Dalam penumbuhan
kristal hal yang paling penting adalah nukleasi dan kinatika pertumbuhannya.
Nukleasi sangat penting karena untuk memaksimumkan untuk bias terbentuk Kristal
tunggal yang sempurna dari pada membuat polikristal.
1. Laju
konsentrasi, laju konsentrasi sangat mempengaruhi pertumbuhan Kristal. Jika
Kristal tumbuh pada bawah bejana, laju konsentrasi membuat Kristal yang baru
tumbuh tersebut menjadi cenderung rata. Jika pertumbuhan Kristal terhenti, laju
konsentrasi akan mengulurnya. Pengaruh laju konsentrasi ini bias dihilangkan
dengan cara memutar Kristal secara horizontal atau dengan mengocok tabung
kristaliser.
2. Impurti
dalam padatan
3. Pengaruh
temperature, variasi temperature sering kali membentuk fase pada Kristal yang
tidak pernah terjadi pada kondisi normal saat pertumbuhan.
4. Viskositas,
jika viskositas cukup tinggi akan menghalangi terjadinya laju konsentrasi.
Pertumbuhan Kristal dari lelehan
Pembekuan dari lelehan merupakan metode
yang sederhana untuk menumbuhkan Kristal pada bahan yang memiliki titik leleh
rendah, lelehan yagn kongruen dan tidak terjadi dekomposisi. Secra umum metode
pertumbuhan Kristal metode lelehan adalah:
a. Metode
Bridgeman
Contoh
dari metode ini adalah sintesis semikonduktor GaAs
Tungku
sebelah kiri berada pada temperatur untuk menjaga kondisi “overpressure” (∼610°C) diperlukan oleh arsenik,
sedangkan tungku sebelah kanan berada pada suhu di atas titik lebur GaAs (∼1240°C). Tabung penumbuh bagian luar
terbuat dari quartz dan boat. Dalam pengoperasiannya,
GaAs polikristal ditaruh pada boat dengan
arsenik ditaruh pada ujung lain tabung.
Saat
tungku digerakkan ke kanan, lelehan akan mengalami pendinginan pada
salah satu ujungnya. Biasanya benih ditempatkan pada ujung kiri untuk
mendapatkan kristal dengan orientasi tertentu. Dengan pembekuan
secara perlahan, kristal tunggal GaAs akan terbentuk.
Inti
teknik ini adalah menekan tingkat kehilangan Arsen dari kristal dengan memulai
pertumbuhan kristal dalam atmosfer Arsen. Proses penumbuhan dapat dibagi dalam
tiga tahapan. Pada tahap pertama, Gallium dan Arsen ditutup rapatrapat dalam
sebuah tungku kuarsa kosong yang diletakkan dalam sebuah pemanas terkendali.
Tahap kedua, dilakukan dengan menaikkan temperatur dalam tungku tersebut
sehingga temperatur sumber Arsen (arsen source) dan benih kristal GaAs
ada di bawah titik leleh GaAs dan temperatur “kapal” Gallium ada di atas titik
leleh GaAs. Arsen yang bersifat mudah menguap menyebabkan tungku menjadi
dipenuhi oleh gas Arsen pada temperatur yang tinggi ini. Reaksi antara Gallium
dan gas Arsen terjadi dalam sebuah atmosfer Arsen untuk menghasilkan lelehan
GaAs. Tahapan terakhir adalah penumbuhan kristal GaAs yang dicapai dengan
menarik keluar tungku secara perlahan-lahan dari pemanas. Kristalisasi akan
terjadi saat temperature lelehan diturunkan di bawah titik leleh.
a. - Metode
Czochralski
Contoh
dari aplikasi metode ini adalah penumbuhan Kristal silicon.
proses
ini pertama-tama mangkok yang berisi polikristal silicon diletakkan dengn
hati-hati pada bagian bawah chamber dari system pemanas. Polikristal dilelehkan
kemudian ditumbuhkan menjadi suatu ingot Kristal tunggal. Satu benih Kristal
tunggal silikon ditaruh pada tempat benih dibagian atas chamber. Setelah
parameter-parameter pemanas diset, system pemanas ditutup dan proses pelelehan
berlangsung.
Temperature
dinaikkan secara bertahap hingga mencapai titk leleh silicon, yaitu sekitar
1420° C. pada temperature ini plikristal silicon berubah menjadi cairan yang
sangat panas. Kemudian secara perlahan-lahan benih dibenamkan pada cairan
silicon kira-kira 2 mm, setelah itu secara perlahan benih ditarik dari cairan
sehingga ada bagian yang memadat disekitar benih dan terbentuk neck. Selama
proses penarikan, cawan dan benih diputa denga arah yang berlawanan agar
terbentuk Kristal yang bulat setelah diameter seed terbentuk, kemudian
penarikan dipercepat. Kecepatan penarikan dan suhu pemanasan akan mengontrol
diameter Kristal.
