Selasa, 30 Desember 2008
TEORI DOMAIN WALL untuk Material Ferreoelektrik
Teguh Yoga Raksa ( 2008)
Model histerisis dari ferroelektrik material dapat dikelompokan menjadi beberapa kategori, salah satu kategorinya adalah teori mikroskopis material yang mengacu pada proses pembalikan domain, mekanisme pergerakan dinding domain akibat adanya pengaruh medan listrik dari luar. Sifat dielektrik dari material ferroelektrik dapat dijadikan acuan untuk pemodelan dengan menggunakan statistik boltzman untuk menghitung probabilitas dipol yang menempati energi level tertentu. Beberapa pemodelan yang mengacu pada fenomena domain akan diperkenalkan, yaitu pemodelan dengan menggunakan perumusan Langevin, model Ising Spin dan model yang ketiga adalah gabungan dari keduanya .
Pemodelan pada umumnya menggambarkan adanya area padat dimana perputaran dipol berlawanan arah dengan konfigurasi ionik sehingga menyebabkan perubahan yang sangat besar pada polarisasinya, dan hal ini memperlihatkan adanya saturasi pada saat level medan tinggi ketika distribusi muatan tidak diperkenankan untuk perubahan selanjutnya. Sebaliknya pengukuran kurva polarisasi pada saat level yang tinggi anhysterisis memikili nilai tunggal dan reversibel. Medan efektif dengan asumsi ideal dapat diformulasikan seperti persamaan berikut :
Ee =E+alpha*P
Besaran E, P menunjukan medan listrik dan hasil polarisasi sementara nilai aP merupakan menunjukan interdomain kopling. Pendekatan statistik Boltzman digunakan untuk menghitung probabilitas dipol – dipol yang menempati energi keadaan tertentu, dengan asumsi material isotropik , orientasi sel ke segala arah dan dicapainya keseimbangan termal dan elektrostatik maka diperoleh persamaan Langevin untuk polarisasi anhisterisis.
Model yang kedua pada polarisasi anhisterisis adalah model Ising Spin, dimana mengasumsikan bahwa orientasi momen dipol hanya pada arah medan listrik atau berlawanan arah .
Model yang ketiga adalah model gabungan dari model Langevin dan Ising Spin, model ini dibuat dengan asumsi grain pada material terdistribusi secara acak, akan tetapi dipol – dipol setiap sel hanya memiliki dua arah orientasi yang mungkin, ketiga model ini dapat dpergunakan untuk menghitung polarisasi anhysteritic akibat adanya medan listrik luar
referensi :
Pemodelan pada umumnya menggambarkan adanya area padat dimana perputaran dipol berlawanan arah dengan konfigurasi ionik sehingga menyebabkan perubahan yang sangat besar pada polarisasinya, dan hal ini memperlihatkan adanya saturasi pada saat level medan tinggi ketika distribusi muatan tidak diperkenankan untuk perubahan selanjutnya. Sebaliknya pengukuran kurva polarisasi pada saat level yang tinggi anhysterisis memikili nilai tunggal dan reversibel. Medan efektif dengan asumsi ideal dapat diformulasikan seperti persamaan berikut :
Ee =E+alpha*P
Besaran E, P menunjukan medan listrik dan hasil polarisasi sementara nilai aP merupakan menunjukan interdomain kopling. Pendekatan statistik Boltzman digunakan untuk menghitung probabilitas dipol – dipol yang menempati energi keadaan tertentu, dengan asumsi material isotropik , orientasi sel ke segala arah dan dicapainya keseimbangan termal dan elektrostatik maka diperoleh persamaan Langevin untuk polarisasi anhisterisis.
Model yang kedua pada polarisasi anhisterisis adalah model Ising Spin, dimana mengasumsikan bahwa orientasi momen dipol hanya pada arah medan listrik atau berlawanan arah .
Model yang ketiga adalah model gabungan dari model Langevin dan Ising Spin, model ini dibuat dengan asumsi grain pada material terdistribusi secara acak, akan tetapi dipol – dipol setiap sel hanya memiliki dua arah orientasi yang mungkin, ketiga model ini dapat dpergunakan untuk menghitung polarisasi anhysteritic akibat adanya medan listrik luar
referensi :
Ralph C Smith dan Craig L. Hom, A domain Wall Theory for Ferrolectric Material , Jurnal of Intelligent Material Systems and Structures, 1999
The influence of Mg doping on the materials properties of Ba1−xSrxTiO3 thin films for tunable device applications
Received 31 March 2000;
revised 7 June 2000;
accepted 9 June 2000.
