PENGUKURAN DENGAN STM P ADA PERMUKAAN LAPISAN...

6
PENGUKURAN DENGAN STM PADA PERMUKAAN LAPISAN TIPIS POLIMER TOLUEN (CP sCH.J YANG DIDEPOSITKAN PADA BAHAN KONDUKTOR SILIKON (SJI R.H. Arjadi2 dan L.A. Astuti3 .> .:> ABSTRAK PENGUKURAN DENGAN STM PADA PERMUKAAN LAPISAN TIPIS POLIMER TOLUEN (C6HSChl) YANG DIDEPOSITKAN PADA BAHAN KONDUKTOR SILIKON (8;). Scanning tunneling microscope (STM) adalah alat yang cukup potensial untuk mempelajari tentang ilmu permukaan (Surface science). alat ini dapat menghasilkan gambar (topography) dari permukaan dengan kwalitas yang baik. Makalah ini merupakan penjelasan singkat tentang pengukuran permukaan polimer lapisan tipis toluen (C6H5Ch3) yang didepositkan pada bahan konduktor Silicon (S;). Metoda yang digunakan dalam pembuatan topographi permukaan tersebut adalah dengan cara mengukur arus yang timbul antara jarum pengukur (needle probe) dengan permukaan sample pada arus yang konstan. ABSTRACT THE STM MEASUREMENT OF POLIMERIZATION TOLUENE (C6HSChj) THIN FILMS SURFACE DEPOSITED ON CONDUCTING SUBSTRATES SILICON (S;). The scanning tunneling microscope (STM) is a powerful tools for surface science study. this instrument can produce an image of a surface at high resolution.This paperis brief discussion of the surface measurement of polymerization toluene (C6HjCh3Jthin films surface deposited on conductingsubstrates Silicon (S;).The metode used is to measured the current tunnelof the needle probeto the sample surface gapat a constant tunnelcurrent. KEY WORD Topography, STM; Toluen Surface Science. PENDAHULUAN Tidak seperti halnya scanning electrom microscope (SEM) yang dioperasikan dalam vacuum chamber, STM dapat dioperasikan pad a tekanan atmosfier, ambient temperatur, gas clan dalam tluida. STM selain digunakan untuk mempelajari tentang surface science juga digunakan untuk mempelajari tentang bidang-bidang lain antara lain: fisika, kimia clan biologi dalam ukuran microscopis, seperti hal nya yang telah dilakukan oleh A.M Baro dkk[2] dalam makalahnya tentang penggunaan STM untuk menentukan topography permukaan daTisample biologi pada resolusi yang tinggi; R.Sonnerfeld clan P.K.Hansma (1986)[3] dalam makalahnya tentang atomic resolution microscopy didalam air. Telah banyak penggunaan STM untuk penelitian ilmu bahan/material khususnya untuk bahan konduktor ataupun semikonduktor pada ukuran atomic, clan juga untuk mengetahui struktur permukaan daTibahan terukur. Selain dari pada penggunaan seperti tersebut diatas, STM juga digunakan untuk melakukan penelitian pada material konduktor dengan absorbsi bahan organic pada bahan konduktor seperti yang dilakukan oleh H. Ohtani, et.al. dengan penelitiannya penggunaan STM pada permukaan bahan organic benzene pada bahan Rh(111)-(3x3)(C6H6+ 2CO). Scanning tunneling microscope (STM) adalah salah satu alat yang cukup potensial untuk mempelajari tentang permukaan suatu bahan (surface science) pada saat ini. Microscope ini dapat digunakan untuk membuat image permukaan suatu bahan untuk mengetahui topographi dari permukaan tersebut untuk dapat dianalisa lebih lanjut. Untuk mempelajari tentang permukaan, sering sekali dibutuhkan untuk mengetahui "electrical properties" dari bahan dan strukture density dari "single atomic step" ataupun "multiple atomic step" permukaan dari bahan sehubungan dengan penelitian ilmu dan teknologi lainnya. STM ini dapat mengatasi kesulitan-kesulitan yang timbul dalam mempelajari tentang ilmu permukaan (surface science) khususnya pada orde ukuran atom, disamping dapat menghasilkan gambar topography permukaan suatu sample dalam 3 dimensi. G.Binnig dan H.Rohrer (1983)[1] dari IBM research divisison, Zurich-switzerland adalah yang pertama kali memperkenalkan sistem scanning tunneling microscope (STM) dalam mempelajari surface science, yang kemudian diikuti oleh beberapa research group diseluruh dunia. - 1 Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 2 P3KIM-LIPI 3 Pusat Produksi Radioisotop -BAT AN 222

Transcript of PENGUKURAN DENGAN STM P ADA PERMUKAAN LAPISAN...