Ketika
diameter Kristal besarnya sudah mencpai seperti yang diinginkan, bagian bodi
Kristal ditumbuhkan dan keadaan otomatis diterapkan. Selama poses penumbuhan,
cawan secara perlahan akan mengalirkan
oksigen yang nantinya diikat oleh kistal. Selain kecepatan penarikan dan
transfer panas pada batas fase padat-cair, disipasi panas selama proses
pendinginan Kristal sangat mempengaruhi karakteristik defect mikroskopis pada
Kristal yang terbentuk.
Kristal
silicon yang terbentuk pada umumya mengandung oksigen sebesar ~1018
cm-3 dan C ~ 1016 cm-3, dan dopan yang
ditambahkan kedalam lelehan. Ingot silicon yang telah ditumbuhkan biasanya
berdiameter lebih besar dari yang diharapkan dan tidak bulat.
Kelebihan
metode Czochralski dibandingakan dengan metode Bridgman adalah Kristal yang
telah ditumbuhkan tidak terkontaminasi oleh krusibel.
a. Metode
Zona Melting
Konsentrasi pengotor
yang ringan, seperti karbon dan oksigen, sangat rendah. Pengotor lain seperti nitrogen,
membantu untuk mengontrol microdefects dan juga meningkatkan kekuatan
mekanik dari wafer.
Proses penubuhan Kristal dilakukan
pada keadaan vakum dan pada atmosfer gas inert. Proses dimulai dengan
polikristalin yang kemurniannya tinggi dan benih Kristal berupa Kristal tunggal
yang diletakkan saling berhadapan pada posisi vertical dan diputar.
Dengan frekuensi medan radio,
keduanya (benih dan polikristal) akan meleh sebagian. Benih akan dibawa keatas
dari bawah agar bisa terjadi kontak dengan tetesan dari polikristal yang
meleleh. Proses necking dilakukan agar menjaga agar Kristal yagn ditumbuhkan
terhindar dari dislokasi sebelum diameter neck berkembang meruncing dan
mencapai pertumbuhan yang diinginkan.
a. Metode
Verneuil
Penumbuhan kistal dimulai dengan serbuk yang
diletakkan pada container di dalam furnis verneuil, dengan bagian bawah yang
terbuka yang membuat serbuk bisa keluar saat container bergetar. Ketika serbuk
dikeluarkan, oksigen akan mengisi furnis, dan bergerak ke bawah bersama denga
serbuk ke tabung yang sempit. Tabung ini terletak di dalam tabung besar yang
berisi gas hydrogen. Ketika mencapai titik dimana saat tabung sempit membuka,
pembakaran terjadi, dengan suhu sekitar 3600 F. dan serbuk akan menumbuk api
dan kemudian akan leleh menjadi tetesan kecil. Tetesan secara perlahan-lahan
membentuk kerucut yang ujungnya cukup dekat dengan inti, kemudian benih Kristal
secepatny akan terbentuk. Ketikan tetesan jatuh diataas Kristal tunggal
(boubel) mulai terbentuk, dan penyangga secara perlahan akan turun untuk membentuk bouble menjadi kristalin. Boubel
terbentuk pada silinder runcing dengan diameter yang membesar secara konstan.
Dengan penambahan serbuk dan penarikan konstan pada batang, silinder boubel
akan terbentuk.
Penumbuhan Kristal dari larutan
Denan metode ini Kristal dapat dibentuk
dari keadaan larutan yang mengalami super saturasi. keadaan supersaurasi bisa
dibuat dengan cara:
a. Temperature
dari talutan secara perlahan diturunkan, dengan keadaan seperti in akan
terbentuk endapan
b. Pelarut
diuapkan untuk menjaga agar mengallami supersaturasi
c. Larutan
secara berlangsung ditambah, untuk mengimbangi terjadinya endapan.
Metode untuk menumbuhkan Kristal dari
larutan adalah:
1. Metode
hidrotermal:
Metode
ini dilakukan dengan reaksi larutan dibawah temperature dan tekanan yang tinggi
di dalam system yang tertutup, untuk melarutkan dan rekristalisasi zat yang
hanya sedikit yang bisa larut dalam keadaan kondisi normal. Aplikasi dari
metode ini adalah penumbuhan Kristal quartz dari silica. SiO2 sulit
larut dubawah kondisi normal, tetapi pada tekanan 20000 psi dan temperature
400°C akan larut di dalam 1 M NaOH. Pelarutan silica ini berada di tempat yang
tertutup. Kemudian temperature mulai dinaikkan, kemudian Kristal tunggal dari
benih mulai terbentuk.
2. Metode
flux
Metode
ini menyertakan larutan anorganik sebagai pelarut temperature tinggi yang
digunakan untuk pengurai material. Contohnya adalah penumbuhan Kristal cobalt
ferrite dari larutan PbO, pemanasan secara sederhana caampuran dari kobalt
oksida, besi yang terjadi di dalam krusibel pada temperature yang tinggi untuk
membuat lelehan dan kemudian secara perlahan didinginkan.
