TESIS. Disusun Untuk Memenuhi Sebagian Persyarat Mencapai Derajat Magister Program Studi Ilmu Fisika. Oleh: YUNITA SUBARWANTI NIM S

Transkripsi

1 PENGARUH KOMPOSISI STRONTIUM (Sr) TERHADAP SIFAT LISTRIK DAN STRUKTUR MIKRO MATERIAL FERROELEKTRIK BARIUM STRONTIUM TITANAT (Ba 1-x Sr x TiO 3 ) YANG DIBUAT DENGAN METODE CO-PRECIPITATION TESIS Disusun Untuk Memenuhi Sebagian Persyarat Mencapai Derajat Magister Program Studi Ilmu Fisika Oleh: YUNITA SUBARWANTI NIM S PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016

2

3 perpustakaan.uns.ac.id

4 perpustakaan.uns.ac.id

5 MOTTO Maka sesungguhnya bersama kesulitan itu ada kemudahan. Sesungguhnya bersama kesulitan itu ada kemudahan. (Q.S Al-Insyirah: 5-6) Raihlah ilmu, dan untuk meraih ilmu belajarlah untuk tenang dan sabar. (Khalifah Umar) Aku tidak gagal, aku hanya menemukan cara yang tidak berhasil dan selalu ada cara untuk melakukannya dengan lebih baik. Temukanlah! (Thomas Alva Edison) v

6 PERSEMBAHAN Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan kekuatan kepada penulis untuk menyelesaikan tesis ini. Dengan rasa syukur yang tak terhingga, karya tulis ini penulis persembahkan untuk: 1. Ayahanda Subari dan Ibunda Badri Lestari yang telah menjadi malaikatku yang setiap waktu mendoakan, memberiku semangat, dorongan, nasihat, kasih sayang, dan pengorbanan tak terhingga yang telah mengantarkanku sampai pada keadaan yang luar biasa. Persembahan sebuah karya kecil ini tak akan sebanding dengan semua pengorbanan yang telah Ayah dan Ibu berikan. Semoga anakmu ini kelak dapat memberikan yang terbaik dan membanggakan Ayah dan Ibu tersayang dan tercinta. 2. Adikku tersayang, Reva Dwi Pertiwi yang selalu memberikan dukungan, semangat, dan doa untuk keberhasilanku. Semoga kelak adikku tercinta dapat menggapai keberhasilan dikemudian hari dan senantiasa memberikan yang terbaik untuk kedua orangtua kita. 3. Keluarga besarku yang selalu memberikan dukungan dan semangat untuk keberhasilanku. vi

7 ABSTRAK PENGARUH KOMPOSISI STRONTIUM (Sr) TERHADAP SIFAT LISTRIK DAN STRUKTUR MIKRO MATERIAL FERROELEKTRIK BARIUM STRONTIUM TITANAT (Ba 1-x Sr x TiO 3 ) MENGGUNAKAN METODE CO- PRECIPITATION OLEH YUNITA SUBARWANTI Material ferroelektrik barium strontium titanat (B a 1-x Sr x TiO 3 ) telah dibuat dengan variasi strontium 10%, 30% dan 50% menggunakan metode co-precipitaion. Kemudian sampel di-sintering pada suhu 700 o C, 800 o C, 900 o C, dan 1100 o C selama 4 jam. Variasi dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi strontium(s r) dan suhu sintering terhadap ukuran kristal, kristalinitas, konstanta dielektrik, dan morfologi dari sampel. Karakterisasi BST menggunakan X-Ray Diffraction (X RD) untuk mengetahui ukuran kristal dan kristalinitas serta dilakukan pencocokan data menggunakan ICDD serta diolah menggunakan metode Rietvield dengan perangkat lunak GSAS. Morfologi BST dikarakterisasi menggunakan SEM untuk mengetahui homogenitas dan ukuran butir. Sedangkan konstanta dielektrik diukur menggunakan RCL meter. Berdasarkan hasil yang diperoleh, semakin tinggi suhu sintering ukuran kristal, konstanta dielektrik, ukuran butir dan intensitas akan semakin besar. Sedangkan variasi mol Sr yang semakin besar akan menggeser sudut difraksi ke arah kanan, konstanta dielektrik dan ukuran butir akan semakin kecil. Sampel dengan penambahan mol Sr 10% memiliki struktur kristal tetragonal dan merupakan fase ferroelektrik. Sedangkan sampel dengan penambahan mol Sr 30% dan 50% mengubah struktur kristal dari tetragonal ke kubik dan menjadi fase paraelektrik. Kata kunci. Ferroelektrik, BST, Strontium, co-precipitation vii