PENGUKURAN DENGAN STM P ADA PERMUKAAN LAPISAN TIPISPOLIMER TOLUEN (CP sCH.J YANG DIDEPOSITKAN

P ADA BAHAN KONDUKTOR SILIKON (SJI

R.H. Arjadi2 dan L.A. Astuti3 .>

.:>

ABSTRAKPENGUKURAN DENGAN STM PADA PERMUKAAN LAPISAN TIPIS POLIMER TOLUEN (C6HSChl)

YANG DIDEPOSITKAN PADA BAHAN KONDUKTOR SILIKON (8;). Scanning tunneling microscope (STM) adalah alatyang cukup potensial untuk mempelajari tentang ilmu permukaan (Surface science). alat ini dapat menghasilkan gambar(topography) dari permukaan dengan kwalitas yang baik. Makalah ini merupakan penjelasan singkat tentang pengukuranpermukaan polimer lapisan tipis toluen (C6H5Ch3) yang didepositkan pada bahan konduktor Silicon (S;). Metoda yangdigunakan dalam pembuatan topographi permukaan tersebut adalah dengan cara mengukur arus yang timbul antara jarumpengukur (needle probe) dengan permukaan sample pada arus yang konstan.

ABSTRACTTHE STM MEASUREMENT OF POLIMERIZATION TOLUENE (C6HSChj) THIN FILMS SURFACE

DEPOSITED ON CONDUCTING SUBSTRATES SILICON (S;). The scanning tunneling microscope (STM) is a powerfultools for surface science study. this instrument can produce an image of a surface at high resolution. This paper is brief discussionof the surface measurement of polymerization toluene (C6HjCh3J thin films surface deposited on conducting substrates Silicon(S;). The metode used is to measured the current tunnel of the needle probe to the sample surface gap at a constant tunnel current.

KEY WORDTopography, STM; Toluen Surface Science.

PENDAHULUAN Tidak seperti halnya scanning electrommicroscope (SEM) yang dioperasikan dalamvacuum chamber, STM dapat dioperasikan pad atekanan atmosfier, ambient temperatur, gas clandalam tluida.

STM selain digunakan untuk mempelajaritentang surface science juga digunakan untukmempelajari tentang bidang-bidang lain antaralain: fisika, kimia clan biologi dalam ukuranmicroscopis, seperti hal nya yang telah dilakukanoleh A.M Baro dkk[2] dalam makalahnya tentangpenggunaan STM untuk menentukan topographypermukaan daTi sample biologi pada resolusi yangtinggi; R.Sonnerfeld clan P.K.Hansma (1986)[3]dalam makalahnya tentang atomic resolutionmicroscopy didalam air.

Telah banyak penggunaan STM untukpenelitian ilmu bahan/material khususnya untukbahan konduktor ataupun semikonduktor padaukuran atomic, clan juga untuk mengetahuistruktur permukaan daTi bahan terukur. Selain daripada penggunaan seperti tersebut diatas, STM jugadigunakan untuk melakukan penelitian padamaterial konduktor dengan absorbsi bahan organicpada bahan konduktor seperti yang dilakukan olehH. Ohtani, et.al. dengan penelitiannya penggunaanSTM pada permukaan bahan organic benzenepada bahan Rh(111 )-(3x3)(C6H6+ 2CO).

Scanning tunneling microscope (STM)adalah salah satu alat yang cukup potensial untukmempelajari tentang permukaan suatu bahan(surface science) pada saat ini. Microscope inidapat digunakan untuk membuat imagepermukaan suatu bahan untuk mengetahuitopographi dari permukaan tersebut untuk dapatdianalisa lebih lanjut.

