Teknologi film tipis telah memainkan peran penting dalam penelitian optoelektronika superkonduktor. Banyak penemuan dan metode telah dikembangkan di bidang ini: deposisi penguapan vakum, sputtering berkas ion, deposisi sputtering magnetron, deposisi uap kimia logam-organik, dan metode sol-gel. Namun metode-metode tersebut masih memiliki keterbatasan dalam pembuatan film tipis terutama dari segi efisiensi sehingga belum dapat memuaskan perkembangan berbagai penelitian film tipis. Dengan perkembangan laser berdaya tinggi, metode Pulsed Laser Deposition (PLD) muncul. Metode ini memberikan hasil yang menjanjikan di bidang optoelektronika, terutama dalam fabrikasi superkonduktor film tipis dan fabrikasi elemen gain aktif sebagai amplifier dan osilator laser.
Dalam proses deposisi laser berdenyut, sinar laser berdenyut berfokus pada ablasi target dan menghasilkan plasma target. Gumpalanplasma energik tinggi menciptakan gumpalan yang bergerak dalam ruang hampa menuju substrat yang dipanaskan kemudian bahan yang disimpan tumbuh menjadi film kristal. Namun, gumpalan plasma energik tinggi menyebabkan kerusakan permukaan dan meningkatkan potensi cacat film ketika tidak dalam kondisi yang benar. Oleh karena itu, sistem pirometri perlu diintegrasikan ke dalam proses PLD untuk kesetimbangan termal, terutama suhu permukaan substrat yang stabil. Stabilitas termal harus dicapai untuk pertumbuhan film yang stabil dan berkelanjutan untuk menghasilkan film tipis berkualitas tinggi.
Proses pertama PLD dalam percobaan ini adalah memfokuskan laser berdenyut pada permukaan target. Target menyerap pulsa pendek dan dengan cepat menaikkan suhu sampai target menguap untuk membentuk plasma berdensitas tinggi dan bersuhu tinggi. Langkah selanjutnya adalah tentang perpindahan plasma. Ionisasi lebih lanjut dari plasma terus meningkatkan suhu dan densitasnya sementara volume mulai mengembang. Pada langkah terakhir, plasma nukleasi dan mengendap pada substrat setelah membombardir substrat untuk membentuk film tipis yang seragam. Namun, pemboman partikel berenergi tinggi dapat menyebabkan kerusakan pada permukaan substrat dan meningkatkan keseragaman saat menumbuhkan film tipis. Banyak faktor yang menentukan pengendapan film tipis seperti suhu substrat sebagai salah satu faktor yang paling kritis. Oleh karena itu perlu dikembangkan sistem pirometrik yang dapat menjaga kestabilan suhu permukaan substrat pada proses PLD.
Proyek ini berfokus pada perancangan sistem pirometri untuk proses PLD. Proyek ini juga memiliki dua tujuan: satu adalah untuk menetapkan proses deduksi teoretis untuk metode dua warna, dan untuk meningkatkan akurasi pengukuran dari pengaturan yang ada. Secara keseluruhan, metode ini menggabungkan analisis kuantitatif teori radiasi termal dan pengukuran suhu dua warna untuk merancang sistem pengatur suhu otomatis untuk proses PLD. Dua jenis material, yaitu Sapphire dan Yttrium Aluminium Garnet (YAG), digunakan dalam pekerjaan ini yang berukuran sama dengan dimensi 10mm × 10mm × 10mm, digunakan juga sebagai substrat dalam pekerjaan ini. Sapphire digunakan sebagai substrat karena memiliki titik leleh hingga 2040 derajat Celcius dan secara kimiawi inert pada suhu tinggi. Selain itu, bahan ini juga memiliki tingkat kekerasan yang tinggi dan transparan dalam spektrum yang tampak. YAG digunakan sebagai substrat karena merupakan bahan fungsional non-logam anorganik yang penting dan merupakan bahan matriks laser solid-state berkualitas tinggi. Oleh karena itu, kedua bahan substrat ini cukup representatif untuk penelitian berdasarkan sistem pengukuran suhu seperti dalam karya ini.
