8 Muhammad Arifin / Kajian Ellipsometri pada Lapisan Tipis Perak dan Nanopartikel Magnetit

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXX HFI Jateng & DIY, Salatiga 28 Mei 2016

ISSN : 0853-0823

Kajian Ellipsometri pada Lapisan Tipis Perak dan Nanopartikel

Magnetit

Muhammad Arifin*, Kiki Megasari, Fatimah Nopriardy, Iman Santoso Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada

Sekip Utara, BLS 21, Yogyakarta 55281 Indonesia

*email : muhammad.arifin@ugm.ac.id

Abstrak – Telah dibangun sistem pengamatan optik berbasis ellipsometri dengan panjang gelombang tunggal (laser

HeNe, λ = 543 nm). Teknik ellipsometri berdasarkan pada pengukuran perubahan amplitudo (ψ) dan perubahan fase (Δ)

dari polarisasi cahaya yang dipantulkan. Indek bias (N) material dapat diekstrak dari ψ dan Δ. Pada lapisan perak,

kurva intensitas mengalami perubahan fase gelombang pada variasi sudut datang. Hasil penelitian menunjukkan nilai ψ

sekitar 45° dan tidak tergantung perubahan sudut datang sedangkan nilai Δ pada logam berubah drastis pada kenaikan

sudut datang. Indeks bias yang diperoleh pada lapisan perak adalah = 0,1039 + 2,6743i pada sudut datang 75°. Pada

lapisan Fe3O4, indeks bias bagian real dan imajiner sebagai fungsi dari ketebalan lapisan dan sudut datang pada

sampel. Pada sudut datang 75° dan ketebalan 50 nm diperoleh nilai indeks bias kompleks N = 1,662 + 4,4611i. Sistem

ellipsometri dapat memperlihatkan perubahan indeks bias yang sangat kecil pada lapisan tipis Fe3O4.

Kata kunci: ellipsometri, polarisasi, indeks bias

I. PENDAHULUAN

Ellipsometri adalah teknik pengukuran optik yang

mengkarakterisasikan refleksi (atau juga transmisi) dari

cahaya yang mengenai suatu sampel/material tertentu.

Prinsip utama dari teknik ini adalah pengukuran

perubahan polarisasi cahaya yang terpantul (atau yang

diteruskan) dari sampel/material tertentu [1]. Aplikasi

ellipsometri diantaranya dapat dijumpai pada pengamatan

interaksi biomolekul dan untuk meningkatkan

performance surface plasmon resonance (SPR) [2,3].

Penggunaan ellipsometri sebagai salah satu teknik

karakterisasi material dikarenakan memiliki sensitivitas

yang tinggi, pengukuran tanpa merusak, dapat dimonitor

secara real-time dan cepat serta bekerja pada daerah

cahaya tampak sehingga memiliki aplikasi yang luas [1].

Rancang bangun sistem pengamatan optik berbasis

ellipsometri dalam konfigurasi rotating-analyzer

ellipsometer (RAE) di Laboratorium Fismatel FMIPA

UGM telah dilakukan oleh Arifin pada tahun 2015 [4].

Pada tahun yang sama, Megasari juga mengukur

konstanta dielektrik dan ketebalan lapisan graphene/SiO2

berbasis ellipsometri dengan menggunakan metode

inversi Newton Raphson untuk mengekstraksi parameter

ellipsometri [5].

Kajian yang dilakukan penulis adalah mengkaji

parameter ellipsometri pada nanopartikel magnetit

(Fe3O4) di atas lapisan perak. Nanopartikel ini memiliki

sifat mudah berinteraksi dengan molekul, memiliki sifat

paramagnetik yang mudah dikontrol, tidak mengandung

bahan kimia yang bebahaya dan terdispersi secara merata

di atas permukaan [6]. Nanopartikel magnetit ini telah

digunakan secara luas dalam berbagai bidang. Adanya

informasi berupa nilai indeks bias lapisan tipis Fe3O4

dapat mendukung penelitian tentang biomolekul.

II. LANDASAN TEORI

Parameter ellipsometri berupa perubahan fase (Δ) dan

perubahan amplitudo (ψ) cahaya terpantul dari sampel

dapat dinyatakan dalam bentuk : [1]

Besaran rp dan rs masing-masing mewakili nilai

reflektivitas (pantulan cahaya) pada polarisasi p dan s

yang diberikan oleh :

dengan |rp| dan |rs| merupakan amplitude dari cahaya

terpantul untuk polarisasi p dan s sedangkan δp dan δs

adalah fase dari cahaya terpantul untuk polarisasi p dan s.

Nilai ψ dan Δ dapat dituliskan kembali menjadi:

III. METODE EKSPERIMEN

Set-up penelitian menggunakan sistem ellipsometri

dalam konfigurasi RAE dengan sumber laser HeNe

(panjang gelombang 543 nm) seperti ditunjukkan pada

Gambar 1. Deposisi lapisan perak menggunakan coating

system E610 di Pusat Sains dan Teknologi Akselator

(PSTA) – BATAN Yogyakarta dengan massa 60 mg dan

tekanan mbar. Nanopartikel Fe3O4 disintesis

menggunakan metode kopresipitasi dengan bahan dasar

FeSO4.7H2O 0,005 ml, FeCl3.6H2O 0,001 ml dan NH4OH

10%. Nanopartikel Fe3O4 dideposisi di atas lapisan perak

dengan teknik spray.