Untuk mempelajari tentang permukaan,sering sekali dibutuhkan untuk mengetahui"electrical properties" dari bahan dan strukturedensity dari "single atomic step" ataupun "multipleatomic step" permukaan dari bahan sehubungandengan penelitian ilmu dan teknologi lainnya.STM ini dapat mengatasi kesulitan-kesulitan yangtimbul dalam mempelajari tentang ilmupermukaan (surface science) khususnya pada ordeukuran atom, disamping dapat menghasilkangambar topography permukaan suatu sampledalam 3 dimensi.

G.Binnig dan H.Rohrer (1983)[1] dariIBM research divisison, Zurich-switzerland adalahyang pertama kali memperkenalkan sistemscanning tunneling microscope (STM) dalammempelajari surface science, yang kemudiandiikuti oleh beberapa research group diseluruhdunia.

-1 Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 19972 P3KIM-LIPI3 Pusat Produksi Radioisotop -BAT AN

222

Pada makalah ini dijelaskan tentangpengukuran permukaan bahan lapisan tip ispolimer organic compound To/uen (C6H6+ 2CO)yang didepositkan pacta bahan konduktor silicon

(8i)[6].

maka awan electron dari kedua metal tersebutakan menjadi satu. Hila kedua metal tersebutdiberi hecla tegangan maka akan timbul arus tunnelpada kedua metal tersebut. Toluen adalah

merupakan keluarga alkylbenzene yang palingsederhana, clan juga merupakan molekul yangtermasuk dalam jenis planar molekul yangmempunyai molekul carbon, hidrogen clansubstitusi methyl berada pada lapisan yang sarna.

Dengan melakukan pengukuranpennukaan topographi bahan organic tolounetersebut akan dapat dianalisa clan ditentukanbesarnya harga electrical properties dari bahantersebut, sebagai contoh adalah besarnya hargakondu~tititas elektriknya. Seperti halnya bahanorganic compound lainnya, toluen jugamempunyai harga konduktititas elektrik yangrendah.

Pengukuran yang dilakukan dengan STMini adalah di udara terbuka (ambient temperature)dengan temperatur lingkunagan adalah temperaturkamar.

DASAR TEORI

Gambar I. Struktur molekul Toluen (C6H5Chj) (a)Strukture Crystal dari Toluen; (b) Awanelektron pada permukaan baban toluen; (c)Simbol kimia dari toluen.

Gambar I menunjukan struktur molekuler daritoluen, terlihat pada gambar 1 b. adanya awanelektron pada permukaan toluen, daD sesuaidengan prinsip kerja sistem STM seperti yangtelah dijelaskan sebelumnya, pengukuran yangdilakukan pada penelitian ini adalah menggunakanawan elektron pada permukaan toluen sebagaimedia diantara kedua elektroda pada sistem STM.Seperti halnya benzene, awan elektron pacta toluenmerupakan daerah elektron yang terlepas daripermukaannya daD mempunyai polaritas negative.Sehingga dalam pengoperasian sistem STM inidilakukan dengan tegangan bias positive (Field

stage ).

Prinsip dasar sistem scanning tunnelingmicroscope (STM) adalah pengukuran arus tunnel(tunnel current) yang merupakan data informasidaTi topography permukaan sample yang diukur.Arus tunnel ini merupakan arus yang timbuldiantara dua elektroda yang berdekatan satu samalain. Kedua elektroda tersebut pada sistemscanning tunneling microscope (STM) adalahbahan sample yang diukur daD jarum pengukur(needle tip) yang bergerak diatas permukaansample selama pengukuran, jarak jarum pengukurini diset pada jarak -1 nm diatas permukaansample, untuk mendapatkan arus terukur dengantegangan yang reasonable.

Arus tunnel terukur merupakan fungsiexponensial daTi jarak antara jarum pengukurdengan permukaan sample, daD ditunjukan denganpersamaan sbb :

C exp.(-2k d) ( 1 .)

dengan : I = Arus tunnel (Tunnel current)d = Jarak jarum pengukur

terhadap permukaansample.

