KAJIAN SPEKTROSKOPI ELLIPSOMETRI PENGARUH SUBSTRAT TERHADAP KONSTANTA DIELEKTRIK LAPISAN TIPIS BISMUTH PADA PANJANG GELOMBANG 220-850 nm

AGUS PUTRA DANA, Dr. Iman Santoso, M.Sc.; Dr. Eng. Edi Suharyadi, M.Si., M.Eng.

2019 | Tesis | MAGISTER FISIKA

Bismuth diketahui memiliki permukaan metalik dengan spin-orbit coupling yang kuat. Dalam beberapa penerapan fungsional, bismuth diharuskan diletakkan di atas substrat tertentu. Ada kemungkinan adanya interaksi antara elektron bismuth dengan struktur elektronik pada material substrat yang dapat mengakibatkan perubahan konstanta dielektriknya. Untuk dapat memahami pengaruh substrat terhadap konstanta dielektrik bismuth, kajian spektroskopi ellipsometri konstanta dielektrik bismuth yang ditumbuhkan di atas metal (Au) dan isolator (Al2O3) telah berhasil dilakukan. Hasil eksperimen menunjukkan adanya penurunan puncak serapan (berkaitan dengan bagian imajiner konstanta dielektrik) pada energi foton sekitar 0,8 eV ketika lapisan tipis bismuth ditumbuhkan di atas Au dibandingkan dengan yang ditumbuhkan di atas Al2O3, yang memiliki band gap 8,8 eV. Penurunan tersebut dapat disebabkan oleh adanya interaksi antara orbital 6sp Au dan surface states bismuth (6p). Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa ketika lapisan dibuat cukup tipis, puncak serapannya menurun dibandingkan bismuth dalam bentuk bulk. Ini dapat disebabkan oleh sumbangan surface states film tipis bismuth yang meningkat. Hasil tersebut didukung oleh perhitungan pita energi dan rapat keadaan bismuth menggunakan density functional theory (DFT). Sebagai tambahan, pada penelitian ini juga dilakukan konstruksi rotating analyzer ellipsometer (RAE) otomatis yang dijalankan menggunakan sebuah program komputer yang juga dikembangkan dalam penelitian ini.

Bismuth is known to exhibit metallic surface states with strong spin-orbit coupling. In some functional application, bismuth is required to be grown on top of certain substrate material. Interactions between bismuths electrons and the substrates electronic structure may arise, which could alter bismuths dielectric constant. To understand the effect of the substrate on the dielectric constant, thus a spectroscopic ellipsometry study on the dielectric constant of bismuth grown on metal (Au) and insulator (Al2O3) has been conducted. The experimental results show a decrease of the absorption peak, which is related to the imaginary part of dielectric constant, at photon energy approximately 0,8 eV when the thin film bismuth is grown on Au substrate compared to the thin film grown on Al2O3, which has 8,8 eV band gap. The effect could be caused by the interaction between orbital 6sp of Au and bismuths surface states (6p). The results also sugest that when the film is made thin enough, the absorption peak decreases compared to bulk bismuth which could be caused by a predominant contribution of the metallic surface states. The result is supported by the calculation of the electronic structure and the density of states of bismuth using density functional theory (DFT). As a complement to this study, an automatic, homemade rotating analyzer ellipsometer (RAE) has been constructed. The ellipsometer is controlled from a software which also developed in this research.

Kata Kunci : bismuth, pengaruh substrat, konstanta dielektrik, spectroscopic ellipsometry, density functional theory