Top Banner
Prosiding Pertemuanllmiah SainsMateri /II Serpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897 ~ENGUKURAN TEGANGAN SISA PADA LA~ISAN TIPIS TiC DENGAN SUBSTRAT Mo s36 Sulistioso Giat S. daD Safei PurDama Pusat Penelitian Sains Materi -BATAN 2q/ ABSTRAK PENGUKURAN TEGANGAN SISA PADA LAPISAN TIPIS TiC DENGAN SUBSTRAT Mo. Telah dilakukan pengukuran tegangan sisa pada lapisan tipis TiC pada substrat kristal tunggal Mo. Pengukuran tegangan sisa pada film tipis TiC dilakukan dengan metoda sudut 29 tetap .dengan mengubah arah datangnya sinar-X, pada orientasi arah bidang <511>. Dengan menentukan slope dari grafik antara 29 dan sin2 'II didapat nilai stress adalah -O,7XI 0' Dyne/cm2 dan -1,6 X 10' Dyne/cm2 ABSTRACT MEASUREMENT OF RESIDUAL STRESS OF THIN FILM TiC ON Mo SUBSTRAT. Measurement of residual stress of thin film TiC on single crystal Mo have been carried out. Determination of residual stress of thin film TiC employed the 29 fixed method. by shift the beam direction. attachedon direction <511>. By known the slope curve of 29 and siw 'II. the stress will be carried out. is -O.7XIO9 Dyne/cm2 and -1.6 XIO9 Dyne/cm2. PENDAHULUAN teramati dengan difraksi sinar-X atau difraksi Neutron. Dengan ntenentukan perubahan nilai d akan diketahui besarnya stress yang terjadi pada material. Dari hukum Bragg dapat diturunkan hubungan antara jarak antar bidang (d), suduthamburan(8), sudutantara permukaan normal sampel daD sumber ('1/),daD stress(cr). nA. = 2d Sine (1) strain (2) Ad 8 = d=Cot8.A8 A8 = perbedaan sudut difraksi. Stres pada arab x : E ~&("') a-- x -I + v .~ sin 2 '" Penelitian mengenai film tipis akhir-akhir ini berkembang pesat. karena aplikasinya juga semakin meluas. Misalnya pacta bidang material nuklir, dinding bagian dalam dari reaktor nuklir fusi jenis TOKAMAK, dilapisi film tipis dari bahan logarn yang bemomer atom rendah .dengan tujuan me nahan pelepasan zat-zat plasma yang bisa menjadi pengotor, yang berasal dari dinding . Masalah yang timbul adalah terjadi keretakan pacta lapisan film tipis yang berhubungan dengan matriksnya (Substrat). keretakan tersebut antara lain disebabkanoleh adanya tegangansisa di film tipis yang terjadi pacta saat pelapisan .Karena itu pengukuran tegangansisapacta film tipis terutama pacta lapisan antar muka (interface) antara film tipis dengan substrat perlu dilakukan terutama untuk bahan yang pacta waktu operasinya mengalami beban dinamis. Pacta makalah ini disampaikan pengukuran tegangan sisapacta film tipis TiC dengan substrat kristal tunggal Mo. yang mempunyai orientasi <III>. Tegangansisa dari film tipis TiC diukur pactaorientasi <511>. Percobaannya ini dilakukan di lnstitut Fusion Science Nagoya. -E.cotO 2(1 + v) .1.20 .1. sin2 If! = ~2() ~ sin 2 If! =K (3) TEORI Pada saatmaterial mengalami stress, jarak antar atom di dalam kristal akan mengalami pelebaran atau pengecilan. tapi masih dalam batas daerah elastis. Pembahanjarak antar atom tersebut akan berpengamh juga pada jarak antar bidang (d) , pembahan ini dapat E = Modulus Young v = Rasio Poisson IV = Sudut antara pennukaan nonnal sampel sumber sinar-X. K = Koefisien sires \ \
4

ABSTRAK ABSTRACT - digilib.batan.go.iddigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1998-1-233.pdfBragg dapat diturunkan hubungan antara jarak antar bidang (d), sudut hamburan(8),