METODA PENELITIAN

Oari teori "free electron" dapat diketahui bahwatotal density arus dari electron tunnel tidakmenjadi nol pada permukaan luar dari sample.Total density arus tunnel tersebut akan berkurangmenurut fungsi exponensial sampai beberapaAngstrom dari permukaan bagian luar sample,yang juga sering disebut sebagai adanya ,awanelectrow51. Sehingga kalau ada dua metal yangdidekatkan satu sama lain pada orde Angstrom,

Penelitian ini adalah untuk mengetahuistruktur kristal dari permukaan lapisan tipis bahanorganic toluen yang didepositkan pada bahankonduktor Silicon (Si). Dengan mengetahuipermukaan dari bahan terukur, maka akan dapatdilakukan penghitungan besamya konduktifitasdari bahan tersebut.

Pengukuran yang dilakukan adalahmerupakan pengukuran dengan teknik garis pergaris (Single line measurement) dengan sistemSTM. Frekuensi scanning yang digunakan adalah

223

sebesar 0.5 Hz. dengan range tegangan biassebesar +2 volt sampai dengan +5 volt, metodayang digunakan adalah arus konstan (ConstantCurrent Mode) dengan demikian arus tunnelterukur akan dijaga tetap konstan, clan perubahanposisi jarum ukur yang akan digunakan sebagaiperubahan permukaan dari sample terukur.Semakin rendah konduktititas dari material, makaakan semakin kecil arus tunnel yang akanmelewati daerah antara kedua elektroda, yaituujung jarum ukur clan permukaan sample terukur.Dengan demikan akan terdapat kesulitan dalammelakukan analisa dari gambar permukaan yangdidapat. Dengan mengatur besamya tegangan biasmaka akan didapat hasil pengukuran yang lebihoptimum untuk dapat dilakukan analisa daTi hasilpengukuran pada permukaan tersebut. Gambar 2.menunjukan gratik antara arus tunnel denganposisi ujung jarum pada beberapa tegangan biasyang digunakan. Pada kondisi tertentu hasilpengukuran dapat dihasilkan lebih optimumdengan memberikan tegangan bias yang lebihbesar, hal ini akan menimbulkan medan listrikyang lebih besar diantara kedua elektroda yaituujung jarum clan permukaan sample. Sehinggaarus tune I yang dihasilkan akan lebih besar yangakan diinjeksikan kedalam permukaan sampleterukur. Cara lain untuk dapat memberikan hasilpengukuran yang lebih baik adalah denganmenggunakan jarum ukur yang mempunyaiketajaman yang lebih tajam. Dengan lebihtajamnya ujung jarum maka permukaan keduaelektroda yang saling berhadapan akan lebih kecil,dengan demikian maka medan listrik yang timbuljuga akan lebih besar clan hal ini akanmenimbulkan arus tunnel yang lebih besar dengantegangan bias yang konstan. Kedua cara tersebutdapat digabungkan menjadi satu clan hal ini akanmemberikan efek pada hasil pengukuran yanglebih bagus clan lebih akurat sesuai dengan

ukurannya.

Gambar 3 menunjukan scanning berulang darisistem STM diatas permukaan sample terukur,yaitu permuklaan lapisan tip is bahan organictoluen yang didepositkan pada bahan silicon. Padapengukuran tersebut digunakan tegangan biassebesar +4 volt. dari percobaan tersebut ditunjukanpengulangan scanning pada garis yang sama untukmendapatkan basil yang optimum denganmenggunakan tegangan bias yang konstan.Terlihat dari basil percobaan bahwa terjadi distorsiyang diakibatkan oleh adanya histerisis daripiezoelektrik yang digunakan untuk mengaturposisi dari ujung jarum diatas permukaan sampleterukur.

Gambar 3. Grafik arus dan posisi jarum diataspermukaan sample dengan beberapa kali

penyapuan

Untuk mengetahui arus tunnel pacta beberapa titikukur sepanjang garis pengukuran maka dilakukanpengukuran arus tunnel dengan variasi teganganbias yang berbeda -beda untuk beberapat titikukur. Hasil pengukuran tersebut terlihat pactagambar 4.

