BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Struktur Kristal Bahan Kristal merupakan suatu bahan yang terdiri dari atom-atom yang tersusun secara berulang dalam pola tiga dimensi dengan rangkaian yang panjang (Callister & William, 2003). Gambar 2.1 Skema tentang struktur kristal (Callister, 2003) Pada sistem kristal terdapat konstanta kisi yang terbentuk dalam 3 dimensi yang diberi symbol dengan a, b, dan c. Sudut antara ketiga konstanta kisi tersebut diberi simbol dengan. Misalnya, untuk kristal yang berbentuk kubik, konstanta kisinya sama dalam ketiga arah koordinat ( a = b = c) dan sudut antara ketiga sisinya sama besar yaitu 90º ( = 90º ), sedangkan untuk kristal yang bukan kubik konstanta kisinya berbeda dalam ketiga arah koordinat. Volume sel satuan ditetapkan oleh 3 kisi (a, b, dan c) dan sudut 3 ( ). Jarak bidang kristal merupakan panjang garis yang diambil secara tegak lurus antara 2 bidang kristal yang sama dalam sebuah kristal. Penentuan jarak antara bidang kristal bergantung pada sistem kristal, karena setiap sistem kristal memiliki rumus jarak yang berbeda (Takafumi, dkk, 2012). Tujuh bentuk sel satuan yang berbeda bias dibentuk dari parameterparameter yang dikenal sebagai sel satuan konvensional, dan bila dikombinasikan dengan posisi atom khusus dengan sel satuan, akan menghasilkan 14 kisi bravais, yang rincinya dapat dilihat pada tabel 2.1

2 Tabel 2.1 Sel satuan konvensional dan 14 kisi Bravais (Kittle, 2002) Sistem Kristalografi Kubik Panjang Sumbu dan Sudut α = β = γ = 90 o a = b = c Kisi Bravais -Simple -Face-centered -Body-centered Simbol Kisi P F I Skeme Tiga Dimensi Simple Tetragonal α = β = γ = 90 o a = b c -Simple -Body-centered P I Ortorombik α = β = γ = 90 o a b c - Simple - Base-centered - Face-centered - Body-centered P C F I Monoklinik α = γ = 90 o β a b c - Simple - Base-centered P C Triklinik α β γ = 90 o a b c - Simple P Hexagonal α = β = 90 o, γ = 120 o a = a c - Simple P Rombohedral α = β = γ 90 o < 120 o a = b = c - Simple P

3 Pada sebuah kristal dapat ditentukan dengan menentukan titik-titik potong dari sebuah kristal tiga dimensi kemudian membalikkan nilai titik-titik potong tersebut dengan menjadikan penyebut suatu pecahan yang memiliki pembilang 1, nilai dari ketiga bilangan tersebut dibuat dalam bentuk <hkl> yang disebut dengan indeks miller. Jarak antara bidang (d) merupakan fungsi dari indeks bidang (hkl). Jarak antar bidang kristal merupakan panjang suatu garis yang diambil secara tegak lurus antara 2 bidang yang sama dalam sebuah kristal, menentukan jarak antara bidang kristal tergantung pada sistem kristal (Kittle, 2002). 2.2 Bahan Dielektrik Bahan dielektrik merupakan suatu bahan yang secara kelistrikan bersifat isolator dan bisa memperlihatkan struktur dipole listrik, yaitu adanya pemisahan antara muatan positif dan muatan listrik negatif pada tingkatan molekuler atau atomik (Callister,1994). Bahan dielektrik memiliki suatu konstanta yang dikenal dengan konstanta dielektrik. Konstanta dielektrik suatu bahan dapat ditentukan dari perbandingan antara permitivitas vakum (ruang hampa), yang diberikan oleh persamaan : ; (2.1) Dengan: = Konstanta Dielektrik = permitivitas dielektrik bahan (F/m) = permitivitas vakum (8,85 x F/m) d = tebal bahan (m) C = nilai kapasitansi (F) A = luas permukaan bahan (m 2 ) Konstanta dielektrik suatu bahan tidak memiliki satuan karena merupakan perbandingan antara 2 besaran yang memiliki satuan yang sama. Permitivitas dielektrik bahan itu sendiri ditentukan melalui pengukuran dengan alat atau dari percobaan. Bahan dielektrik biasanya terikat kuat oleh masing-masing atom

