PENGARUH PENAMBAHAN CdS/P(MAA-EDMA) TERHADAP TETAPAN DIELEKTRIK PADATAN [Pb(Zr 0,37 Ti 0,63 )O 3 ] HASIL SINTESIS DENGAN METODE SOL GEL

Transkripsi

1 0632: M.D. Rahayu dkk. KO-133 PENGARUH PENAMBAHAN CdS/P(MAA-EDMA) TERHADAP TETAPAN DIELEKTRIK PADATAN [Pb(Zr 0,37 Ti 0,63 )O 3 ] HASIL SINTESIS DENGAN METODE SOL GEL Maya Damayanti Rahayu, Eriawan Rismana, Rony Febryarto, Nurhajiyah, dan Putri Handayani Pusat Teknologi Farmasi dan Medika Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Jl. MH. Thamrin 8, Jakarta Pusat Telepon (021) , Faks: (021) damayanti yay@yahoo.com Disajikan Nop 2012 ABSTRAK Keramik timbal zirkonat titanat (PZT) merupakan material piezoelektrik yang mempunyai banyak kegunaan antara lain sebagai sensor dan transduser. Bahan ini banyak diminati karena dapat difabrikasi sesuai dengan kebutuhan. Sifat dielektrik merupakan salah satu indikator yang penting untuk dipelajari sehingga bahan PZT dapat diaplikasikan sesuai dengan syarat yang diperlukan. Pada penelitian ini telah dipelajari pengaruh penambahan CdS/P(MAA-EDMA) terhadap tetapan dielektrik padatan [Pb(Zr 0,37Ti 0,63)O 3]. Bahan CdS/P(MAA-EDMA) disintesis dengan menggunakan metode in situ polimerisasi, penukaran ion dan pengendapan, sedangkan [Pb(Zr 0,37Ti 0,63)O 3] disintesis dengan menggunakan metode sol gel. Bahan PZT-CdS/P(MAA-EDMA) telah dibuat dengan mencampurkan CdS/P(MAA-EDMA) sebanyak 2% b/b pada bahan [Pb(Zr 0,37Ti 0,63)O 3]. Karakterisasi menggunakan XRD diketahui bahwa PZT-CdS/P(MAA-EDMA) telah membentuk kristal perovskite dengan struktur tetragonal, sedangkan analisis menggunakan FTIR dan SEM menunjukkan bahwa campuran telah tercampur secara homogen Pengukuran PZT menggunakan LCR meter menghasilkan konstanta dielektrik sebesar 61,7 sedangkan konstanta dielektrik PZT-CdS/P(MAA-EDMA) sebesar 218,9. Dari data yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa penambahan bahan CdS/P(MAA-EDMA) ke dalam serbuk PZT dapat meningkatkan tetapan dielektrik Kata Kunci: PZT, piezoelektrik, tetapan dielektrik, sol gel I. PENDAHULUAN Material PZT atau lead zirconate titanite diketahui sebagai material terbaik piezo-elektrik, sifat-sifat ini pertama kali diselidiki oleh Jaffe et al., (1960). Material ini memiliki struktur perovskite dengan formula ABO 3. Disini oksigen oktahedral memegang peranan penting. A dalam hal ini diisi oleh kation Pb 2 menempati salah satu sudut dari kubus, sedangkan B dalam hal ini diwakili oleh Zr 4+ dan oksigen mengisi pusat muka dari kubus tersebut. Posisi Ti 4+ dan Zr 4+ dapat dipertukarkan. [1] PZT mempunyai banyak kegunaan antara lain sebagai sensor, mikroaktuator, dan transduser. Pada aplikasinya seringkali diperlukan suatu keramik piezoelekrik yang memiliki karakteristik tertentu agar sesuai dengan kebutuhan pada penggunaan yang spesifik. Untuk memenuhi kebutuhan keramik pada aplikasi khusus tersebut, dapat dilakukan dengan melakukan modifikasi pada kondisi yang berbeda sehingga dihasilkan karakteristik yang berbeda pula. Teknik yang dipakai dalam memodifikasi keramik piezoelektrik adalah dengan subtitusi unsur atau doping. [2] Modifikasi bahan PZT dengan penambahan bahan yang mempunyai tetapan dielektrik