Penggunaan Metode DC Magnetron Sputtering dalam Pembuatan Lapisan Tipis Tipe N (AZO) Sebagai Modul Termoelektrik

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 8, No. 1 (2019), 2337-3520 (2301-928X Print) B1 Penggunaan Metode DC Magnetron Sputtering dalam Pembuatan Lapisan Tipis Tipe N (AZO) Sebagai Modul Termoelektrik Elysa Nensy Irawan1, Melania S. Muntini1, Aldo Mahenda Putra1, Tosawat Seetawan2, Kunchit Singsoog2, Somphorn Thawankaew2, Watchara Caho-Moo2, and Athorn Vora-Ud2 1 Departemen Fisika, Fakultas Sains, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) 2 Thin Film Research Laboratory, Center of Excellence on Alternative Energy, Research and Development Institution, Sakon Nakhon Rajabhat University, 680 Nittayo Rd, Mueng District, Sakon Nakhon 47000, Thailand e-mail: Abstrak—Penelitian mengenai termoelektrik sedang gencar dikembangkan sejak tahun 1990. Pada tahun 2017, mulai dikembangkan termoelektrik yang menggunakan lapisan tipis. Pada penelitian ini, dilakukan fabrikasi termoelektrik lapisan tipis tipe N menggunakan material Zink Oxide (ZnO) di doping dengan Al2O3. Massa ZnO yang diperlukan sebanyak 20.680-gram dan Al2O3 10.079 gram. Proses fabrikasi lapisan tipis dilakukan menggunakan mesin DC Magnetron Sputtering. Tahapan-tahapan dalam melakukan penelitian ini terbagi ke dalam tiga tahapan utama yakni sintesis, fabrikasi (sputtering), dan pengujian. Proses sputtering dilakukan selama 10 menit dan substrat yang digunakan yakni kaca. Pengujian yang dilakukan yakni pengujian ketebalan menggunakan Tolansky Apparatus, pngujian XRD untuk mengetahui fasa yang terbentuk, pengujian ZEM-3 untuk mengetahui resistivitas, Koefisien Seebeck, dan power factor. Berdasarkan pengujian yang dilakukan, diperoleh ketebalan dari lapisan tipis yang terbentuk yakni 74.72 nm. Nilai Koefisien Seebeck dari lapisan tipis yang terbentuk semakin bertambah seiring kenaikan suhu sehingga dapat disimpulkan bahwa material AZO baik digunakan untuk aplikasi termoelektrik pada rentang suhu 200-350 °C. Kata Kunci—DC Magnetron Sputtering, Koefisien Seebeck, termoelektrik, lapisan tipis. E I. PENDAHULUAN NERGI merupakan faktor yang sangat diperlukan untuk pertumbuhan Negara dan pembangunan ekonomi. Persedian energi fosil yang digunakan untuk energi listrik memiliki cadangan yang terbatas. Ketergantungan Indonesia pada energi fosil membuat produksi minyak bumi dalam negeri menurus drastis sejak tahun 2001. Keadaan ini didorong oleh kebutuhan yang terus naik dan tumbuhnya sektor industri di Indonesia. Ketergantungan energi fosil masih didominasi oleh kebutuhan minyak yang mencapai 41,8 %, batu bara 29% dan gas 23 %. Kebutuhan energi yang besar ini tidak bisa ditopang oleh cadangan energi Indonesia yang semakin menipis. Melihat kondisi di Indonesia dimana kebutuhan listrik semakin meningkat maka perlu dikembangkan potensi energi baru dan terbarukan. Potensi energi terbarukan yang dapat dikembangkan di Indonesia yaitu angin, air terjun, panas bumi, pasang surut air laut (tidal), biomassa dan radiasi matahari (solar). Pembuatan termoelektrik memungkinkan untuk mengubah panas matahari menjadi energi listrik. Salah satu komponen terpenting pada termoelektrik adalah lapisan tipis (thin film). Sehingga dalam beberapa tahun terakhir, penelitian yang gencar dikembangkan adalah penelitian mengenai lapisan tipis. Lapisan tipis umumnya lapisan dari bahan organik, anorganik, logam, maupun nonlogam yang memiliki sifat konduktor, semikonduktor, maupu isolator [1]. Tidak hanya dimanfaatkan pada termoelektrik, saat ini lapisan tipis banyak dikembangkan dalam