8 ABSTRACT THE INFLUENCE OF COMPOSITION STRONTIUM (Sr) AGAINST ELECTRICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE IN THE FERROELECTRIC MATERIAL BARIUM STRONTIUM TITANATE (Ba 1- xsr x TiO 3 ) BY CO-PRECIPITATION METHOD BY YUNITA SUBARWANTI The ferroelectric material barium strontium titanate (Ba 1-x Sr x TiO 3 ) have been with variation strontium 10%, 30% and 50% by co-precipitation method. Then samples were sintered at temperature 700 o C, 800 o C, 900 o C, and 1100 o C for 4 hours. The variation carried out to know the influence of variation strontium (Sr) and temperature sintering against crystallite size, crystallinity, dielectric constant, and morphology of samples. Characterization of BST using X-Ray Diffraction (XRD) to determine crystallite size and crystallinity as well as data matching was done using ICDD and processed using Rietveld method by software GSAS. The morphology of BST was characterized using SEM to determine homogeneity and grain size. While dielectric constant measured using RCL meter. Based on the results were obtained, the increasing of temperature sintering crystallite size, dielectric constant, grain size, and intensity will increase. While the variation of mole Sr large shift the diffraction angle to the right, dielectric constant and grain size will decrease. The sample with addition mole Sr 10% has crystal structure tetragonal and ferroelectric phase. while the sample with addition mole Sr 30% and 50% change crystal structure from tetragonal to cubic and being are a paraelectric phase. Kata kunci. Ferroelectric, BST, Strontium, co-precipitation viii

9 PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena telah melimpahkan rahmat dan hidayah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis yang berjudul Pengaruh Komposisi Strontium (S r) Terhadap Sifat Listrik dan Struktur Mikro Material Ferroelektrik Barium Strontium Titanat (B a 1-x Sr x TiO 3 ) Menggunakan Metode Co-Precipitation dengan lancar. Penelitian ini disusun dalam rangka mendapatkan legalitas formal untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat magister pada Program Studi Magister Sains Universitas Sebelas Maret (U NS) Surakarta. Dalam penyusunan tesis ini penulis menyadari tidak akan selesai tanpa bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati penulis mengucapkan terimakasih kepada: 1. Prof. Dr. Ravik Karsidi, MS, selaku Rektor Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas dalam menempuh pendidikan pascasarjana. 2. Prof. Dr. Furqon Hidayatullah, M. Pd., selaku Direktur Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas dalam menempuh pendidikan pascasarjana. 3. Prof. Cari, M. A., Ph. D., selaku Kepala Program Studi Ilmu Fisika Fakultas Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah memberi bimbingan dan pengarahan yang luar biasa sehingga tesis ini terselesaikan dengan baik. 4. Dr. Yofentina Iriani, S. Si., M. Si., selaku pembimbing 1 yang telah memberikan dana penelitian melalui Hibah Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi Kementrian Riset Teknologi dan Dikti(N o. SK 0581/E3/2016) serta memberikan banyak inspirasi, bimbingan, pengarahan, motivasi, dukungan, dan kesabaran yang luar biasa sehingga tesis ini terselesaikan dengan baik. 5. Dr. Agus Supriyanto, S. Si., M. Si., selaku pembimbing 2 yang telah memberikan bimbingan, motivasi dan pengarahan yang luar biasa sehingga tesis ini dapat terselesaikan dengan baik. ix

