KERAMIK Mimin Sukarmin, S.Si., M.Pd.

Transkripsi

1 KERAMIK Mimin Sukarmin, S.Si., M.Pd. A. Keramik Bahan keramik merupakan senyawa antara logam dan bukan logam. Senyawa ini mempunyai ikatan ionik dan atau ikatan kovalen. Jadi sifat-sifatnya berbeda dengan logam. Walaupun secara umum fasa keramik mempunyai stuktur kristalin, akan tetapi struktur keramik tidak memiliki banyak elektron bebas. Elektron-elektronnya dipakai bersama pada atom-atom yang berdekatan dalam ikatan kovalen atau berpindah dari atom yang satu ke atom yang lainnya membentuk ikatan ionik, jadi atom terionisasi dan bermuatan. Ikatan ionik menyebabkan keramik mempunyai stabilitas yang relatif tinggi. Sehingga keramik mempunyai titik cair yang tinggi (1500 o C o C), dibandingkan logam atau bahan organik (Van vlack,1983: 305). Dikalangan orang awam istilah keramik biasanya dikaitkan dengan barang-barang kerajinan. Untuk ahli teknik, keramik mencakup berbagai jenis bahan seperti gelas, bata, batuan, beton, amplas, enamel porselen, batu tahan api pada suhu tinggi dan seiring perkembangan teknologi keramik digunakan juga sebagai isolator listrik dan rangkaian elektromagnetik karena memiliki konstanta dilektrik tinggi, sifat piozoelektrik, sifat magnetik dan sifat semikonduktor. Sifat dielektrik pada keramik terjadi, karena beberapa keramik tertentu dapat menjadi isolator yang baik. Keramik bisa menjadi isolator yang baik diakibatkan oleh elektron valensi dari logam pindah secara permanen ke atom oksigen, membentuk ion O 2-. Misalkan Al 2 O 3, MgO dan SiO 4 merupakan beberapa keramik yang memiliki sifat isolator. Sifat piezoelektrik terjadi pada keramik yang memiliki pusat muatan tidak identik, akibatnya setiap sel satuan berperan sebagai dua kutub listrik kecil dengan ujung positif dan negatif, misalkan BaTiO 3. Kutub positif dan negatif terpisah dengan jarak d, jarak d ini bisa

2 bergeser pada suhu tertentu, atau apabila kita tarik dengan tegangan tertentu, maka jarak d bergeser semakin panjang. Bila dua kutub ini diisolir maka terjadi bedapotensial dan apabila ada hubungan listrik maka elektron akan mengalir dari kutub yang satu ke kutub yang lainnya. Begitupun sebaliknya, apabila kita berikan tegangan pada kedua ujungnya, maka muatan positif akan tertarik ke ujung yang satu dan muatan negatif tertarik keujung yang lainnya. Hal ini menyebabkan terjadi pergeseran panjang d. Efek seperti ini terjadi pada keramik yang memiliki sifat piezoelektrik, sehingga dapat dimanfaatkan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik atau sebaliknya. Sementara sifat magnet muincul pada keramik yang memiliki spin elektron yang tidak berpasangan seperti halnya Fe 3 O 4 dan keramik yang bersifat semikonduktor akan dibahas khusus pada sub bab semikonduktor keramik. B. Semikonduktor Keramik Meskipun bahan keramik pada umumnya merupakan isolator, keramik dapat berubah menjadi semikonduktor bila mengandung elemen transisi valensi ganda (Van Vlack, 1983: 324). Dimana kekosongan elektron dapat membawa muatan dengan berpindah dari atom yang satu ke atom lainnya. Pada semikonduktor, elektron yang meninggalkan hole dan hole yang ditinggalkan elektron dapat menjadi pembawa muatan, jadi pembawa muatan pada semikonduktor adalah hole dan elektron. Hal ini berlaku pada semua jenis bahan semikonduktor, baik semikonduktor unsur transisi, maupun semikonduktor keramik. Namun pada semikonduktor keramik pergerakan pembawa muatan ada tiga cara, yaitu Pertama, Eksitasi elektron (semikonduktor intrinsik). Elektron dan hole yang dihasilkan oleh eksitasi elektron dari pita valensi teratas ke pita konduksi terbawah melalui band gap (celah terlarang) dengan energi minimum tertentu yang disebut dengan energi gap. Peristiwa eksitasi ini menyebabkan timbulnya elektron bebas pada pita

3 konduksi dan hole bebas pada pita valensi. Jumlah elektron bebas dan hole bebas di masingmasing pita tersebut adalah sama. Kedua, Impurity (semikonduktor ekstrinsik). Konduktivitas semikonduktor ekstrinsik sangat dipengaruhi oleh keberadaan atom pengotor (impurity). Jika ke dalam semikonduktor intrinsik ditambahkan atom golongan V, maka atom tersebut akan memberikan (donor) elektron ke dalam semikonduktor tersebut. Sehingga semikonduktor ini bertipe-n. Jika ke dalamnya ditambahkan golongan III akan menghasilkan kekosongan pada elektron valensi yang disebut dengan hole. Hole tersebut bertindak sebagai akseptor oleh karena itu semikonduktor ini bertipep. Ketiga, Nonstoikiometri. Pada keadaaan ini, kejadiannya mirip sekali dengan semikonduktor ekstrinsik, hanya munculnya cacat elektron sebagai hasil stoikiometri kristal. Elektron dan hole semikonduktor nonstoikiometri tereksitasi dalam pita konduksi dan valensi sebagai hasil reduksi dan oksidasi. Pita konduksi Pita konduksi Pita konduksi Ec Tingkat donor Eg Tingkat akseptor Vo Vo Ev Pita valensi Pita valensi Pita valensi (a ) hole (b) elektro n (c) Gambar 2.1 Skema Tingkat Energi dari (a) Semikonduktor Intrinsik, (b) Semikonduktor Ekstrinsik, (c) Semikonduktor Nonstoikiometri (Barsoum, 1997:221)