Jan 24, 2020

Download

Documents

dariahiddleston
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: ABSTRAK ABSTRACT - digilib.batan.go.iddigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1998-1-233.pdfBragg dapat diturunkan hubungan antara jarak antar bidang (d), sudut hamburan(8),

Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi /IISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

~ENGUKURAN TEGANGAN SISA PADALA~ISAN TIPIS TiC DENGAN SUBSTRAT Mo s36

Sulistioso Giat S. daD Safei PurDamaPusat Penelitian Sains Materi -BATAN

2q/ABSTRAK

PENGUKURAN TEGANGAN SISA PADA LAPISAN TIPIS TiC DENGAN SUBSTRAT Mo. Telah dilakukanpengukuran tegangan sisa pada lapisan tipis TiC pada substrat kristal tunggal Mo. Pengukuran tegangan sisa pada film tipisTiC dilakukan dengan metoda sudut 29 tetap .dengan mengubah arah datangnya sinar-X, pada orientasi arah bidang <511>.Dengan menentukan slope dari grafik antara 29 dan sin2 'II didapat nilai stress adalah -O,7X I 0' Dyne/cm2 dan -1,6 X 10'

Dyne/cm2

ABSTRACTMEASUREMENT OF RESIDUAL STRESS OF THIN FILM TiC ON Mo SUBSTRAT. Measurement of residual

stress of thin film TiC on single crystal Mo have been carried out. Determination of residual stress of thin film TiC employedthe 29 fixed method. by shift the beam direction. attached on direction <511>. By known the slope curve of 29 and siw 'II.the stress will be carried out. is -O.7XIO9 Dyne/cm2 and -1.6 XIO9 Dyne/cm2.

PENDAHULUANteramati dengan difraksi sinar-X atau difraksi Neutron.Dengan ntenentukan perubahan nilai d akan diketahuibesarnya stress yang terjadi pada material. Dari hukumBragg dapat diturunkan hubungan antara jarak antarbidang (d), sudut hamburan(8), sudut antara permukaannormal sampel daD sumber ('1/), daD stress(cr).

nA. = 2d Sine (1)strain

(2)Ad

8 = d=Cot8.A8

A8 = perbedaan sudut difraksi.

Stres pada arab x :

E ~&("')a--x -I + v .~ sin 2 '"

Penelitian mengenai film tipis akhir-akhir iniberkembang pesat. karena aplikasinya juga semakinmeluas. Misalnya pacta bidang material nuklir, dindingbagian dalam dari reaktor nuklir fusi jenis TOKAMAK,dilapisi film tipis dari bahan logarn yang bemomer atomrendah .dengan tujuan me nahan pelepasan zat-zatplasma yang bisa menjadi pengotor, yang berasal daridinding .

Masalah yang timbul adalah terjadi keretakanpacta lapisan film tipis yang berhubungan denganmatriksnya (Substrat). keretakan tersebut antara laindisebabkan oleh adanya tegangan sisa di film tipis yangterjadi pacta saat pelapisan .Karena itu pengukurantegangan sisa pacta film tipis terutama pacta lapisan antarmuka (interface) antara film tipis dengan substrat perludilakukan terutama untuk bahan yang pacta waktuoperasinya mengalami beban dinamis.

Pacta makalah ini disampaikan pengukurantegangan sisa pacta film tipis TiC dengan substrat kristaltunggal Mo. yang mempunyai orientasi <III>.Tegangan sisa dari film tipis TiC diukur pacta orientasi<511>. Percobaannya ini dilakukan di lnstitut FusionScience Nagoya.

-E.cotO

2(1 + v).1.20

.1. sin2 If!=

~2()~ sin 2 If!=K (3)

TEORI

Pada saat material mengalami stress, jarak antaratom di dalam kristal akan mengalami pelebaran ataupengecilan. tapi masih dalam batas daerah elastis.Pembahan jarak antar atom tersebut akan berpengamhjuga pada jarak antar bidang (d) , pembahan ini dapat

E = Modulus Youngv = Rasio PoissonIV = Sudut antara pennukaan nonnal sampel

sumber sinar-X.K = Koefisien sires

\

\

Page 2: ABSTRAK ABSTRACT - digilib.batan.go.iddigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1998-1-233.pdfBragg dapat diturunkan hubungan antara jarak antar bidang (d), sudut hamburan(8),