0

/-"\IJ\I"\./\"~,/~"

\ l

Arus tunnel dengan posisi ujung jarumdengan teganan bias yangberbeda

Gambar 4.

,\../'/"" J'"-~'\.j\-"",,~ 0 I t

~Volt-y-;Gambar 2 Grafik antara arus tunel dan pem1ukaan

sample pada beberapa tegangan bias. Gambar 5 menunjukan garis tunggal penyapuandari ujung jarum ukur diatas sample organic toluen

224

diatas bahan silicon. Frekuensi scanning yangdigunakan adalah sebesar 05 Hz. dengan teganganbias sebesar +2 volt. Terlihat adanya perbedaanarus tunnel; yang dihasilkan pada daerah diantaraujung jarum ukur clan permukaan lapisan tipisbahan organic toluen. Hal tersebut juga dapatditunjukan adanya perbedaan arus yang terlihatlebih besar yang menunjukan bahwa besamyakonduktifitas pada titik terse but lebih besardibandingkan pada titik yang lainnya.

konduktifitas yang sangat rendah seperti halnyalapisan tipis bahan organic Toluen yangdidepositkan pada bahan konduktor silicon sepertiyang dilakukan pada percobaan ini.Dari percobaan -percobaan yang dilakukan dapatdilakukan pengukuran arus tunnel terhadapperubahan teganan bias pada beberapa titik diataspermukaan sample terukur. Dari pemgukurantersebut dapat dihasilkan tiga kondisi yaitu :.Pengukuran arus tunnel pada tegangan bias

'00'

Hz Sconn,nQ ".quoncy ,. uo.': In t""v,t" 0 po.itiv. 2 volt. b,o. input ~ppli.cI.

~"Ar L-:121 ~..

Garnbar 5. Garis penyapuan (Scanned line) pada permukaan lapisan tipis toluen pada bahan konduktor silikon. [6]

DISKUSI

Besamya arus tunnel yang timbul sangattergantung pacta resistansi yang acta pacta daerahantara ujung jarum pengukur dan permukaansample terukur sebagai elektroda pacta sistemSTM. Hal ini akan sangat tergantung pacta jenisdari bahan yang akan diukur. Toluen adalah bahanorganic seperti halnya benzene, dimana hargakonduktititas elektrik dari organic compoundadalah sangat kecil sekali yaitu pacta orde 10-17(S/m) sampai 10-3 (S/m). Sedangkan hargaconduktititas elektrik dari metal adalah dalam orde10+7(S/m). Untuk menghitung harga konduktivitaselektrik dari lapisan tipis dengan sistem STM,perlu untuk melakukan pengukuran arus tunnelantara ujung jarum ukur dan permukaan sampleterukur yang merupakan fungsi dari tegangan biasdari sistem STM. Harga resistansi dankonduktititas dari gap antara ujung jarum clanpermukaan sample dapat dihitung dari hasilpengukurang sepeti terlihat pacta gambar 4. gartikarus tunnel dengan posisi ujung jarum ukurdengan tegangan bias yang berbeda. Dari gambarini akan didapat kemungkinan untuk menetukanbesamya konduktititas dari lapisan tip is,khususnya untuk lapisan tipis yang mempunyai

sarna dengan Dol, hal ini akan rnenunjukanperrnukaan pada kondisi titik awal dari

pengukuran..Pengukuran tegangan pada arus tunel sama

dengan Dol, hal ini akan rnenunjukantegangan antara ujung jarurn daD perrnukaan

sample lapisan tipis..Slope pada grafik antara tegangan daD arus

yang terukur akan rnenunjukan resistansi darilapisan tip is.