Langkah analisa data penelitian dapat dilihat pada

Gambar 2. Intensitas cahaya terpantul yang direkam oleh

laser power meter berdasarkan perubahan sudut analisator

(ωt) diberikan oleh kaitan : [1]

Muhammad Arifin / Kajian Ellipsometri pada Lapisan Tipis Perak dan Nanopartikel Magnetit 9

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXX HFI Jateng & DIY, Salatiga 28 Mei 2016

ISSN : 0853-0823

Gambar 1. Skema sistem ellipsometri

Gambar 2. Langkah analisa data penelitian

Nilai indeks bias kompleks, N, terkait dengan nilai

koefisien refleksi dapat dicari dan dihitung dengan

menggunakan persamaan Fresnel. Untuk sistem bulk

diberikan oleh persamaan berikut [1]

dengan N0, N1, θ0 dan θ1 masing-masing menyatakan

indek bias komplek medium ke-0 (udara), indek bias

komplek medium ke-1 (substrat), sudut datang cahaya

terpolarisasi, serta sudut pantulan.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Untuk mendukung hasil penelitian, telah dilakukan

simulasi kurva ellipsometri antara intensitas dengan

variasi sudut analizer. Pada sistem lapisan perak (Ag),

ditunjukkan Gambar 3. Pertambahan sudut datang pada

sampel akan mengakibatkan kurva ellipsometri berubah

fasenya. Hal ini dikarenakan pada sudut datang lebih

besar sudut Brewster terjadi perubahan nilai rp menjadi

negatif. Untuk lapisan perak, sudut Brewster terjadi pada

sudut datang 72,33º.

Hasil penelitian untuk lapisan perak ditunjukkan pada

Gambar 4. Pertambahan sudut datang pada sampel

memberikan pengaruh yang signifikan pada kurva

intensitas. Kurva intensitas mengalami pembalikan fase

pada sudut datang lebih dari 70º. Amplitudo pantulan

akan semakin membesar jika sudutnya semakin besar dari

70º atau semakin kecil menjauhi sudut datang 70º.

Untuk mendapatkan kontanta α dan β dilakukan kurva

fitting. Perubahan amplitudo (ψ) cahaya terpolarisasi

berubah sebanding dengan bertambahnya sudut datang

sedangkan perubahan fase (Δ) berbanding terbalik

dengan bertambahnya sudut datang seperti ditunjukkan

pada Tabel 1.

Hampir semua logam, termasuk perak, memiliki nilai

indeks bias real (n) yang kecil dan indeks bias imajiner

(k) bernilai besar sehingga logam bersifat sangat

reflektansi. Secara umum, perubahan amplitudo ψ untuk

logam sekitar 45° dan tidak tergantung perubahan sudut

datang. Untuk nilai Δ pada logam berubah drastis pada

kenaikan sudut datang [1].

Gambar 3. Kurva ellipsometri simulasi untuk model bulk

perak

Gambar 4. Kurva intensitas pada lapisan Ag dengan variasi

sudut datang 60°, 65°, 70°, 75° dan 80°.

Gambar 5 menunjukkan simulasi untuk sistem Ag/

Fe3O4. Adanya ketebalan lapisan tipis Fe3O4 memberikan

pengaruh pada fase reflektansi totalnya. Variasi sudut

datang pada sampel berdampak pada nilai β sehingga

akan menggeser fase kurva intensitas reflektansinya.

Tabel 1. Parameter ellipsometri dan indeks bias lapisa Ag

Sudut Ψ Δ n k

60o 41,03o 121,18o 0,4911 3,0123

65o 41,68o 106,37o 0,3442 2,8382

70o 42,40o 92,13o 0,2583 2,8392

75o 43,95o 71,28o 0,1039 2,6743

80o 45,24o 48,24o 2,2679 2,1144

Hasil pengukuran intensitas sebagai variasi sudut

datang pada lapisan Ag/Fe3O4 ditunjukkan pada Gambar

6. Pertambahan sudut datang pada sampel menggeser

kurva ke kiri. Pada Fe3O4 perubahan amplitudo

reflektansi berbanding terbalik dengan bertambahnya

10 Muhammad Arifin / Kajian Ellipsometri pada Lapisan Tipis Perak dan Nanopartikel Magnetit

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXX HFI Jateng & DIY, Salatiga 28 Mei 2016

ISSN : 0853-0823

sudut datang. Hal ini berarti nilai tan ψ semakin kecil

dengan bertambahnya sudut datang seperti ditunjukkan

pada Tabel 2. Perubahan fase (Δ) untuk Fe3O4 bertambah

besar sebanding dengan sudut datang. Hal ini

menunjukkan bahwa semakin besar sudut datang

perbedaan fase cahaya terpantul terpolariasi-p dan

fase cahaya terpantul terpolariasi-s semakin besar.