Available online 13 October 2000.
Abstract
We have investigated the structural, microstructural, interfacial, and surface morphological properties of Ba0.60Sr0.40TiO3 thin films Mg doped from 0 to 20 mol%. A strong correlation was observed between the films materials properties and the prior determined dielectric and insulating characteristics as a function of Mg doping. Non-textured polycrystalline films with a dense microstructure and abrupt film-Pt electrode interface were obtained after annealing at 750°C for 30 min. Single phase solid solution films were achieved at Mg doping levels up to 5 mol%, while multiphased films were obtained for Mg doping levels of 20 mol%. Decreases in the films dielectric constant, dielectric loss, tunability and leakage current characteristics were paralleled by a reduction in grain size as a function of increasing Mg dopant concentration. Our results suggest that Mg doping serves to limit grain growth and is thereby responsible for lowering the dielectric constant from 450 to 205. It is suggested that Mg behaves as an acceptor-type dopant at the grain boundary and is responsible for the doped films low dielectric loss and good leakage current characteristics. Examination of the performance-property trade-offs advocates the 5-mol% Mg doped BST film to be an excellent choice for tunable microwave device applications.
Author Keywords: Dilectric properties; Deposition process; Film miscrostructure
Preparation and Characterization of BaxSr1-x, TiO3 Thin Films by a Sol-Gel Technique
Danielle M. Tahan 1 , Ahmad Safari, ★ 1 Lisa C. Klein ★ 1
1 Department of Ceramic Science and Engineering, Rutgers University, Piscataway, New Jersey 08855–0909
W. Huebner–contributing editor
Presented at the 97th Annual Meeting of the American Ceramic Society, Cincinnati, OH, May 1,1995 (Thick and Thin Films: Devices and Technology Symposium, Paper No.SXXII-14).
*Member, American Ceramic Society.
Copyright 1996 by The American Ceramic Society, Inc.
ABSTRACT
Barium strontium titanate, (Bax,Sr1-x TiO3, thin films of various compositions were prepared by a sol-gel method. Solutions consisting of acetate powders and titanium IV isopropoxide in a mixture of acetic acid and ethylene glycol were spin-coated onto silicon and platinum-coated silicon substrates. Processing parameters were optimized to develop stable solutions which yielded films with relatively low crystallization temperatures. It was determined that ethylene glycol was a necessary component of the solution to increase stability to precipitation and to decrease the crystallization temperature of the films. The grain size of the films varied with annealing temperature and atmosphere and directly affected the dielectric properties. A dielectric constant of 400 and a dissipation factor of 0.04 were measured at 1 kHz for (Ba0.8,Sr0.2) TiO3 films heated to 700°C for 1 h with a thickness of approximately 400 nm. Films of this composition maintained low leakage current densities for extended time periods when measured at an applied field of 75 kV/cm.
Manuscript No.192430. Received July 24, 1995; approved January 16, 1996.
1 Department of Ceramic Science and Engineering, Rutgers University, Piscataway, New Jersey 08855–0909
W. Huebner–contributing editor
Presented at the 97th Annual Meeting of the American Ceramic Society, Cincinnati, OH, May 1,1995 (Thick and Thin Films: Devices and Technology Symposium, Paper No.SXXII-14).
*Member, American Ceramic Society.
Copyright 1996 by The American Ceramic Society, Inc.
ABSTRACT
Barium strontium titanate, (Bax,Sr1-x TiO3, thin films of various compositions were prepared by a sol-gel method. Solutions consisting of acetate powders and titanium IV isopropoxide in a mixture of acetic acid and ethylene glycol were spin-coated onto silicon and platinum-coated silicon substrates. Processing parameters were optimized to develop stable solutions which yielded films with relatively low crystallization temperatures. It was determined that ethylene glycol was a necessary component of the solution to increase stability to precipitation and to decrease the crystallization temperature of the films. The grain size of the films varied with annealing temperature and atmosphere and directly affected the dielectric properties. A dielectric constant of 400 and a dissipation factor of 0.04 were measured at 1 kHz for (Ba0.8,Sr0.2) TiO3 films heated to 700°C for 1 h with a thickness of approximately 400 nm. Films of this composition maintained low leakage current densities for extended time periods when measured at an applied field of 75 kV/cm.