4 sehingga tidak dapat bergerak walaupun bahan itu berada dalam medan listrik. Jika suatu bahan dielektrik diberi medan listrik, maka dipol listrik yang terjadi akan mengarahkan diri sehingga pada permukaan bahan akan timbul muatanmuatan listrik induksi. Muatan tersebut menimbulkan medan listrik baru didalam bahan menjadi lebih lemah, yaitu 1/k kali medan listrik luar, sedangkan tetapan k disebut konstanta dielektrik. Piezoelektrik merupakan bahan dielektrik bahan yang polarisasinya disebabkan oleh pengaruh gaya dari luar seperti tekanan. Bahan piezoelektrik bersifat ferroelektrik (Smallman, 2000). 2.3 Piezoelektrik Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas atau ditekan dan piezo yang bermakna didorong. Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun 1880 an oleh Jacques dan Pierre Curie. Kata piezo berarti tekanan, sehingga efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik. Efek piezoelektrik adalah suatu efek yang reversibel, dimana terdapat efek piezoelektrik langsung (direct piezoelectric effect) dan effek piezoelektrik balikan (converse piezoelectric effect). Efek piezoelektrik langsung adalah produksi potensial listrik akibat adanya tekanan mekanik. Sedangkan efek balikan adalah ketika suatu benda mendapatkan perlakuan tekanan dari luar maka akan menghasilkan tegangan listrik. Seperti yang ditujukan pada gambar 2.2 Gambar 2.2 Efek piezoelektrik langsung dan efek balikan (Sumber: Physics Instrument, 2010). Pada suatu material piezoelektrik, terdapat muatan listrik positif dan muatan listrik negatif namun terdistribusi simetris sehingga kristal keseluruhan

5 secara elektrik bersifat netral. Ketika suatu bahan yang diberi tekanan, maka distribusi muatan yang simetris akan terganggu sehingga muatan menjadi tidak simetris lagi, muatan yang tidak simestris inilah yang menimbulkan medan listrik dan setelah medan listrik mempengaruhi bahan tersebut maka akan menimbulkan deformasi mekanik yang menyebabkan perubahan dimensi (struktur kristalnya dari kubik menjadi tetragonal), dikarenakan karena pada saat medan listrik melewati material molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik sehingga dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi, sehingga mengakibatkan perubahan dimensi pada material (Sharma, 2006) Bismut Natrium Titanium (BNT) Pada tahun 1956, seorang peneliti dari Soviet mengganti ion Pb 2+ dengan ion Bi 3+ dan ion Na + dalam struktur perovskite untuk membentuk Bi 0,5 Na 0,5 TiO 3 atau BNT (Isupov, 2005). BNT termasuk material ferroelektrik (yang didalamnya ada piezoelektrik). Keramik BNT dilanjutkan dan dikembangkan oleh Smolenski pada tahun 1960 (Hosono et al, 2001). Dengan meningkatnya permintaan material piezoelektrik bebas timbal (Pb) dan ramah lingkungan, BNT dianggap sebagai calon dielektrik bahan untuk masa depan yang dapat dikembangkan sebagai material piezoelektrik yang bebas Pb. Bismuth sodium titanat merupakan keluarga material piezoelektrik yang relatif baru. BNT dipelajari karena memiliki nilai temperatur dielektrik yang tinggi, C (Nagata dan Takenaka, 2001). BNT merupakan bahan keramik piezoelektrik yang memiliki tipe kristal perovskite ABO 3. BNT dipelajari ini diharapkan bisa menggantikan standar industri sekarang yaitu barium titanat (BT) dan PZT. Karakteristik sifat piezo pada BNT dialami pada perubahan fase diffusi dari kubik ke tetragonal /rhombohedral pada temperatur dibawah C. (Pronin et al., 1980). Pada temperatur ruangan, keramik BNT mempunyai struktur kristal rhombohedral (Park and Chung, 1994 ; Chue et al., 2002b ; Jones and Thomas, 2002).

6 2.5 Struktur Bismut Natrium Titanat Bismut Natrium Titanat mempunyai sturuktur kristal perovskite terdistorsi ABO 3. Dimana atom Bi 3+ dan Na +3 menempati sudut-sudut sel satuan kubik, sedangkan Ti menempati pusat sel satuan kubik Body Centred Cubic (BCC). Akan tetapi atom O -2 ditengah bidang-bidang dari sel satuan kubik Fase Centred Cubic (FCC). Gambar 2.3 Struktur perovskite BNT (Sumber: Materials, 2015) Fase transisi adalah salah satu dari penentu utama dari sifat dielektrik material. BNT dapat dipilih dengan fase transisi yang terjadi dalam berbagai temperatur. Struktur perovskite merupakan salah satu jenis struktur dari material ferroelektrik. Sekarang ratusan dari formula ABO 3 divariasikan dengan menggantikan larutan padatan atau penambahan bahan pengotor atau dopants (Shrout dan Swartz, 1992). 2.6 Metode Padatan (solid state reaction) Solid State Reaction (metode padatan) adalah suatu metode yang paling banyak digunakan untuk bahan-bahan anorganik bersuhu tinggi, metode ini sering disebut dengan metode kering. Metode ini merupakan reaksi padatan yang terjadi antar partikel yang bereaksi diatas permukaan, yang dipengaruhi oleh sifat kehomogenan bahan, tekanan saat kompaksi dan suhu sintering. Tahapan dari metode solid state reaction adalah : a) Penggerusan / Blending Tujuan dari proses ini adalah untuk menghomogenisasi bahan dengan adanya pengecilan butiran agar permukaan kontak antar partikel dapat lebih baik.