4 Senyawa semikonduktor keramik yang paling sederhana terdiri dari dua unsur, yaitu logam dan non logam yang membentuk senyawa kristal keramik AX, misalkan MgO, ZnS, NiO dan ZnO (Van Vlack, 1983: ). NiO dan ZnO salah satu pergerakan muatannya mengikuti pergerakan muatan nonstoikiometri yang diakibatkan cacat elektron. Misalkan NiO teroksidasi membentuk ion Ni 3+, suatu hal yang lazim pada ion transisi memiliki valensi ganda. Pada oksida nikel, tiga Ni 2+ digantikan oleh dua Ni 3+ dan satu kekosongan, seperti terlihat pada Gambar 2.2a. Dengan begitu keseimbangan muatan terpelihara, difusi elektron dan konduktivitas ion lebih mudah. Hal yang penting, bahwa elektron dapat melompat dari ion Ni 2+ ke letak akseptor dalam ion Ni 3+. Sebaliknya, suatu lubang elektron (hole) bergerak dari ion nikel yang satu ke ion nikel yang lainnya dalam pergerakannya ke elektroda positif. Oksida nikel yang mempunyai struktur M 1-x O yang cacat adalah semikonduktor jenis p. Gambar 2.2 Semikonduktor cacat (a) Ni 1-x. Ion Ni 3+ menjadi akseptor elektron, sehinnga lubang O terbentuk pada pita valensi. (b) Zn 1+y O. Ion Zn + merupakan donor elektron pada pita konduksi untuk semikonduktor jenis-n (Van Vlack, 1983: 183).

5 Selain oksida jenis p, terdapat pula oksida jenis n. Oksida seng (ZnO) apabila berada dalam atmosfer reduksi, menjadi Zn 1+y O dengan hilangnya oksigen. Akan tetapi dalam hal ini kekosongan oksigen tidak terbentuk. Ion seng memiliki letak interstisi (Gambar 2.2b). Ion Zn + yang timbul untuk mengimbangi muatan, memiliki kelebihan satu elektron dibandingkan dengan ion-ion Zn 2+ lainnya. Ion-ion lainnya ini dapat memberikan elektron pada pita konduksi menghasilkan semikonduktor jenis- n (Van Vlack, 1983: ). Selain senyawa kristal AX yang sederhana, terdapat juga kristal keramik dengan senyawa ganda (multiple compounds) jenis senyawa A m B n X p. Senyawa jenis ini adalah spinelfero dengan komposisi MFe 2 O 4, dimana M adalah kation dengan bervalensi dua (Van Vlack, 1983: 315). Misalkan magnetik FeFe 2 O 4 adalah semikonduktor keramik yang mempunyai senyawa spinelfero dengan tahanan jenis 10-2 ohm.cm yang setara dengan grafit dan timah putih. Asal mula konduktivitasnya identik dengan NiO, namun jumlah kekosongan elektron untuk membawa muatan jauh lebih besar karena fraksi ion Fe 3+ lebih besar. Tahanan dapat ditingkatkan dengan larutan padat, dimana ion besi bervalensi ganda dapat digantikan dengan ion lainnya. Tahanan larutan padat MgCr 2 O 4 dan FeFe 2 O 4 dapat dilihat pada Tabel 2.1. Baik ion Mg 2+ maupun ion Cr 3+ tidak dapat bereaksi dengan elektron maupun kekosongan elektron. Oleh karena itu tahanan dapat diatur sampai nilai level tertentu. Dari Tabel 2.1 ternyata perubahan tahanannyan sebesar 1% / o C dan untuk larutan tertentu dapat mencapai 4% / o C. Kepekaan ini dapat dimanfaatkan untuk pengukuran suhu dengan tepat dan dapat digunakan sebagai bahan pembuatan termistor yang digunakan untuk pengukuran suhu. Karena termistor NTC mempunyai tahanan suhu yang negatif (Van Vlack, 1983: ).

6 Tabel 2.1 Tahanan Semikonduktor Keramik (Van Vlack, 1983: 325) Komposisi (% mol) Tahanan (ohm.m) ρ/ T FeFe 2 O 4 MgCr 2 O 4 25 o C 60 o C % / o C , , , ,007 0,0045-1, ,8 0,75-1, , >10 10 < Jenis senyawa yang lain, selain AX dan A m B n X p adalah jenis A m X p, karena tidak semua senyawa linear mempunyai jumlah atom atau ion A dan X yang sama, misalnya Al 2 O 3, ZrO 2, SiO 2 dan TiO 2. Tiga unsur terakhir memiliki struktur dasar VO 2 (Van Vlack, 1983: ).