AME(Aplikasi Mekanika Energ.
Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 86-90 Volume 8 dan Nomor September 2022 Adnan, 2022 pp 86-90 Website: http://ejournal.
uika-bogor.
id/index.
php/ame/index Model Dinamis Non Ideal Ferroelectric Capacitor pada Sifat Ferroelektrik Material Zinc Oxide (ZNO) dengan Doping Li 1% Septian Rahmat Adnan Fakultas Teknik.
Universitas Esa Unggul.
Jakarta.
Indonesia, 11510
ABSTRAK
Sifat ferroelektrik telah sejak lama mendapat perhatian para peneliti karena dapat diaplikasikan pada berbagai bidang teknologi salah satunya adalah pada divais elektronik.
Pada perkembangan penelitian ditemukan bahwa adanya fenomena ferroelektrik dari material berbasiskan material Zinc Oxide (ZnO) dengan diberkan doping ataupun bentuk komposit dengan material tambahan seperti BaTiO3.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memodelkan karaktetistik ferroelektrik material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% yaitu polarisasi spontan (P.
, polarisasi saturasi (Psa.
dan medan koersif (E.
menggunakan model non ideal ferroelectric capacitor yang dijalankan pada program Delphi 7 yang berbasis pascal dan dilajutkan perhitungan R-Weighted pattern (Rw.
untuk mengetahui tingkat perbedaan antara antara hasil pemodelan dan eksperimen.
Dari hasil pemodelan didapatkan nilai polarisasi saturasi dan polarisasi remanen menggunakan model non ideal ferroelectric capasitor mendekati nilai eksperimen yaitu 5 C/cm2 dan 3,9 C/cm2 dengan nilai RWeigted Pattern 18%.
Dari hasil tersebut didapatkan bahwa model non ideal ferroelectric capacitor dapat memprediksi sifat karakteristik ferroelectric dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% dengan cukup Kata kunci : ferroelectric.
non-ideal ferroelectric capacitor.
Zinc Oxide
ABSTRACT
The phenomenon of ferroelectric has received the attention of researchers because it can be applied to various fields of technology, one of which is in electronic devices.
It was found that there was a ferroelectric phenomenon from materials based on Zinc Oxide (ZnO) with doping or in composite forms with additional materials such as BaTiO3.
The current study was aimed model the ferroelectric characteristics of Zinc Oxide (ZnO) material with 1% Li doping, namely spontaneous polarization (P.
, saturation polarization (Psa.
and coercive field (E.
by using a non-ideal ferroelectric capacitor The study was run on the Delphi program.
7 based on Pascal and continued calculating the RWeighted Pattern (Rw.
to determine the level of difference between the modeling and experimental The modelling result showed that the values for saturation polarization and remanent polarization using the non ideal ferroelectric capacitor model were close to the experimental values, namely 5 C/cm2 and 3.
9 C/cm2 respectively, with an R-Weigted Pattern value of 18%.
These results suggest the non-ideal ferroelectric capacitor model can predict the ferroelectric characteristics of Zinc Oxide (ZnO) material with 1% Li doping quite well.
Keywords : ferroelectric.
non-ideal ferroelectric capacitor.
Zinc Oxide * Penulis korespondensi Email: septian.
rahmat@esaunggul.
Diterima 21 Mei 2022.
Disetujui 25 Mei 2022 AME (Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 2022 AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 86-90
Adnan, 2022
PENDAHULUAN
Sifat ferroelektrik telah diteliti dan dikembangkan oleh banyak peneliti karena sifatnya yang dapat diterapkan pada berbagai jenis aplikasi terutama pada industry elektronik (Hendri et al.
Salah satu kandidat material ferroelektrik yang mendapat banyak perhatian para peneliti adalah material Zinc Oxide (ZnO) karena stuktur kristal dari Zinc Oxide pada beberapa fasa terutama pada struktur nano memiliki banyak potensi aplikasi terutama pada aplikasi sensor (Li et al.
, 2019.