7 b) Kompaksi / Compacting Tujuan dari proses ini adalah pemberian tekanan terhadap bahan sehingga memungkinkan terjadinya proses difusi yang lebih cepat. c) Pemanasan / Sintering Proses sintering adalah proses pemanasan serbuk pada suhu dibawah titik lelehnya dalam rentang waktu yang cukup lama dengan tujuan mendapatkan kualitas bahan yang lebih bagus. Selain itu, agar butiranbutiran yang berdekatan dapat bereaksi dan berdekatan. Pada metode padat ini bahan tidak dapat tercampur secara homogen sehingga akan mempengaruhi proses reaksinya, untuk itu diperlukan suhu tinggi pada proses sintering agar bahan dasar dapat tercampur secara homogen. Metode padat diawali dengan proses penggerusan, dimana akan mengurangi rongga antar partikel pereaksi dan juga membuat ukuran serbuknya lebih kecil, sehingga permukaan partikel yang dapat bereaksi lebih luas. Kemudian proses kompaksi atau pemberian tekanan terhadap bahan yang dapat meningkatkan luas kontak anatarmuka pereaksi-pereaksi. Proses sintering atau proses pemadatan dari serbuk bahan yang dibentuk pada suhu tinggi, namun masih berada di bawah titik leleh bahan tersebut untuk menjadi bahan padat. Selama proses sintering terjadi pengurangan pori-pori bahan yang disertai oleh pembesaran dari masing-masing butir sehingga jarak dari butir semakin kecil, sehingga terjadi ikatan yang kuat antar masing-masing butir (Ahda, 2010). 2.7 Temperatur Curie Temperatur Curie (Tc) merupakan karakterisasi penting dari material ferroelektrik, Ketika terjadi penurunan temperatur hingga berada dibawah temperatur Curie (Tc). Terjadi transisi fase kristal dari fasa ferroelektrik ke fasa paraelektrik (Sharma, 2006). Temperatur kristal saat berada di atas temperatur Curie, maka struktur kristal bahan tersebut adalah kubik dan kristal tidak memperlihatkan ferroelektrisitas. Sedangkan ketika temperatur berada dibawah temperatur Curie strukturnya menjadi tetragonal atau rhombohedral dan kristal memperlihatkan ferroelektrisitasnya. Perubahan struktur ferroelektrik ke struktur non-ferroelektrik

8 (kubik) ditunjukkan dengan konstanta dielektrik mencapai puncak yang tajam. Fenomena temperatur curie (Tc) dapat dijelaskan oleh hukum Curie-Weiss: = (2.2) Dengan : = konstanta dielektrik A = konstanta curie T = suhu untuk suatu bahan = suhu yang dekat dengan suhu curie (bukan suhu curie) 2.8 Difraksi Sinar-X Difraksi sinar-x digunakan dalam karakterisasi material untuk mendapatkan informasi tentang kristal maupun non kristal. Difraksi tergantung pada struktur kristal dan panjang gelombangnya. Jika panjang gelombang lebih besar dari pada ukuran atom atau konstanta kristal maka tidak akan terjadi peristiwa difraksi karena sinar akan dipantulkan sedangkan jika panjang gelombangnya mendekati atau lebih kecil dari ukuran atom atau kristal maka akan terjadi peristiwa difraksi (Kittle, 2002). Hukum Bragg merupakan rumusan matematika tentang persyaratan yang harus dipenuhi agar berkas sinar-x yang dihamburkan tersebut merupan berkas difraksi. Berkas sinar-x monokromatik yang dating pada permukaan kristal akan dipantulkan, dan pantulan terjadi hanya jika sudut datangnya mempunyai sudut tertertu. Alat X-Ray Diffraction (XRD) digunakan untuk mengetahui struktur kristal, perubahan fasa, dan ukuran kristalin. Gambar 2.4 Difraksi sinar-x oleh bidang kristal (Kittle, 2002)