yang tinggi untuk meningkatkan tetapan dielekrik PZT sangat baik dilakukan. Hal ini karena Semakin tinggi tetapan dielektrik suatu material maka kemampuan polarisasinya semakin besar sehingga tetapan muatan piezoelektriknya semakin besar pula. Hal ini sesuai dengan rumus: g = d ɛ di mana g adalah konstanta tegangan piezoelektrik, d adalah konstanta muatan piezoelektrik, dan ɛ adalah tetapan dielektrik. Beberapa metode yang dapat digunakan untuk penumbuhan film tipis PZT antara lain adalah Chemical Vapor Deposotion (CVD), Pulse Laser Ablation Deposotion (PLAD), Solution gelation (Sol-gel), Metarol- (4)

2 KO-134 [3, 4] ganic CVD dan Sputtering. Bahan CdS/P(MAA-EDMA) merupakan bahan yang mempunyai tetapan dielektrik yang tinggi. Bahan ini disintesis dengan menggunakan metode in situ polimerisasi, penukaran ion dan pengendapan. Tingginya tetapan dielektrik menyebabkan bahan ini mempunyai kemampuan polarisasi yang besar. Dalam makalah ini akan dibahas pengaruh penambahan CdS/P(MAA-EDMA) terhadap tetapan dielektrik PbZr 1 x Ti x O 3 (PZT), dengan x = 0, 63 yang sintesis dengan metode sol gel. Karakterisasi struktur lapisan tipis PZT-CdS/P(MAA-EDMA) yang dilakukan meliputi struktur kristal dengan X-Ray Diffraction (XRD) dan morfologi permukaan dengan Scanning Electron Microscopy (SEM). Sedangkan pengukuran konstanta dielektrik material menggunakan LCR meter. II. METODOLOGI A. Sintesis Kadmium Sulfida Poli (Asam Metakrilat- Etilen Glikol Asam Dimetakrilat) [CdS/P(MAA-EDMA)] Poli (asam metakrilat- etilen glikol asam dimetakrilat) P(MAA-EDMA) disintesis menggunakan metode in-situ polimerisasi dalam sistem miniemulsi. Miniemulsi dipersiapkan dengan mencampur 4g MAA, 2 g EDMA, 10 ml propanol, 10 ml butanol, 2,2 azo-bis-isobutironitril (AIBN) 1%. Kemudian ke dalam campuran ditambahkan 1,458 g CTABr yang telah dilarutkan ke dalam 54 ml H 2 O. Campuran disonifikasi selama 2 menit. Selanjutnya polimerisasi dilakukan pada suhu C sampai terbentuk serbuk polimer. Padatan yang terbentuk disaring dan dicuci dengan metanol kemudian dikeringkan pada suhu 100 C selama 4 jam. 0632: M.D. Rahayu dkk. B. Sintesis CdS-P(MAA-EDMA) Tahap pertama sintesis adalah penukaran kation Cd 2+ ke dalam P(MAA-EDMA) dilakukan dengan mencampurkan 0,01 M Cd- Asetat kedalam 0,3 g P(MAA-EDMA) dalam larutan metanol. Campuran diaduk selama 24 jam pada suhu ruang. Campuran disaring dan dicuci dengan metanol kemudian dikeringkan pada suhu 100 C selama 4 jam. Zirkonium (IV) propoksida (70%) sebanyak 7,05 ml dicampur dengan titanium (IV) isopropoksida (99%) sebanyak 8,05 ml. Campuran diaduk selama 1 jam pada suhu C dan dialiri gas nitrogen. Penambahan 4,46 ml asam asetat glasial (96%) diaduk selama 2 jam. Tahap selanjutnya penambahan 16,498 gram timbal (II) asetat trihidrat yang telah dilarutkan dalam 30,42 ml metanol. Campuran diaduk selama 4 jam pada suhu 65 C. Sol gel yang terbentuk kemudian ditambahkan 18 ml H 2 O kemudian didiamkan selama 5 menit. Pengeringan dilakukan pada suhu 130 C selama 15 jam. Serbuk yang terbentuk dikalsinasi pada suhu 500 C selama 2 jam dengan pemanasan rata-rata 5 C/menit. Setelah kalsinasi serbuk kemudian dicetak menjadi pellet