Manuscript No.192430. Received July 24, 1995; approved January 16, 1996.
Mengenal Material Ferrolektrik ..
Teguh Yoga Raksa (2008)
"Keingintahuan mendorong kita untuk mencoba menemukan sesuatu yang menjadi rahasia alam, rahasia yang berada diluar pengertian kita, yang tidak berguna untuk kita dan kita tidak seharusnya berharap untuk belajar" (Agustine of Hippo, Orang kristen suci )
Penelitian feroelektrik telah dikembangkan sejak tahun 1960, karena bahan tersebut dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti sensor, mikroelektronika dan lain-lain, bahkan diprediksikan dapat melebihi keunggulan bahan ferromagnetik dalam hal penyimpanan memori ( Umiati dkk.,2000).
Salah satu kelebihan bahan ferroelektrik adalah kemampuan mengubah polarisasi internal dengan menggunakan medan listrik yang sesuai dan polarisasi spontan dari material tersebut. Polarisasi spontan sangat menentukan kualitas bahan tersebut. Berbagai macam bahan ferroelektrik telah ditemukan seperti BaTiO3, PbTiO3, NH4HSO4 dan lain sebagainya . Salah satu bahan ferroelektrik yang banyak mendapat perhatian akhir-akhir ini adalah jenis Lead Zirconate Titanate, PbZr1-xTixO3.
Bahan ferroelektik terdiri dari senyawa kimia yang kompleks, sampai saat ini sudah hampir 100 senyawa inorganik ferroelektrik, senyawa yang sederhana misalnya NH4HSO4 (Monoklinik), KH2PO4 (Orthorombik) dan BaTiO3 (Tetragonal).
Material elektronik khususnya dielektrik yang mempunyai polarisasi spontan serta mempunyai kemampuan mengubah polarisasi internal dengan menggunakan medan listrik yang sesuai, dikenal dengan material ferroelektrik. Pada tahun 60-an sampai 70-an bahan ferroelektrik lebih banyak dibuat dalam bentuk kristal tunggal maupun Bulk. Penggunaan film tipis ferroelektrik sebagai memori banyak keuntungannya dibanding sistem magnetik. Sistem magnetik hanya mampu menyimpan 105 bit/cm2, sedangkan memori terbuat dari ferroelektrik menyimpan hingga 108 bit/cm2. Salah satu contoh ferroelektrik adalah Lead Zirconate Titanate, PbZr1-xTixO3, material ini sangat luas penggunaannya dalam bentuk keramik polikristalin dan banyak digunakan dalam berbagai bidang industri. Dalam divais piezoelektrik PZT digunakan sebagai filter, resonator, aktuator.
Ketika temperatur ferroelektrik lebih rendah dari fase material paraelektrik ke ferrolektrik tanpa dikenai medan listrik luar , jumlah momen dipol mendekati nol meskipun setiap unit sel terpolarisasi secara spontan. Momen dipol dengan polarisasi P dan volume V adalah PV dan total momen dipol bahan dapat ditentukan jika volume domain diketahui yaitu , dengan jumlah untuk semua domain.
Kuat tidaknya polarisasi ferroelektrik tidak hanya tergantung pada medan listrik luar tetapi tergantung pada kondisi polarisasi sebelumnya. Fenomena ini dikenal dengan histerisis listrik.
Sifat domain ferrolektrik keramik lead zirconate titanate (PbZr1-x Tix O3 - PZT) telah diteliti dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM) bahwa pada komposisi x = 0.06 sampai x = 0.45 berada pada fase rombohedral (Ricote, Whatmore and Barber ,1999).
Metode penumbuhan film tipis PZT diantaranya Chemical Vapor Depotition (CVD), Pulse Laser Ablation Depotition (PLAD), Solution Gelation (Sol-Gel) dan sputtering. Metode sputtering adalah metode yang memiliki keunggulan dibanding metode lainnya, yaitu laju deposisi yang besar, struktur stokiometri yang mudah dikendalikan serta dapat dilakukan dalam temperatur rendah atau tinggi, penggunaan DC unbalanced magneton sputtering berguna untuk menghindarkan resputtering oksigen yang dapat merusak kualitas film yang dihasilkan (Umiati dkk., 2000).
bersambung..