berbagai bidang, seperti pada penyusun kapasitor, sensor-sensor, sel surya, dan sebagainya. Penumbuhan lapisan tipis banyak dilakukan dengan berbagai metode antara lain close space sublimation (CSS), vapor transport deposition (VTD), physical vapor deposition (PVD), chemical vapour deposition (CVD), molecular beam epitaxy (MBE), dan sputtering [2]. Dari beberapa metode tersebut, metode yang sering digunakan adalah metode sputtering. Metode ini banyak dipilih karena memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan teknikteknik pembentukan film tipis lainnya [3]. Oleh karena itu, penulis melakukan coop penelitian denga judul “Fabrikasi Thin Film Tipe N (AZO) Sebagai Material Termoelektrik Menggunakan Metode DC Magnetron Sputtering”. Lapisan tipis merupakan suatu lapisan yang terbentuk dari fraksi suatu material dengan ketebalan berkisar pada orde nanometer hingga mikrometer. Pembentukan lapisan tipis dilakukan dengan berbagai metode antara lain close space sublimation (CSS), vapor transport deposition (VTD), physical vapor deposition (PVD), chemical vapour deposition (CVD), molecular beam epitaxy (MBE), dan sputtering (McCandless, 2003). Dalam penelitian ini, ZnO digunakan karena memiliki stabilitas termal yang tinggi dan mudah untuk didoping menggunakan unsur-unsur golongan III (Al, Ga, In, dll.) [4]. ZnO dirasa memiliki kelebihan khusus karena merupakan unsur yang memiliki kestabilan termal, murah, tidak beracun, dan tidak rusak pada suhu tinggi [5]. Zinc Oxide merupakan senyawa anorganik yang bersifat amfoter dan senyawa ini hampir tidak larut dalam alkohol maupun air tetapi larut dalam kebanyakan asam. ZnO merupakan jenis lapisan tipis konduktif yang transparan dan karakteristik elektro-optiknya dapat ditingkatkan dengan cara deposisi [6]. Kelebihan ZnO yang lain adalah dapat ditumbuhkan pada temperatur substrat yang relatif rendah sekitar 200400°C [7]. Namun untuk aplikasi termoelektrik, resistivitas listrik dari material ZnO terlalu tinggi apabila tidak diolah terlebih dahulu [8]. Untungnya, hal tersebut dapat diminimalisasi melalui doping. Sifat termoelektrik dari lapisan tipis ZnO dapat ditingkatkan dengan doping Aluminium. Unsur golongan III A khususnya aluminium (Al) banyak digunakan sebagai dopan dan dapat menaikkan konduktivitas listrik film tipis ZnO hingga berorde 105 Ω.cm [9]. Di antara penemuan- JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 8, No. 1 (2019), 2337-3520 (2301-928X Print) B2 Gambar 2. Proses Sputtering. Gambar 1. Mesin DC Magnetron Sputtering. penemuan sebelumnya, ditemukan bahwa ZnO yang didoping dengan Al (AZO) adalah salah satu bahan termoelektrik terbaik untuk aplikasi termoelektrik suhu tinggi [10]. Terdapat banyak metode untuk membentuk lapisan tipis, salah satunya yaitu glow-discharge. Glow discharge merupakan salah satu tipe pembentukan plasma dengan cara melewatkan arus melalui medium gas. Plasma merupakan gas bermuatan dan partikel netral yang menunjukkan perilaku kolektif [11]. Metode glow-discharge dibagi lagi menjadi 2, yakni sputtering dan proses plasma. Salah satu teknologi sputtering yang sering digunakan yaitu magnetron sputtering [12]. Metode magnetron sputtering terdapat berbagai macam teknik yaitu alternating current (AC), direct current (DC), radio frequency (RF), and pulsed-dc. Pada penelitian kali ini, metode yang dipilih adalah metode DC Magnetron Sputtering. DC magnetron digunakan untuk bahan logam. DC magnetron merupakan proses yang paling murah karena pasokan listrik DC lebih sederhana untuk diproduksi [13]. Pada teknik DC Magnetron Sputt (...truncated)