Beberapa aplikasi pada bidang teknologi elektronika dari material material Zinc Oxide adalah sebagai nano sensor, memory dan generator.
(Adnan, 2.
Dari hasil ferroelektrik pada beberapa material berbasiskan material Zinc Oxide (ZnO) salah satunya adalah material komposit BLLT/ZnO.
BaTiO3/ZnO dan carbon doped ZnO.
Serta ZnO yang di doping Vanadium (Li et al.
, 2019.
(Ma et al.
, 2.
(Seol et , 2.
(Wang et al.
, 2.
(Hendri et al.
, 2.
Sehingga material Zinc Oxide (ZnO) menjadi salah satu material yang memiliki sifat ferroelektrik yang menjadi kandidat untuk diaplikasikan pada berbagai alat elektronik (Maiz et al.
, 2.
Beberapa penelitian tentang sifat ferroelektrik dari material Zinc Oxide (ZnO) yang telah dilakukan oleh para peneliti (Maiz et al.
,2.
(Ma et al.
, 2.
(Seol et al.
, 2.
(Wang et al.
, 2.
(Hendri et al.
, 2.
Pada penelitian ini.
Sifat karakteristik ferroelektrik pada sifat polarisasi saturasi, polarisai spontan, polarisasi remanen dan medan koersif dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan didoping 1% Li di modelkan menggunakan model non ideal ferroelectric capacitor yang dijalankan pada program berbasis pascal pada Delphi 7 (Miller et al.
, 1.
Selanjutnya, beberapa besaran masukan digunakan untuk melakukan pemodelan yaitu remanen (P.
, polarisasi saturasi (P.
dan medan koersif (E.
dari nilai eksperimen serta faktor skala.
Untuk mengetahui tingkat perbedaan pemodelan dan eksperimen dilakukan perhitungan statistic berupa R-Weigted Pattern (Rw.
(Miller et , 1.
(Adnan, 2.
(Wang et al.
, 2.
(Adnan.
METODE PENELITIAN Sifat karakteristik ferroelektrik dari suatu material ferrolektrik yang terjadi pada domaindomain penyusun dapat di jelaskan sebagai polarisasi positif yang disebabkan oleh medan listrik positif dan polarisasi negatif yang disebabkan oleh medan listrik negatif, seperti ditunjukan pada persamaan 1: (Miller et al.
, 1.
ycEyccOe .
= OeycEycc (Oey.
Hubungan antara polarisasi pada domain dan medan listrik yang mempengaruhi domain dapat dijelaskan dengan suatu hubungan matematis dalam bentuk fungsi hiperbolik seperti ditunjukan pada persamaan 2(Miller et al.
, 1.
yaOeya ycEycc .
= ycEyc ycycaycuEa [ 2yu yca ] .
Dengan E adalah medan listrik luar.
Ec adalah medan koersif dan adalah konstanta hubungan antara medan listrik spontan dan polarisasi Selanjutnya konstanta dapat dihitungan menggunakan persamaan 3 (Miller et , 1.
1 ycE /ycE yu = yayca .
OeycEycI/ycEycI)] ycI ycI Polarisasi yang terjadi saat medan listrik luar yang diberikan bernilai nol didefinisikan sebagai polarisasi remanen seperti ditunjukan pada persamaan 4 (Miller et al.
, 1.
ycEycc .
= OeycEycI Hubungan antara polarisasi remanen dan medan koersif ditunjukan pada persamaan 5 :
Oeya OeycEycI = ycEycI ycycaycuEa [ 2yuya ] .
Selanjutnya, persamaan 5 dapat dituliskan menjadi persamaan 6 :
= ycaycycaycycaycuEa ( ycEycI) 2yu Dengan menggunakan persamaan 3 dan persamaan 6, selanjutnya dapat dituliskan menjadi persamaan 7 sebagai berikut :
AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 86-90 Adnan, 2022 1 ycI ycEycI coycu ycE )] 2yu 1Oe ycI ycEycI didapatkan nilai polarisasi saturasi (P.