Hubungan linier antara daya pick-off yang diukur dan daya chamber digunakan untuk menghitung daya chamber secara real-time ketika hanya daya pick-off yang diketahui. Selain itu, ia menjembatani hubungan matematis antara berbagai bagian. Setelah mengatur sistem PLD, daya laser secara bertahap ditingkatkan ke nilai yang ditetapkan. Daya pick-off dan tegangan yang dihasilkan oleh dua fotodioda dicatat pada nilai set yang berbeda. Daya ruang meningkat dari 8.6 watt menjadi 35 watt ketika nilai yang disetel disesuaikan dari 9 menjadi 24. Suhu substrat ditentukan dari rasio dua tegangan yang direkam. Ketika suhu permukaan meningkat karena pemanasan terus menerus dari laser, rasio pita spektral menjadi kecil dan menunjukkan hubungan terbalik. Ini menyebabkan rasio pita spektral menurun dengan meningkatnya suhu. Oleh karena itu, dapat diasumsikan bahwa kesalahan pada data suhu berasal dari fluktuasi rasio pita spektral dan beberapa gangguan kebisingan pada pembacaan tegangan osiloskop, terutama untuk nilai tegangan rendah. Setelah mendapatkan hubungan antara suhu permukaan substrat dan rasio tegangan, kita dapat menentukan hubungan tegangan dan daya ruang. Hasilnya, kurva daya dan suhu menunjukkan tren yang sama. Hukum Stefan–Boltzmann menyatakan bahwa daya chamber sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak benda hitam. Hubungan ini dipengaruhi oleh emisivitas material dan kerugian termal untuk sistem nyata. Dari grafik dua bahan substrat, model perhitungan radiasi termal memberi mereka kurva yang sama, dan sifat material menentukan beberapa perbedaan.
Selain itu, dapat dilihat dari gambar di atas bahwa rentang suhu yang terdeteksi oleh sistem ini terbatas. Nilai suhu deteksi minimum untuk substrat Sapphire dan YAG masing-masing adalah 740 ºC dan 750 ºC, sedangkan error mencapai 7% saat mendekati kisaran nilai terendah ini. Sedangkan untuk bahan substrat pada umumnya dibutuhkan suhu sekitar 600 hingga 800 ºC. Oleh karena itu, untuk mencapai hasil yang lebih baik, kisaran suhu seluruh sistem kontrol suhu otomatis harus diatur antara 400 dan 1200 ºC.
Kesimpulan dari perancangan sistem kontrol pirometri otomatis untuk proses pengendapan sistem PLD untuk mencapai suhu permukaan substrat yang stabil yang dapat memaksimalkan efisiensi pengendapan target telah diusulkan. Kami menggunakan empat bagian yang berbeda untuk menggambarkan sistem pirometri untuk proses PLD secara umum. Namun, sistem ini masih memiliki banyak keterbatasan. Pertama, proyek ini berfokus pada prinsip pengukuran suhu dari metode dua warna dan desain eksperimental sistem PLD. Jadi penelitian ini lebih pada tataran teoritis dan pemodelan. Akibatnya, kesalahan sistem besar, dan rentang pengukuran suhu relatif kecil (700-1100 °C). Banyak bahan substrat memerlukan suhu deposisi optimum kurang dari 700 °C, sehingga jangkauan aplikasi sistem terbatas. Kedua, proyek ini tidak memiliki analisis mendalam tentang kesalahan eksperimental. Tidak ada solusi tepat waktu berdasarkan analisis kesalahan, yang mengarah pada beberapa pekerjaan yang harus diselesaikan di masa depan.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2274/1/012006
T. Liang, K. Ningsih, J. I. Mackenzie, J. Prentice, M. Yasin.