10 6. Bapak dan Ibu dosen, khususnya Program Studi Ilmu Fisika Fakultas Pascasarjana Universitas Sebelas Maret yang telah banyak memberikan ilmu pengetahuan dan membimbing kepada penulis. 7. Bapak dan Ibu dosen serta staf Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan izin kepada penulis untuk melakukan penelitian di Laboratorium tersebut dan membantu kelancaran dalam penelitian. 8. Teman-teman dan adik-adik seperjuangan di Laboratorium Material Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret yang banyak membantu dan memberikan motivasi selama penulis melakukan penelitian. 9. Sahabat seperjuangan dan sedaerah Endar Sulistyowati, Purwati Yuni Rahayu, Yunandia Rahmawati, Ayuda Arie Aprilia, Ibu Viyanti, Nayntin Novitasari yang selalu memberikan motivasi, nasihat yang luar biasa sampai penelitian dan penulisan tesis terselesaikan dengan baik. 10. Sahabat seperjuanganku Ramona Dyah Safitri yang selalu memberikan motivasi, mendukung, menguatkan, dan memiliki kesabaran luar biasa serta teman diskusi tentang segala hal yang mengenai penelitian dan tesis, sehingga penulis dapat menyelesaikannya dengan baik. 11. Teman-teman mahasiswa Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta yang banyak memberikan masukan dalam penyusunan tesis ini. Penulis menyadari bahwa penyusunan tesis ini masih banyak kekurangannya, oleh karena itu saran dan kritik yang bersifat membangun sangat penulis harapkan untuk memperbaiki dan menyempurnakan tesis ini. Akhirnya penulis berharap semoga tesis ini bermanfaat bagi dunia pendidikan. Surakarta, September 2016 x Yunita Subarwanti

11 DAFTAR ISI Halaman JUDUL... i PERSETUJUAN PEMBIMBING... ii PENGESAHAN PENGUJI... iii PERNYATAAN ORISINALITAS DAN PUBLKASI... iv MOTTO... v PERSEMBAHANAN... vi ABSTRAK... vii ABSTRACT... viii PRAKATA... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xvi BAB I. PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang... 1 B. Rumusan Masalah... 4 C. Batasan Masalah... 4 D. Tujuan Penelitian... 4 E. Manfaat Penelitian... 5 BAB II. LANDASAN TEORI... 6 A. Ferroelektrik... 6 B. Material Dielektrik C. Perovskit D. Barium Strontium Titanat E. Metode Co-precipitation F. Sintering G. X-Ray Diffraction (XRD) H. Scanning Electron Microscopy (SEM) I. Sawyer Tower... xi 22

12 BAB III. METODE PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian B. Alat dan Bahan Alat Bahan C. Preparasi Sampel Penimbangan Pembuatan Larutan a. Larutan 0,2 M Asam Oksalat (H 2 C 2 O 4 ) b. Larutan 0,1 M Titanium Tetrabuksida ((C 4 H 9 O) 4 Ti) Pencampuran Larutan Titrasi Pencucian dan Pengendapan Larutan Pengeringan Pressing Sintering D. Karakterisasi XRD (X-Ray Diffraction) SEM (Scanning Electron Microscopy) Metode Sawyer Tower (Analisis Kurva Histerisis) RCL Meter BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) B. Morfologi Ba 1-x Sr x TiO C. Konstanta Dielektrik Ba 1-x Sr x TiO D. Kurva Histerisis Ba 1-x Sr x TiO BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