9 Metode XRD bedasarkan sifat difraksi sinar-x, yaitu hamburan cahaya dengan panjang gelombang λ saat melewati kisi kristal dengan sudut θ dan jarak antara kristal sebesar d (Callister, 2003). Berkas sinar pantul akan saling berinterferensi pada detektor dan terjadi interferensi konstruktif hanya jika perbedaan lintasan antara sinar 1 dan sinar 2 sama dengan bulat dari panjang gelombang. n λ = 2 d sin θ (2.3) Dengan: n = orde difraksi (n = 1, 2,3, ) λ = panjang gelombang sinar-x ( λ = 1,54056 ) d = jarak antar bidang kristal θ = sudut difraksi Persamaan ini disebut sebagi hukum Bragg. Pantulan Bragg hanya terjadi untuk gelombang dengan λ 2d, dan itulah sebabnya cahaya tampak tidak dapat digunakan dalam hal ini. Sudut θ yang ditentukan berdasarkan persamaan 2.3, untuk jarak antar bidang d dan λ tertentu merupakan sudut unik terjadinya pantulan. Pada sudut yang lain, berkas sinar pantulan akan saling berinterferensi dekstruktif satu sama lain, sehingga pantulan efektifnya nol. Istilah difraksi lebih banyak dipakai dalam hal ini dari pada pantulan, sehingga sebutan lainnya difraksi sinar-x (Cullity, 1978). 2.9 Metode Hanawalt (JCPDS) Pola difraksi dari suatu bahan kristal adalah khas dan unik sehingga tak ada dua fase kristal yang mempunyai pola difraksi yang sama. Sifat inilah dimanfaatkan untuk kegunaan analisis kualitatif. Analisis kuantitatif dengan metode sinar-x, pada prinsipnya adalah bahwa pola difraksi suatu bahn merupakan sidik jari. Setiap pola serbuk, dicirikan dengan sekumpulan posisi sudut difraksi (2θ) dan intensitas relatif (I/ ). Dari hukum Bragg kita ketahui bahwa posisi sudut difraksi tergantung pada gelombang sinar-x yang digunakan, sehingga jarak antar bidang atom (d)

10 merupakan suatu besaran yang penting. Karena Hanawalt menyatakan setiap pola suatu bahan terdiri dari besaran d dan I/. Pada tabel 2.2 ditunjukkan model bentuk kartu Hanawalt (JCPDS) beserta keterangan data bahan. Tabel 2.2 Salah satu contoh kartu Hanawalt (JCPDS) dari bahan Ta 2 O 5 Pada Tabel 2.2 Nomor-nomor yang terdapat pada kartu Hanawalt tersebut berisikan data seperti yang ditujukan berikut ini: 1. Nomor kode kartu 2. Data fisik bahan 3. Data kristalografi seperti jenis sistem kristal, struktur kristal, dan harga parameternya 4. Kondisi percobaan seperti radiasi yang digunakan, filter yang dipakai dan lain-lainnya 5. Rumus kimia, nama kimia, dan nama sebutan 6. Daftar harga d atau 2θ, intensitas relatifnya dan indeks Miller Pada sudut atas data kartu data, dituliskan symbol yang mengandung arti: * = Untuk data yang mempunyai nilai kepercayaan yang besar o = Untuk data kurang dapat dipercaya

11 2.10 LCR meter LCR meter adalah impedansi meter dimana digunakan panel sentuh sebagai bahan penghubung. LCR meter digunakan untuk mengukur besar induktansi, kapasitansi, dan resistansi. Panel interakif sangat mudah untuk di operasikan. Pengujian frekuensi bisa di set DC dan dari MHz sampai 100 khz pada resolusi tinggi. Nilai maksimum 4 buah dari 14 tes parameter termasuk didalamnya, tidak hanya impedansi (Z), sudut fase (θ), tetapi juga L, C, R, dan sebagainya. Keempat parameter dapat serentak tampil pada layar monitor BET (Brunauer-Emmet-Teller) Material berpori didefinisikan sebagai padatan yang mempunyai pori sehinga mempunyai luas permukaan besar. Porositas merupakan fraksi volume pori terhadap volume total padatan. Pengukuran adsorbsi isoterm gas pada temperatur mendekati titik kondensasi gas adsorbat merupakan teknik konvensional dan sederhana dalam karakterisasi padatan berpori. Teknik ini dilakukan dengan mengukur jumlah gas diadsorbsi oleh suatu padatan pada variasi tekanan gas dalam keadaan isotermal. Gas yang digunakan adalah yang sifatnya inert seperti Nitrogen dan Argon. Berbagai metode teori dan persamaan telah dikembangkan diantaranya adalah metode Brunauer-Emmet- Teller (BET). Metode digunakan untuk menentukan volume total pori, luas permukaan spesifik suatu padatan dari data adsorbsi isoterm gas. Luas permukaan merupakan salah satu parameter penting yang menentukan kualitas padatan berpori ( Hartanto et al. 2011).