3. Penumbuhan
dari uap
Selama
sublimasi, Kristal secara langsung terbentuk dari penguapan. Dengan melewati
fase liquid. Biasanya Kristal terbentuk dengan ukuran yang kecil. Metode ini
biasanya terdiri dari dua, yaitu:
a. Metode
kondensasi
Kristal tumbuh dari kondensasi uap
saat temperature tinggi diberikan pada uap untuk membuat kondisi yang
supersaturasi pada daerah yang dingin sehingga uap bisa bergerak.pada daerah
yang dingin Kristal akan terbentuk.
b. Metode
epitaksial
Pada metode ini mengorientasikan kristalisai
dari substrat lain.
Karakterisasi Kristal Tunggal
Keanisotropin Kristal tunggal
Anisotropi adalah keadaan dimana
atom-atom pembentuk Kristal adalah teratur. Sehingga sifat-sifat fisis pada
Kristal nilainya akan berbeda pada arah yang berbeda.
Struktur Kristal ada bermacam-macam
bentuk, ada kubik, tetragonal, orthorombik, monoklinik, triklinik, heksagonal,
dan rhombohedral. Kristal bisa berbentuk kubik atau berbentuk yang lainnya ini
dipengaruhi oleh ikatan dari atom-atom penyusun Kristal. Atom-atom ada yang
berikatan secara ionic, kovalen, vander walls, dan berikatan hydrogen. Tentunya
pada setiap ikatan atom in energy ikat masing-masing ikatan tidaklah sama.
Energy ikat ini yang nantinya akan mempengaruhi panjang pendeknya parameter
kisi Kristal. Parameter Kristal ini yang bis adibuat untuk menentukan bentuk
struktur Kristal. Bentuk dari struktur Kristal juga bisa dipengaruhi oleh tipe
senyawa.karena tipe Kristal ini yang nantinya membrikan perbandingan dari anion
dan kation senyawa. Perbandingan anion dan kation berpengaruh pada kepadatan
atau pengisian anion dan katio serta posisinya di dalam sel kisi Kristal.
Persamaan Avrami dengan laju reaksi
Sebagian
besar transformasi bahan padat tidak terjadi terus menerus sebab ada hambatan
yang menghalangi jalannya reaksi dan bergantung terhadap waktu. Contoh: umumnya
transformasi membentuk minimal satu fase baru yang mempunyai komposisi atau
struktur kristal yang berbeda dengan bahan induk (bahan sebelum terjadinya
transformasi). Pengaturan susunan atom tejadi karena proses difusi.
Secara
stuktur mikro, proses pertama yang terjadi pada transformasi fasa adalah nukleasi
yaitu pembentukan partikel sangat kecil atau nuklei dari fase baru. Nuklei
ini akhirnya tumbuh membesar membentuk fasa baru. Pertumbuhan fase ini akan
selesai jika pertumbuhan tersebut berjalan sampai tercapai fraksi kesetimbangan.
Laju
transformasi yang merupakan fungsi waktu (sering disebut kinetika transformasi)
adalah hal yang penting dalam perlakuan panas bahan. Pada penelitian kinetik
akan didapat kurva S yang di plot sebagai fungsi fraksi bahan yang bertransformasi
vs waktu (logaritmik) .
Fraksi
transformasi , y di rumuskan:
t = waktu
k,n
= konstanta yang tidak tergantung
waktu.
Persaamaan ini disebut juga persamaan
AVRAMI
PERSAMAAN
ARHENIUS
Persamaan Arrhenius
memberikan nilai dasar dari hubungan antara energi aktivasi dengan rate proses
reaksi. Dari Persamaan Arrhenius ini , energi aktivasi dapat dinyatakan sebagai
berikut :
Di dalam ilmu kimia,
energi aktivasi merupakan sebuah istilah yang diperkenalkan oleh Svante
Arrhenius, yang didefinisikan sebagai energi yang harus dilampaui agar reaksi
kimia dapat terjadi. Energi aktivasi bisa juga diartikan sebagai energi minimum
yang dibutuhkan agar reaksi kimia tertentu dapat terjadi. Energi aktivasi
sebuah reaksi biasanya dilambangkan sebagai Ea, dengan satuan kilo joule per
mol (KJ/mol).
Terkadang suatu reaksi
kimia membutuhkan energi aktivasi yang teramat sangat besar, maka dari itu
dibutuhkan suatu katalis agar reaksi dapat berlangsung dengan pasokan energi
yang lebih rendah.
Daftar rujukan
Bayuwati, Dra.
Dwi, M.eng. Sc. 2007. Optimasi Alat Penumbuh Kristal Tunggal Silikon Untuk Divais Fotonik/Elektronik.
Goal, A. 2006.
Crystallography.New Delhi : Emit Enterpise
Smllman dan
Bishop. 2000. Metlurgi fisik Modern dn Rekayasa Material. Jakarta: Erlangga
0 Comments
:))
;))
;;)
:D
;)
:p
:((
:)
:(
:X
=((
:-o
:-/
:-*
:|
8-}
:)]
~x(
:-t
b-(
:-L
x(
:-q
=))