3 ) a=b (Å) c (Å) c/a 200 °C 3,234 5,259 1,626 47,626 250 °C 3,233 5,258 1,626 47,592 300 °C 3,241 5,216 1,609 47,466 350 °C 3,242 5,197 1,603 47,314 400 °C 3,243 5,195 1,602 47,319 ZnO bulk 3,249 5,207 1,602 47,601 Tabel IV.2 merangkum nilai hasil perhitungan konstanta kisi dan volume unit sel dari lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan pada berbagai temperatur substrat. Konstanta kisi beserta volume unit sel lapisan tipis ZnO dihitung berdasarkan unit sel heksagonal wurtzite ZnO. Dari hasil perhitungan pada Tabel IV.2, dapat diamati bahwa terjadi penyusutan konstanta kisi = dan ?. Penurunan konstanta kisi . lebih signifikan dibandingkan dengan konstanta kisi = yang terlihat dari kurva pada Gambar IV.3. Apabila dibandingkan dengan nilai konstanta kisi kristal ZnO dalam bentuk bulk-nya, perubahan nilai konstanta kisi = dan . semakin mendekati nilai konstanta kisi ZnO bulk seiring dengan peningkatan temperatur substrat. Fenomena ini dapat dikaitkan dengan regangan mikro (microstrain) yang terjadi pada penumbuhan lapisan tipis ZnO. Regangan pada lapisan tipis akan terjadi jika kristal lapisan tipis ditumbuhkan di atas substrat kristal yang memiliki nilai konstanta kisi yang berbeda sehingga terjadi ketidaksesuaian kisi (lattice mismatch). Hal tersebut membuat kristal lapisan tipis akan 71 dipaksa untuk menyesuaikan dengan kisi kristal dari substrat. Dalam penelitian ini substrat Si(100) memiliki kisi kristal kubik dengan konstanta kisi sebesar 5,34 Å, sedangkan kristal ZnO bulk memiliki konstanta kisi = sebesar 3,249 Å (Vyas, 2020). Perbedaan kisi tersebut membuat adanya regangan mikro (microstrain) yang dirasakan lapisan tipis ZnO sebagaimana telah dihitung dan ditampilkan pada Tabel IV.1. Dari hasil perhitungan, nilai regangan mikro dari lapisan tipis ZnO menjadi semakin kecil saat temperatur substrat semakin tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa pada temperatur substrat yang rendah seperti 200 °C, efek regangan mikro dari ketidaksesuaian kisi kristal akan dirasakan lebih besar pada penumbuhan lapisan tipis ZnO. Sementara pada temperatur substrat sebesar 400 °C, energi dari temperatur yang tinggi dapat membantu kristal lapisan tipis melawan efek ketidaksesuaian kisi dengan substrat, sehingga nilai regangan mikro lapisan tipis ZnO menjadi lebih kecil (Ghani dkk., 2023). Perubahan konstanta kisi . yang lebih signifikan dibandingkan konstanta kisi = mengindikasikan bahwa efek regangan mikro lebih terasa dalam arah konstanta kisi ?. Gambar IV.3 Konstanta kisi = dan . dari lapisan tipis ZnO terhadap berbagai nilai temperatur substrat IV.1.2 Morfologi Permukaan dan Penampang Lintang Lapisan Tipis ZnO Citra SEM morfologi permukaan lapisan tipis ZnO yang ditumbuhkan pada temperatur substrat antara 200 °C hingga 400 °C ditampilkan pada Gambar IV.4. Pada temperatur substrat 200 °C, lapisan tipis ZnO memiliki morfologi permukaan yang terdiri dari susunan butiran kristal dengan bentuk campuran antara butiran bulat (spherical) dan 72 serat-serat pendek yang terbentuk di antaranya. Pada temperatur 250 °C, morfologi permukaan lapisan tipis ZnO lebih didominasi oleh butiran kristal serat pendek dibandingkan butiran bulat dengan ukuran yang relatif lebih besar. Sementara untuk temperatur substrat 300 °C, bentuk butiran kristal permukaan lapisan tipis berubah menjadi butiran trapezoid yang tumbuh dalam arah beragam dan bertumpuk satu dengan yang lain. Tumpukan butiran trapezoid ini membentuk rongga-rongga di antaranya yang membuat permukaan lapisan tipis ZnO memiliki morfologi yang berongga (porous). Saat temperatur substrat dinaikkan menjadi 350 °C, terjadi perubahan morfologi bentuk butiran kristal menjadi butiran bulat yang tersusun dengan padat. Susunan yang padat dari butiran kristal bulat tersebut membuat lapisan tipis ZnO memiliki morfologi yang relatif lebih halus dan rata. Ketika temperatur substrat dinaikkan menjadi 400 °C, morfologi permukaan lapisan tipis ZnO tersusun dari bentuk butiran kristal bulat dengan ukuran relatif lebih kecil dan beragam.