5 C/cm2.
Polarisasi remanen (P.
3,9 C/cm2 dan nilai medan listrik koersif (E.
74,5 kV/cm.
Untuk mengetahui selisih dan tingkat kecocokan antara hasil pemodelan dan data eksperimen dilakukan perhitungan dengan pendekatan statistic berupa R-Weighted Pattern (Rw.
dengan persamaan seperti ditunjukan pada persamaan 8 : (Hikam et al.
, 2.
(Adnan, 2.
Ocycu .
cE OeycEycn.
) ycIycycy = [ ycn=1 Ocycn.
ycu ycn=1 ycEycn.
] ycu100% .
Dengan beberapa variabel yang digunakan yaitu Pexp merupakan data polarisasi eksperimen dan Pmod merupakan data polarisasi yang didapatkan dari hasil pemodelan.
Pada perhitungan Rwp (Rweighted patter.
, digunakan pendekatan dengan polarisasi yang didapatkan dari eksperimen dan hasil pemodelan merupakan kurva simetris pada sisi atas dan bawah sehingga hanya digunakan data kurva bagian bawah untuk menghitung nilai Rwp (R- weighted patter.
dari kedua kurva.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil pemodelan sifat karakteristik material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% menggunakan model non ideal ferroelectric capacitor yang dijalankan pada Delphi 7 ditunjukan pada Gambar 1 dan Gambar 2.
Gambar 1.
Pemodelan sifat karakteristik ferroelektrik material ZnO dengan doping Li 1% pada Delphi 7 Data variabel yang digunakan sebagai data masukan pada pemodelan ini adalah nilai polariasi remanen (P.
, polarisasi spontan (P.
, nilai medan listrik koersif (E.
dan nilai Medan listrik input (E) eksperimen dan menggunakan nilai faktor skala 2.
Dari hasil pemodelan Gambar 2.
Kurva sifat karateristik ferroelektrik material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% Menggunakan Model Non Ideal Ferroelectric Capacitor Dari hasil pemodelan dapat diamati bahwa terjadi pergeseran medan koersif dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% sehingga terjadi perbedaan nilai antara medan koersif postif dan medan koersif negatif.
Serta dapat diamati juga bahwa didaptkan medan koersif negatif bernilai hampir mendekati nol.
Hal ini dapat dijelaskan bahwa pendekatan pada model non ideal ferroelectric capacitor sangat bergantung pada faktor pengurang medan koersif dari data masukan.
Hal serupa juga pada nilai polarisasi remanen (P.
dari hasil pemodelan sifat ferroelektrik menggunakan model non ideal ferroelectric capacitor.
Pada Gambar 2 terlihat bahwa pergeseran kurva juga berdampak pada perbedaan nilai polarisasi remanen (P.
positif dan nilai polarisasi remanen (P.
Serta didapatkan polarisasi remanen bernilai mendekati nol dan menyebabkan nilai polarisasi remanen negatif menjadi lebih bsar.
Hal ini dapat jelaskan karena besar medan listrik yang diterapkan pada saat dipol-dipol terpolarisasi pada satu arah lebih besar dibandingkan pada saat dipol-dipol penyusun material mengalami polarisasi balik (Adnan, 2.
Tetapi, perbedaan nilai tidak terjadi pada polarisasi spontan dan polarisasi AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 86-90 Adnan, 2022 menjadi lebih besar sesuai nilai faktor skala yang diberikan (Adnan, 2.
Tabel 1.
Hasil Pemodelan dan Eksperimen Gambar 3.
Kurva sifat karakteristik ferroelektrik eksperimen .
dan pemodelan .
dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% Hasil pemodelan dan eksperimen sifat ferroelektrik dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% ditunjukan pada Gambar 3.
Dari sifat ferroelektrik terlihat bahwa material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% cukup mudah terpolarisasi.