"Keingintahuan mendorong kita untuk mencoba menemukan sesuatu yang menjadi rahasia alam, rahasia yang berada diluar pengertian kita, yang tidak berguna untuk kita dan kita tidak seharusnya berharap untuk belajar" (Agustine of Hippo, Orang kristen suci )
Penelitian feroelektrik telah dikembangkan sejak tahun 1960, karena bahan tersebut dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti sensor, mikroelektronika dan lain-lain, bahkan diprediksikan dapat melebihi keunggulan bahan ferromagnetik dalam hal penyimpanan memori ( Umiati dkk.,2000).
Salah satu kelebihan bahan ferroelektrik adalah kemampuan mengubah polarisasi internal dengan menggunakan medan listrik yang sesuai dan polarisasi spontan dari material tersebut. Polarisasi spontan sangat menentukan kualitas bahan tersebut. Berbagai macam bahan ferroelektrik telah ditemukan seperti BaTiO3, PbTiO3, NH4HSO4 dan lain sebagainya . Salah satu bahan ferroelektrik yang banyak mendapat perhatian akhir-akhir ini adalah jenis Lead Zirconate Titanate, PbZr1-xTixO3.
Bahan ferroelektik terdiri dari senyawa kimia yang kompleks, sampai saat ini sudah hampir 100 senyawa inorganik ferroelektrik, senyawa yang sederhana misalnya NH4HSO4 (Monoklinik), KH2PO4 (Orthorombik) dan BaTiO3 (Tetragonal).
Material elektronik khususnya dielektrik yang mempunyai polarisasi spontan serta mempunyai kemampuan mengubah polarisasi internal dengan menggunakan medan listrik yang sesuai, dikenal dengan material ferroelektrik. Pada tahun 60-an sampai 70-an bahan ferroelektrik lebih banyak dibuat dalam bentuk kristal tunggal maupun Bulk. Penggunaan film tipis ferroelektrik sebagai memori banyak keuntungannya dibanding sistem magnetik. Sistem magnetik hanya mampu menyimpan 105 bit/cm2, sedangkan memori terbuat dari ferroelektrik menyimpan hingga 108 bit/cm2. Salah satu contoh ferroelektrik adalah Lead Zirconate Titanate, PbZr1-xTixO3, material ini sangat luas penggunaannya dalam bentuk keramik polikristalin dan banyak digunakan dalam berbagai bidang industri. Dalam divais piezoelektrik PZT digunakan sebagai filter, resonator, aktuator.
Ketika temperatur ferroelektrik lebih rendah dari fase material paraelektrik ke ferrolektrik tanpa dikenai medan listrik luar , jumlah momen dipol mendekati nol meskipun setiap unit sel terpolarisasi secara spontan. Momen dipol dengan polarisasi P dan volume V adalah PV dan total momen dipol bahan dapat ditentukan jika volume domain diketahui yaitu , dengan jumlah untuk semua domain.
Kuat tidaknya polarisasi ferroelektrik tidak hanya tergantung pada medan listrik luar tetapi tergantung pada kondisi polarisasi sebelumnya. Fenomena ini dikenal dengan histerisis listrik.
Sifat domain ferrolektrik keramik lead zirconate titanate (PbZr1-x Tix O3 - PZT) telah diteliti dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM) bahwa pada komposisi x = 0.06 sampai x = 0.45 berada pada fase rombohedral (Ricote, Whatmore and Barber ,1999).
Metode penumbuhan film tipis PZT diantaranya Chemical Vapor Depotition (CVD), Pulse Laser Ablation Depotition (PLAD), Solution Gelation (Sol-Gel) dan sputtering. Metode sputtering adalah metode yang memiliki keunggulan dibanding metode lainnya, yaitu laju deposisi yang besar, struktur stokiometri yang mudah dikendalikan serta dapat dilakukan dalam temperatur rendah atau tinggi, penggunaan DC unbalanced magneton sputtering berguna untuk menghindarkan resputtering oksigen yang dapat merusak kualitas film yang dihasilkan (Umiati dkk., 2000).
bersambung..
Langganan:
Komentar (Atom)