Gambar 5. Simulasi kurva ellipsometri pada lapisan

Ag/Fe3O4

Gambar 6. Kurva intensitas pada lapisan Ag/Fe3O4 dengan

variasi sudut datang 60o, 65o, 70o dan 75o

Hasil ekstraksi indek bias untuk variasi ketebalan

lapisan tipis ditunjukkan pada Gambar 7. Indek bias real

(n) akan menurun untuk meningkatnya ketebalan lapisan

tipis. Pada sudut datang 75o, nilai n cenderung konstan

sehingga sebagian besar eksperimen ellipsometri

dilakukan pada sudut datang sekitar 75o.

Tabel 2. Parameter ellipsometri pada lapisan Ag/Fe3O4

Sudut α β ψ Δ

60o 0,4950 0,3833 59,83o 63,82o

65o 0,4498 0,1602 58,37o 79,67o

70o 0,3885 -0,0498 56,43o 93,10o

75o 0,3265 -0,2847 54,53o 107,53o

Gambar 8 menunjukkan bagian imajiner dari indek

bias atau koefisien absorpsi (k) sebagai fungsi ketebalan

lapisan Fe3O4. Koefisien absorpsi (k) menyatakan jumlah

energi gelombang elektromagnetik yang hilang selama

melewati material. Pada variasi ketebalan, nilai k

cenderung konstan untuk masing-masing sudut datang.

Semakin besar sudut datang semakin besar pula nilai k,

yang berarti semakin banyak pula energi yang hilang jika

sudut datang semakin besar.

Gambar 7. Bagian real dari indeks bias (n) sebagai fungsi

ketebalan lapisan tipis Fe3O4.

Gambar 8. Bagian imajiner dari indeks bias (k) sebagai fungsi

ketebalan lapisan tipis Fe3O4.

V. KESIMPULAN Telah dibangun sistem pengamatan optik berbasis

ellipsometri dengan panjang gelombang tunggal. Pada

lapisan perak, nilai ψ cenderung tetap tetapi nilai Δ

menurun seiring bertambahnya sudut datang. Pada

lapisan Fe3O4, nilai ψ reflektansi berbanding terbalik

dengan bertambahnya sudut datang, sedangkan nilai Δ

bertambah besar sebanding dengan sudut datang. Sistem

ellipsometri dapat memperlihatkan perubahan indeks bias

yang sangat kecil pada lapisan tipis Fe3O4.

Muhammad Arifin / Kajian Ellipsometri pada Lapisan Tipis Perak dan Nanopartikel Magnetit 11

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXX HFI Jateng & DIY, Salatiga 28 Mei 2016

ISSN : 0853-0823

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada

Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat

Universitas Gadjah Mada (LPPM UGM) yang telah

memberikan dana penelitian melalui Hibah Penelitian

Peningkatan Kapasitas Peneliti Dosen Muda dengan

nomor kontrak 255/DIT.LIT/2015. Terima kasih juga

penulis sampaikan kepada Dr. Rinto Anugraha NQZ

selaku Kepala Laboratorium Fisika Material dan

Instrumentasi Departemen Fisika FMIPA UGM serta Ir.

Slamet Santosa, M.Sc. selaku Kabid Fisika Partikel,

PSTA-BATAN Yogyakarta.

PUSTAKA

[1] H. Fujiwara, Spectroscopic ellipsometry principles and

applications, John Wiley & Sons, West Sussex, 2007.

[2] Y. W. Jung, J. J. Yoon and Y. D. Kim, Study of the

interaction between biomolecule monolayers using total

internal reflection ellipsometry, Journal of the Korean

Physical Society, vol. 58, no. 4, 2011, pp. 1031-1034.

[3] W. Yuan, H.P. Ho , S.Y.Wu, Y.K. Suen and S.K. Kong,

Polarization-sensitive surface plasmon enhanced

ellipsometry biosensor using the photoelastic modulation

technique, Sensors and Actuators A, vol. 151, 2009, pp.

23–28.

[4] M. Arifin, K. Megasari, F. Nopriardy dan I. Santosa,

Rancang bangun sistem pengamatan optik berbasis

ellipsometri, Prosiding Seminar Nasional Fisika dan

Pembelajarannya 2015, Malang, Agustus 2015, pp. F-O-1

– F-O-4.

[5] K. Megasari, Rancang bangun spectroscopic ellipsometry

untuk mengukur konstanta dielektrik dan ketebalan

lapisan tipis Graphene/SiO2 menggunakan sumber cahaya

panjang gelombang tunggal (632,8 nm), Tesis S2,

Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 2015.

[6] A.K. Gupta and M. Gupta, Synthesis and surface

engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical

applications, Journal Biomaterials, vol. 26, 2005, pp.

3995-4021.

TANYA JAWAB

Ferdy, UKSW

? 1. Apa yang menjadi Bahan analyzer?

2. Apakah analyzer memiliki ersibel?

Muhammad Arifin, UGM

√ 1. bahan analyzer yang digunakan merk Silikon, 600-

1632

2. Ersibel yang dimiliki sekitar 632