Hal ini ditandai dengan diberikannya medan listrik luar dengan nilai rendah sudah cukup dapat menyebabkan polarisasi yang cukup besar pada dipol-dipol penyusun dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1%.
Serta dapat dijelaskan juga bahwa doping li 1% pada struktur kristal Zinc Oxide (ZnO) menyebabkan beberapa atom Li menggantikan antom Zn pada struktur kristal ZnO yang berdampak pada dipol-dipol penyusun material ZnO lebih mudah untuk terpolarisasi hingga mencapat polarisasi saturasi (Seol et al.
(Wang et al.
, 2.
Dari hasil simulasi dan ekperimen dapat dilihat bahwa terjadi perbedaan pada beberapa nilai karakteristik sifat ferroelektrik dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% seperti medan koersif (E.
, polarisasi saturasi (P.
dan polarisasi spontan serta polarisasi remanen (P.
seperti ditunjukan pada Tabel 1.
Pada Tabel 1 dapat dilihat bahwa nilai polarisasi saturasi antar hasil pemodelan mendekati nilai eksperimen dengan selisih yang sangat kecil.
Hal serupa juga terlihat pada nilai polarisasi remanen hasil pemodelan dengan nilai eksperimen.
Hal ini dapat dijelaskan bahwa faktor skala pada pemodelan menpengaruhi nilai karakteristik polarisasi saturasi dan polarisasi remanen yang menyebabkan polarisasi yang terjadi pada dipoldipol penyusun material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% terpolarisasi menjadi lebih Serta faktor skala menyebabkan nilai medan koersif yang diterapkan pada material Polarisasi Remanem (P.
(C/cm.
Polarisasi Saturasi (P.
(C/cm.
Medan Koersif (E.
kV/cm Model
Eksperimen
Rwp
(%)
Dari Tabel 1.
dapat dilihat bahwa ada nya perbedaan yang cukup besar pada nilai karakteristrik medan koersif hasil pemodelan dan Hal ini dapat dijelaskan bahwa medan listrik yang diterapkan pada pemodelan terdapat faktor pengurang yang menyebabkan nilai medan listrik yang diterapkan pada material Dari data pemodelan dan eksperimen dapat dinyatakan bahwa model non ideal ferroelectric capacitor dapat dengan cukup baik ferroelektrik dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1%.
Hal ini dinyatakan dengan nilai R-weighted pattern (Rw.
antara hasil pemodelan dan eksperimen adalah 18 % yang dapat dinyatakan cukup rendah.
Pada penelitian lanjutan akan dikembangkan model non ideal ferroelectric capacitor dengan menggunakan variable struktur kristal dari material.
KESIMPULAN DAN SARAN
Dari pemodelan sifat ferroelektrik Zinc Oxide (ZnO) dengan doping 1% Li dapat disimpulkan sebagai berikut:
Hasil pemodelan nilai polarisasi saturasi dan polarisasi remanen menggunakan model non ideal ferroelectric capasitor mendekati nilai eksperimen yaitu 5 C/cm2 dan 3,9 C/cm2 dengan nilai eksperimen adalah 6 C/cm2 4,8 C/cm2 dan 27,3 kV/cm.
Nilai R-weighted pattern (Rw.
antara hasil pemodelan dan eksperimen didapatkan 18%.
Model non ideal ferroelectric capacitor telah cukup baik untuk memprediksi sifat karakteristik ferroelektrik yaitu polarisasi saturasi dan polarisasi remanen dari material Zinc Oxide (ZnO) dengan doping Li 1% AME(Aplikasi Mekanika dan Energ.
: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 8 .
, pp 86-90
Adnan, 2022
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Kementrian Pendidikan.
Kebudayaan.
Riset dan Teknologi Republik Indonesia, sebagian dana riset ini berasal dari Hibah Penelitian Kerjasama Antar Perguruan Tinggi Tahun 2022 dengan no 069/E5/PG.
PT/2022,
455/LL3/AK.
04/2022,
002/SPP.
JAMAK/LPPM/VI/2022
REFERENSI