Perpustakaan Digital ITB

Topik penelitian ini adalah penumbuhan film tipis Co:TiO2/TiO2/Co:TiO2 untuk aplikasi spintronik. Titanium dioksida yang didadah atom kobal, Co:TiO2, adalah bahan semikonduktor feromagnetik atau DMS (diluted magnetic semiconductor). DMS Co:TiO2 menunjukkan sifat feromagnetik di atas suhu kamar sehingga sangat potensial untuk aplikasi spintronik. Dibandingkan dengan devais konvensional, devais spintronik memiliki beberapa kelebihan, yaitu laju pemrosesan data yang lebih tinggi, lebih terintegrasi, dan konsumsi energi yang lebih rendah. Film tipis TiO2 dan Co:TiO2 dapat diperoleh dengan beberapa metode penumbuhan, di antaranya adalah ALD (atomic layer deposition), PLD (pulsed laser deposition), MBE (molecular beam epitaxy), RF- dan DC-Sputtering, dan MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Di antara beberapa metode tersebut, metode MOCVD memiliki banyak kelebihan seperti kemungkinan penumbuhan secara epitaksi, deposisi selektif, dan kemudahan pengendalian parameter penumbuhan. Oleh karena itu, metode MOCVD merupakan metode yang paling cocok untuk penumbuhan film tipis stoikiometrik dan mikrostruktural. Tujuan utama dari penelitian ini adalah mendapatkan devais spintronik berstruktur Co:TiO2/TiO2/Co:TiO2. Berkaitan dengan itu, sejumlah film tipis Co:TiO2 dan Co:TiO2/TiO2/Co:TiO2 telah berhasil ditumbuhkan di atas substrat silikon (100) tipe-n dengan menggunakan metode MOCVD. Karakteristik film-film tersebut diuji menggunakan beberapa piranti uji, yaitu XRD (X-ray diffraction), SEM (scanning electron microscope), EDS (energy dispersive x-ray spectrometer), dan VSM (vibrating sample magnetometer). Khusus untuk film berlapis Co:TiO2/TiO2/Co:TiO2, selain uji-uji tersebut, juga diuji oleh piranti uji magnetoresistansi. Film Co:TiO2 ditumbuhkan dalam rentang suhu 325oC – 450oC. Parameter-parameter penumbuhan lainnya, yakni tekanan uap prekursor, suhu tabung penguap, laju gas pembawa (argon), dan waktu penumbuhan dibuat sama untuk semua film. Hasil XRD menunjukkan bahwa semua film yang dihasilkan merupakan polikristal berfase anatase dengan orientasi dominan yang berbeda-beda. Film yang ditumbuhkan pada suhu 325oC dan 350oC memiliki orientasi dominan pada (211), sedangkan film yang ditumbuhkan pada suhu 375oC dan 400oC memiliki orientasi dominan pada (112). Sementara itu, Film yang ditumbuhkan pada suhu 450oC memiliki dua orientasi dominan yang hampir setara, yaitu pada (112) dan (211). Adanya orientasi dominan tersebut menunjukkan bahwa penumbuhan film terjadi secara epitaksi. Selain itu, orientasi dominan yang berbeda pada suhu penumbuhan berbeda menunjukkan bahwa suhu penumbuhan memainkan peranan dalam menentukan struktur kristal dan orientasinya. Data XRD juga digunakan untuk menentukan ukuran bulir kristal. Berdasarkan hasil perhitungan, ukuran bulir kristal berbeda-beda untuk suhu penumbuhan yang berbeda-beda pula. Hasilnya menunjukkan bahwa ukuran bulir kristal film meningkat seiring dengan peningkatan suhu penumbuhan. Meningkatnya ukuran bulir kristal seiring dengan meningkatnya suhu penumbuhan disebabkan oleh adanya peningkatan laju dekomposisi prekursor pada permukaan substrat. Berdasarkan citra SEM permukaan, film-film tipis Co:TiO2 yang dihasilkan memiliki