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -2l Oktober 1998 ISSN1410-2897

PERCOBAAN dilakukan pemisahan puncak difraksi, untuk itudigunakan metoda Rachinger, sebagai berikut.Sumber sinar-X yang dihasilkan dari target mempunyaipanjang gelombang , AKa. daD AKa2 .Selisih AKa.daD A Ka2, adalah :

AA = AKa. -AKa2 (4)

Penurunan persamaan (1) daD disubstitusikan kepersamaan (4) akan didapat :

A,2(}, = 2tan(}(5)

AA

AKa..

Interval A2er diplotkan ke kurva difraksi sinar-X darititik awal 0 sampai titik akhir P. Dari titik 0 ditarikgaris sejajar sumbu intensitas, didapat titik potongdengan kurva difraksi sinar-x di titik D, demikianjugadari titik P sampai memotong di kurva di tititk B. Karenatinggi intensitas OD daD PB dapat dihitung, makadidapat :

Pelapisan film tipis TiC dilakukan dengan teknikChemical Vapour Deposition (CVD) dan pengukuranstress dilakukan dengan teknik difraksi sinar-Xmenggunakan X-ray Stress Analyzer. RIGAKUIStrainflex Series type MSF-2M.

Lapisan Tipis TiC. dilapiskan pada substratkristaI tunggal Mo dengan orientasi < III >. Penggunaansubstrat yang berstruktur kristaI tunggal. dimaksudkanuntuk menghindari terjadinya penumpukan puncakdifraksi. antara film tipis daD substratnya. karenapuncak difraksi bidang (321) dari Mo akan berimpitdengan puncak difraksi bidang (511) dari TiC. Sebelumdilakukan pengukuran tegangan sisa sampel dipanaskansampai 700 .C. Pengukuran tegangan sisa .dilakukanpada dua arah yaitu longitudinal daD transversal.selanjutnya disebut sampell dan sampel 2.

Gambar 1 menunjukkan prinsip pengukurantegangan sisa menggunakan difraksi sinar-X denganmetoda sudut e tetap. Dari data pola difraksi yangdidapat .ternyata puncaknya berimpit. karena itu perlu

PB = PA + PC = PA + (OD/2) (6)(a)

Sumber sinar-X

1 Oetektor

111

(b)

Swnbcr slnar-X

HAsa DAN PEMBAHASAN

Beberapa pola difraksi basil pengukuran terteradibawah ini :

Pola difraksi sinar-X yang dihasilkan padasampel TiC yang dilapiskan pada Mo, mempunyaisudut difraksi pada bidang hkl (511) dengansudut'V =0, 30, 45, dan 60 pada gambar 33, 3b, 3c,daD 3d.

Tabel 1 dibawah ini adalah data-data basilpengamatan Tegangan Sisa pada film tipis TiC. Sampel1 adalah pengukuran tegangan sisa pada arab longitudi-nal dari sampel , dan sampel 2 adalah arab transversaldari sampel. Data dari tabell dibuat kurva antara 2q vs.

siw y , daD digambar pada gambar 4a dan 4b dibawah ini.Besar stres dihitung dari kurva garnbar 4 dengan membuatslope pada garis miring pada kurva tersebut, dan didapat

Gambar I. Skema Prinsip Pengukuran tegangan sisadengan difraksi sinar-X. (a) Sudut '11 = '11. +T) = T) ('11. = 0, posisi normal), (b) Sudut '11 = '11.

+ T) (Sampel diputar '11. daTi normal)

Page 3: ABSTRAK ABSTRACT - digilib.batan.go.iddigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1998-1-233.pdfBragg dapat diturunkan hubungan antara jarak antar bidang (d), sudut hamburan(8),

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 10 -11 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

Gambar 3a. Data difraksi bahan TiC pada '11= 00

Gambar 3d. Data difraksi bahan TiC pada 111= 60'Gambar 3b. Data difraksi bahan TiCpada '11= 30.