Garnbar 6 rnenunjukan grafik antara arus tune Iterukur dengan tegangan bias yang berbeda padabeberapa titik pengukuran. Data-data yangdigunakan adalah dari basil pengukuran sepertiterlihat pada garnbar 4 sebanyak 20 titik

pengukuran sepanjang garis pengukuran.Tabel I daD tabel 2 menunjukan 20 titikpengukuran basil perhitungan resistansi daDkonduktansi dari lapisan tipis bahan organic toluenpada bahan konduktor silicon. Dari basil perhitungterilhat adanyan perbedaan resistansi ataupunkonduktasi dari titik -titik pengukuran sepanjanggaris pengukuran. Dari tabel tersebut dapat dilihatbahwa conductansi dari sample terukurmernpunyai harga berkisar 3.191 (nS) sampai6.435 (nS), dengan rnengasumsikan bahwaketebalan lapisan tipis tersebut sarna, rnaka dapatdihitung bahwa harga konduktansi rata -ratanya

225

adalah sebesar 7.655 (nS). Dengan demikian makasistem STM dapat digunakan untuk menghitungbesarnya konduktititas elektrik dari bahan terukur,walaupun harga konduktititas tersebut relatif kecilsekali.

harga konduktifitas elektri yang kecil perludiperhatikan beberapa point renting antara lain:

Tegangan bias yang digunakan padapengukuran.Ujung jarum ukur yang digunakanmempunyai ketajaman yang sangat tajam,sebaiknya hanya terdapat satu buah atomdiujungnya untuk mendapatkan arus yangcukup dengan daerah pengukuran yang kecil.

KESIMPULAN

Dari pengukuran yang telah dilakukan dapatdiambil kesimpulan bahwa sistem scanning

tunneling microscope ini, merupakan peralatanyang potensial pada saat ini untuk mempelajariilmu permukaan (surface science) serta ilmu lainyang bekerja pada orde ukuran atom.

Pengukuran dengan STM dapat digunakan untukmendapatkan topographi dari permukaan sample,yang kemudian dapat digunakan dan dianalisauntuk menghitung properties elektrik dari bahanterukur. Pengukuran permukaan sample lapisantipis bahan organic tolouene menunjuikan bahwaada harga -harga arus tunnel yang relatif besardari yang lainnya. Hal tersebut menunjukanadanya konduktifitas yang besar daD hal initerlihat bahwa permukaan silico menembus darilapisan tipis bahan organic tersebut.

I ,..,

Tabel I. Resistansi lapisan tipis bahan organic Toluenpada bahan silikon pacta beberapa titik

pengukuran

Titik Ukur Resistansi (011)

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.~

13.14.15.16.17.18.19.20.

0.1570.1410.1260.0710.1450.1690.1840.0820.1410.0940.2240.1650.2120.1100.1530.1570.1100.1960.1020.122

t,.,

-.., ..,"'"...".-" r"., .....0'4' , t,,' ,.,

,"."..,

Gambar 6. Grafik antara arus tunnel dan tegangan biaspacta beberapa titik ukur sepanjang garis

pengukuran.

Untuk mendapatkan basil pengukuran yang cukupakurat khususnya untuk sample yang mempunyai

226

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN/4/0-2897

Tabel 2. Konduktansi lapisan tipis bahan organicToluen pada bahan silikon pada beberapatitik pengukuran

DAFT AR PUST AKA.

TitikUkur Kooduktansi (oS)

1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.

6.3697.0927.937

14.0906.8975.9175.435

12.1907.092

10.6404.4646.061

4,7179.091-6.5366.3699.0915.1029.8048.197

[I] BINNIG, G. dan ROHRER, H., "ScanningTunneling Microscopy", Surface Science,126, (1983) p. 236-244.

[2] BARO, A.M.et al., "Determination of SurfaceTopography of Biological Specimens at HighResolution by Scanning TunnelingMicroscopy", Nature, 315, (1985) p. 253-254.

[3] SONNENFELD, R., dan HANSMA, P. K.,"Atomic-Resolution Microscopy In Water",Science, 232, (1986) p. 211-213.

[4] HANSMA, P.K., dan TERSOFF, J.,"Scanning Tunneling Microscopy", JournalApplied Physic, 61(2), (1987) p. RI-R23.

[5] DEKKER, A.J., "Solid State Physics",Macmilan, London, (1970).

[6] ARJADI, R.H., "The Design and Constructionof A Scanning Tunneling Microscope for TheInvestigation of Thin Insulating Films", PhD.Thesis, Salford-U.K, (1991).

227