13 DAFTAR TABEL Tabel Halaman 2.1. Konstanta Dielektrik Orientasi Bidang Kristal Sampel Ba 1-x Sr x TiO 3 pada Suhu Sintering 800 o C Intensitas Puncak Ba 1-x Sr x TiO 3 pada Bidang (1 0 1) dan (1 1 0) Tingkat Kristalinitas pada Sampel Ba 1-x Sr x TiO Parameter Kisi Sampel Ba 1-x Sr x TiO 3 Hasil Refinement Parameter Kisi Sampel Ba 1-x Sr x TiO 3 Hasil Perhitungan Tetragonality Sampel Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 dengan Variasi Suhu Sintering Ukuran Kristal Sampel Ba 1-x Sr x TiO 3 pada Puncak Tertinggi Ukuran Butir Ba 1-x Sr x TiO 3 pada Suhu 900 o C dan 1100 o C Konstanta Dielektrik pada Sampel Ba 1-x Sr x TiO xiii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 2.1. Molekul Simetri Tanpa Momen Dipol Domain Ferroelektrik (a) Polarisasi pada Medan Listrik AC dan (b) Polarisasi yang Telah Dibalik Kurva Histerisis Material Ferroelektrik Material Dielektrik pada Pelat Sejajar Struktur Perovskit Struktur Kristal BaTiO 3 (a) T > T C dan (b) T < T C Perubahan Struktur pada BaTiO Perubahan Parameter Kisi terhadap Komposisi Sr Tahapan Sintering Difraksi Sinar X dengan Bidang Atom (A A dan B B ) Diagram Alir Penelitian Grafik Proses Sintering Spektruk XRD Ferroelektrik BST Pola Difraksi Sampel Ba 1-x Sr x TiO 3 dengan Variasi Jumlah Mol Sr pada Suhu Sintering (a) 700 o C, (b) 800 o C, (c) 900 o C, dan (d) 1100 o C Pola Difraksi Sampel Ba 1-x Sr x TiO 3 dengan Variasi Suhu Sintering (a) Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3, (b) Ba 0,7 Sr 0,3 TiO 3 dan (c) Ba 0,5 Sr 0,5 TiO Hasil Refinement pada Suhu Sintering 700 o C (a) Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 dan (b) Ba 0,7 Sr 0,3 TiO Foto SEM Ba 1-x Sr x TiO 3 (a) Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 pada Suhu Sintering 900 o C, (b) Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 pada Suhu Sintering 1100 o C, (c) Ba 0,7 Sr 0,3 TiO 3 pada Suhu Sintering 900 o C, (d) Ba 0,7 Sr 0,3 TiO 3 pada Suhu Sintering 1100 o C, (e) Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 pada Suhu Sintering 900 o C, dan (f) Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 pada Suhu Sintering 1100 o C Grafik Konstanta Dielektrik dan Frekuensi Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 pada Suhu 1100 o C Hubungan Variasi Suhu Sintering dan Konstanta Dielektrik Ba 0,9 Sr 0,1 TiO Hubungan Penambahan Jumlah Mol Sr Terhadap Nilai Konstanta Dielektrik Ba 1-x Sr x TiO 3 pada Suhu 700 o C xiv

15 4.8. Kurva Histerisis Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 pada Suhu Sintering (a) 700 o C, (b) 800 o C, (c) 900 o C, dan 1100 o C Kurva Histerisis Sampel Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 pada Suhu Sintering (a) 700 o C, (b) 800 o C, (c) 900 o C, dan (d) 1100 o C xv

16 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran Halaman 1. Database ICDD nomor pdf#440093, pdf#340411, pdf# Tabel orientasi bidang kristal sampel Ba 1-x Sr x TiO Hasil refinement sampel Ba 1-x Sr x TiO Hasil foto SEM dan ukuran butir sampel Ba 0,7 Sr 0,3 TiO Nilai konstanta dielektrik sampel Ba 1-x Sr x TiO Grafik konstanta dielektrik dan frekuensi sample Ba 1-x Sr x TiO Grafik konstanta dielektrik terhadap variasi suhu sintering Grafik konstanta dielektrik terhadap variasi jumlah mol Sr Kurva histerisis sampel Ba 0,7 Sr 0,3 TiO 3 pada variasi suhu sintering Contoh perhitungan ukuran butir sampel Ba 0,7 Sr 0,3 TiO 3 pada suhu 1100 o C xvi