permukaan yang kasar dengan bentuk bulir hampir seragam. Pada permukaan film tidak tampak adanya bulir-bulir kristal yang tumbuh secara takwajar. Sementara itu, citra SEM penampang lintang film memperlihatkan bahwa bulir-bulir kristal membentuk kolumnar yang hampir tegak lurus permukaan substrat. Pada penelitian ini, pengaruh suhu pada laju penumbuhan film juga diselidiki. Hasilnya menunjukkan bahwa laju penumbuhan film mencapai nilai maksimum pada suhu 400oC. Pada suhu penumbuhan kurang dari 400oC, deposisi film dikendalikan oleh difusi dengan energi aktivasi 32,2 kJ/mol. Sementara itu, pada suhu penumbuhan lebih dari 400oC, deposisi film berkaitan dengan deposisi secara kinetik dengan energi aktivasi -46,5 kJ/mol. Hasil EDS memperlihatkan bahwa kandungan atom Co dalam film Co:TiO2 bergantung pada suhu penumbuhan. Nilainya berkisar dari 0,1% sampai dengan 1,1% dan meningkat seiring dengan meningkatnya suhu penumbuhan. Pemberian sedikit atom Co pada film TiO2 telah menyebabkan perubahan konstanta kisi film tersebut. Konstanta kisi menurun seiring dengan meningkatnya kandungan atom Co. Selain menunjukkan sifat elastik film, hasil tersebut juga menunjukkan bahwa atom-atom Co telah masuk ke dalam matriks kisi TiO2. Hasil karakterisasi sifat listrik menggunakan metode Hall van der Pauww memperlihatkan bahwa pemberian sedikit atom Co pada film TiO2 tidak mengubah sifat asal TiO2 sebagai bahan semikonduktor. Sementara itu, hasil uji VSM menunjukkan bahwa film Co:TiO2 bersifat feromagnetik pada suhu kamar. Hal tersebut berarti bahwa film Co:TiO2 yang ditumbuhkan pada penelitian ini, selain tetap memiliki sifat sebagai bahan semikonduktor, memiliki sifat feromagnetik pada suhu kamar. Dengan kata lain, film tipis Co:TiO2 merupakan bahan semikonduktor feromagnetik.Magnetisasi saturasi film Co:TiO2 bergantung pada kandungan atom Co dalam film. Magnetisasi saturasi film berada dalam rentang 1,0 – 4,4 emu/cm3 dan meningkat seiring dengan meningkatnya kandungan atom Co dalam film. Di lain pihak, koersivitas magnetik film Co:TiO2 berada dalam rentang 4 – 12 mT dan menurun seiring dengan meningkatnya kandungan atom Co dalam film. Nilai koersivitas magnetik tersebut menunjukkan bahwa film memiliki respon magnetik lunak (kurang dari 100 mT). Fabrikasi dan pengukuran magnetoresistansi struktur Co:TiO2/TiO2/Co:TiO2 juga telah selesai dilakukan. Struktur tersebut ditumbuhkan menggunakan metode MOCVD dalam rentang suhu penumbuhan 350oC – 450oC. Secara umum, tidak terdapat perbedaan yang signifikan antara film tunggal Co:TiO2 dan film berlapis Co:TiO2/TiO2/Co:TiO2, baik hasil XRD maupun SEM. Film berlapis Co:TiO2/TiO2/Co:TiO2 yang dihasilkan merupakan polikristal berfase anatase. Permukaan film relatif kasar dengan bentuk bulir hampir homogen. Bulir-bulir kristal membentuk kolumnar yang tegak lurus permukaan batang. Akan tetapi, batas antarlapisan tidak begitu jelas. Hasil uji VSM menunjukkan bahwa devais berstruktur Co:TiO2/TiO2/Co:TiO2 yang dihasilkan pada penelitian ini bersifat feromagnetik pada suhu kamar. Di lain pihak, hasil uji magnetoresistansi menunjukkan nilai mahnetoresistansi devais yang sangat besar, yakni mendekati 100 %. Hasil ini menunjukkan bahwa Co:TiO2 telah dapat direalisasikan sebagai devais spintronik.