Tabel 1. Data-data pengamatan tegangan

besar d(2e)/d(Sin~) dan disubsitusikan pada persamaan(3). BilaE=4,96 .1012; v=0,19; A.= 1,542 A;dana=4,328A, makadapatdihitungkonstanta,K = 1,485.101°. Basil

perhitungan stres untuk sampel 1 daD 2 tertu1is padatabe I 2.

Sin2 IV 29sin'llIV

Sampell135.29

135.32

135.31

135.31

135.31

135.31

135.31

135.32

135.32

135.34

135.32

135.32

135.33

135.32

135.33

135.34

0.00

0.05

0.11

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.39

0.45

0.50

0.50~

0.60

0.65

0.70

0.75

135.26

135.27

135.30

135.31

135.30

13529

135.30

135.33

135.34

135.33

135.33

135.33

135.34

135.33

135.35

135.36

Basil ana1isis tegangan sisa pada film tipis TiCdengan substrat Mo menunjukkan bahwa terjaditegangan sisa tekan (compression stress) yang besarnyaantara -1,48.1010 sampai dengan -0,74.1010 dyne/cm2.Besarnya tegangan sisa ini adalah basil setelah sampeldipanaskan sampai 700°C selama 30 meDii. Besartegangan sisa yang didapat, dari basil pelapisan TiCpada substrat Mo, pada pemanasan 700°C selama 30

Tabel 2. Hasil perhitungan stres pada sampel I daD 2

0-

j (dyneicm2)I

-0,74.1010

Sampel SitiVl20 ~sin"")Lj(2lJ

1 13S,31 0.20 0,02 O,4C

135,33 0,60

-1,48. 10.02 13S,3(J 0.20 0,04 0.40

135,34 0,60

Sulistioso Giat S. dan Safei Purnama 235

I

Page 4: ABSTRAK ABSTRACT - digilib.batan.go.iddigilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-2897-1998-1-233.pdfBragg dapat diturunkan hubungan antara jarak antar bidang (d), sudut hamburan(8),

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -.21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

menit relatifka:il. sehingga tidak mem~ngaruh kekuatanlapisan pada saat penggunaan.

DAFTAR PUSTAKA.

KESIMPULAN

Difraksi sinar-X dapat digunakan untuk mengukurtegangan sisa satu arab, dengan basil yang cukup baik.Dari hasil pengukurnn tegangan sisa antara film tipis TiCdengan substrat Mo didapat tegangan yang bersifatkompresi (tegangan tekan), hal ini akan memberikeuntungan jika sampel tersebut mendapat gayategangan tarik (tensile stress), akibat pemanasan ketikadigunakan, sehingga akan menghasilkan resuitan gaya

yang saling mengllilangkan.

UCAPAN TERIMA KASm

Kami mengucapkan terima kasih pada Prof Dr.Marsongkohadi yang telah memberikan kesempatanuntuk melakukan penelitian ini di Institut Nasional FusiSains Nagoya, Jepang, clan juga kepada Prof. KohjiKamada yang memberikan fasilitas selama penelitianini.

[I). I.C.NOYAN, J.B.COHEN, Residual Stress,Measurement by difraction and interpretation,Springer-Verlag New- York.1987, Germany.

[2). H.DOLLE and J.B.COHEN, Residual Stresses inGround Steels, Metallurgical Transsaction A,Vol.IIA, January 1980-159.

[3). ISAO YOSHIZAWA and KOHlI KAMADA,Residual Stress in coated low-Z film of TiC andTiN, Journal of Nuclear Materials 122 & 123,(1984), 1309-1314, North-Holland,Amsterdam.

[4). AD.KRAWITZ et.al., Measurements of Stress inthe interior of solids with neutron, University ofMissouri, Columbia,Mo 65211.

[5). L.PINTSCHOVIUS et.al., Deter-mination ofResidual Stress, Kernforchungzentrum Karlsrnhe,Institute fur Angewandre Kern Physik, Postfach3640, D- 7500 Karlsmhe.

[6). I.YOSHIZAWA, M.FUKUTOMI, andK.KAMADA. Temperature Dependence ofResidual Stress in TiC Coated Mo. Journal ofNuclear Materials, Vol. 128 & 129 ,1984, Instituteof Plasma Physics, Nagoya University ,Japan.