Di industri material, pembuatan thin film memiliki peranan yang besar, misalnya sebagai pelapis bahan untuk melindungi atau menutupi kelemahan dari yang dilapisinya. Pada pembuatannya, membutuhkan substrat yang berfungsi sebagai tempat tumbuhnya thin film. Lalu, bagaimana seluk beluk thin film itu sendiri?
Apa itu thin film?
Thin film atau film tipis adalah lapisan dari material yang sangat tipis dengan ketebalan tidak lebih dari 10 µm, serta memiliki skala antara nano hingga milimeter. Penggunaan film tipis, yakni sebagai pelapis bahan untuk menutupi kelemahan bahan di bawahnya, seperti persiapan atau pengembangan material baru sebelum difabrikasi.
Perlu diketahui, thin film polimer merupakan bagian penting dalam perkembangan teknologi, sebab banyak digunakan untuk devais fotonik, sel surya, LED, integrated optics, dan bahan aktif laser. Dalam proses fabrikasi thin film jenis ini, kerap menggunakan proses larutan (solution casting, dip coating, spin coating, dan doctor blading).
Berbeda dengan itu, proses fabrikasi thin film lainnya dilakukan dengan dua proses, yaitu fasa larutan (solution phase) dan proses disposisi (deposition).
Berikutnya, substrat yang dibutuhkan untuk film tipis, yakni yang memiliki parameter kisis dan koefisien termal yang hampir sama dengan film tipis. Di bawah ini terdapat empat fungsi substrat.
- Penunjang interkoneksi dan perakitan devais
- Media panas penyalur rangkaian
- Sebagai isolator, tempat pelapisan, serta pembentukan pola jalur konduktor dan komponen pasif
- Sebagai lapisan dielektrik rangkaian-rangkaian frekuensi tinggi
Aplikasi thin film polimer
Umumnya, aplikasi thin film polimer hanya berkisar pada sel surya, electronics to healthcare, dan memory chips. Perkembangan Chemical Deposition Methods (CVD) memberikan kemudahan kontrol atas lapisan film polimer, termasuk coating thickness dan conformity.
Pun, CVD mampu menghasilkan smart membranes yang dapat mengubah permeabilitas berdasarkan stimulasi lingkungan, yaitu tekanan dan suhu yang rendah serta perubahan pH. Karenanya, lapisan film tipis tersebut banyak digunakan pada aplikasi biomedis, termasuk sistem pengiriman obat, rekayasa jaringan, dan pembuatan biosensor.
- Aplikasi pada baterai
Dalam dekade terakhir teknologi baterai lithium-ion telah berkembang secara eksponensial tetapi integrasi thin film telah mendorongnya lebih jauh dibandingkan sebelumnya. Bahkan, baterai thin film telah digunakan untuk berbagai aplikasi lain, misalnya industri kesehatan (power implantable medical devices).
- Aplikasi pada coating
Thin film coatings memiliki banyyak kegunaan praktis dalam berbagai industri dan teknologi. Pada saat deposisi, pihak manufaktur kerap menggunakan teknik coating untuk meningkatkan sifat kimia dan mekanis material target.
Beberapa contoh umum coating film, yakni anti-reflective coatings, anti-ultraviolet atau infrared coatings, anti-scratch coatings, dan lens polarisation. Tidak hanya itu, film coatings memiliki kegunaan lainnya, seperti di bawah ini.
- Anti-corrosion coatings, mengurangi karat dan degradasi pada pipa, komponen mesin, bearings, dan lainnya.
- Hard coatings, meningkatkan daya tahan cutting tools sekaligus mengurangi gesekan.
- Architectural glazing, meningkatkan efisiensi energi dan menurunkan biaya layanan pada gedung-gedung tinggi.
- Aplikasi pada sel surya
Sel surya thin film sangat penting untuk sektor energi surya, sebab dapat menyediakan pebangkit energi yang ramah lingkungan dan murah. Dua teknologi utama pada sel surya ialah energi panas dan sistem photovoltaic.
Mulanya, teknologi sel surya menggunakan amorphous silicon thin film. Akan tetapi, saat ini standarnya telah berubah, yaitu menggunakan tembaga indium gallium selenide yang memiliki stabilitas lebih besar dan efisiensi yang lebih tinggi.
Sel surya thin film pun banyak digunakan di sektor energi surya sebab lapisan penyerapnya memiliki high absorption coefficient. Dengan demikian dapat mengurangi biaya material yang cukup besar sehingga meningkatkan efisiensi konversi.
Metode pengukuran elastisitas thin film
Pengukuran modulus elastisitas untuk film tipis dapat diandalkan namun sangat sulit dilakukan karena efek substrat. Lalu, adanya aturan yang membatasi kedalaman indentasi hingga 10% dari ketebalan lapisan untuk menghindari pengaruh substrat dalam mekanik sulit dipastikan, terutama ketebalan film di bawah 200 nm.
Untuk itu, dikembangkannya transduser xProbe yang memiliki tingkat tingkat kebisingan yang rendah serta dikombinasi dengan Intrinsic Thin film Property Solution (iTF)2 sehingga kuantitatif sifat mekanik dari nanoindentification test pada sistem thin film 10 nm menjadi sangat mungkin.
Percobaan menggunakan Hysitron ® TI 950 Tribo Indenter® dari Bruker yang dilengkapi dengan xProbe dan cube-corner prob dalam mode kuasi-statis. XProbe sendiri, adalah transduser berbasis MEMS.
Aktuasi linier dapat dilakukan secara langsung dan pengukuran kuantitatif sepenuhnya dapat dilakukan tanpa memerlukan modeling sehingga estimasi sifat mekanik menjadi lebih tepat dan hasil analisis yang lebih tinggi. Berikut tes nano indentation yang dilakukan pada sampel film ultra tipis menggunakan load control feedback mode.
Hasil pengukuran
Tiap segmen indentation dianalisis menggunakan Oliver-Pharr Model 1, yang mana stiffness dihitung dari segment unload. Berdasarkan hal tersebut, termasuk kalibrasi probe, modulus elastisitas nanoindentation dapat dihitung secara langsung dengan efek substrat nonlinear thin film berdasarkan persamaan di bawah ini.
Er = (S√π)/(2√A)
Pada persamaan tersebut S ialah unloading stiffness dan A diproyeksikan sebagai area kontak. Modulus elastisitas dan hardness berkurang dalam fungsi contact depth pada gambar 2 berikut.
Awal peningkatan sifat mekanik dapat dikaitkan dengan surface roughness dan interfacial surface layer. Menerapkan analisis iTF pada stiffness, depth, dan load profile menghasilkan intrinsic elastic modulus dari film akan dihitung secara instan.
Bahkan, analisis iTF menggunakan fungsi area yang diketahui, contact geometry, dan beban serta stiffness untuk tiga persamaan antara defleksi elastis dan radius kontak. Tidak seperti analisis elemen, model ini tidak memerlukan modulus yang diasumsikan sebagai thin film.
Melalui penyelesaian persamaan ini secara numerik, modulus film (Gambar 2) dan parameter plastisitas dapat dihitung.
Oleh karena itu, penggabungan transduser xProbe dengan analytical intrinsic thin film solution, secara kuantitatif dapat menentukan sifat elastis dari sistem film ultra tipis dari 10 nm maupun di bawahnya.
Reference