dan tahap selanjutnya adalah sintering 900 C selama 2 jam dengan rata-rata pemanasan 5 C/menit. C. Sintesis PZT- CdS/P(MAA-EDMA) Sintesis PZT-CdS/P(MAA-EDMA) dilakukan dengan mencampurkan CdS/P(MAA-EDMA) dengan PZT. Serbuk PZT yang telah disintering pada suhu 900 C dicampur dengan 2% b/b serbuk CdS/P(MAA- EDMA). Bahan yang telah dicampur tadi dicetak membentuk pellet. D. Karakterisasi Karakterisasi bahan CdS/P(MAA-EDMA), PZT dan PZT-CdS/P(MAA-EDMA) dilakukan menggunakan FTIR untuk menetukan perubahan senyawa serta interaksinya. Sedangkan untuk morfologi struktur permukaan kristal dianalisis menggunakan SEM. Struktur Kristal yang terbentuk dikarakterisasi menggunakan XRD. Pengukuran dielektrik dilakukan pada ketiga bahan tersebut dengan menggunakan LCR meter. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis kadmium sulfida - poli (asam metakrilatetilen glikol asam dimetakrilat) [CdS/P(MAA-EDMA)] dilakukan dengan menggunakan metode in situ polimerisasi dalam sistem miniemulsi, penukaran ion dan pengendapan. Sistem miniemulsi terdiri dari surfaktan, ko-surfaktan, monomer, fase air, fase minyak dan inisiator. Skema sintesis P(MAA-EDMA) menggunakan sistem miniemulsi ditunjukkan pada GAMBAR 1 Pada penelitian ini surfaktan yang digunakan adalah CTABr sedangkan yang bertindak sebagai ko-surfaktan yaitu 2-propanol. Surfaktan pada sistem miniemulsi berfungsi menstabilkan partikel monomer dalam sistem miniemulsi. Monomer yang digunakan yaitu asam metakrilat (MAA) dan etilen glikol asam dimetakrilat (EDMA). Pemilihan metode in-situ polimerisasi dalam sistem miniemulsi adalah bertujuan untuk mendapatkan partikel polimer dengan ukuran kecil (skala mikrometer) dan ukuran yang seragam. Hasil analisis menggunakan AAS menunjukkan kadar Cd 2+ yang terkandung dalam CdS/P(MAA-EDMA) sebesar 1,34 µg/g. Dari pengukuran menggunakan LCR meter diperoleh konstanta dielektrik CdS/P(MAA-EDMA) sebesar 312,8 diukur pada frekuensi 200 KHz. Sintesis PZT dilakukan dengan metode sol gel menggunakan pelarut asam asetat glasial pada perbandingan komposisi molar antara Zr(nOPr)4 : Ti(nOPr)4 = 37/63 dan membentuk [Pb(Zr 0,37 Ti 0,63 )O 3 ]. Kalsinasi dilakukan pada suhu 500 C dengan rata-rata pemanasan 5 C/menit. Serbuk hasil kalsinasi kemudian dicetak membentuk pellet dan di sintering pada suhu 900 C dengan rata-rata pemanasan 3 C/menit. Hasil pengukuran menggunakan LCR meter diperoleh konstanta

3 0632: M.D. Rahayu dkk. KO-135 GAMBAR 1: Skema sintesis P(MAA-EDMA) menggunakan sistem miniemulsi dielekytrik sebesar 61,7 diukur pada frekuensi 200 KHz Sintesis PZT-CdS/P(MAA-EDMA) dilakukan dengan mencampurkan serbuk PZT setelah disintering 900 C dengan 2% b/b serbuk CdS/P(MAA-EDMA). Campuran kemudian dicetak membentuk pellet. Hasil pengukuran menggunakan LCR meter diperoleh konstanta dielektrik sebesar 218,9 diukur pada frekuensi 200 KHz. Dari data yang diperoleh menunjukkan penambahan CdS/P(MAA -EDMA) ke dalam serbuk PZT mempunyai tetapan dielektrik yang lebih tinggi dari pada PZT murni. Dapat disimpulkan penambahan CdS/P(MAA- EDMA) ke dalam serbuk PZT dapat meningkatkan tetapan dielektrik. Hasil karakterisasi XRD serbuk PZT hasil sintering dan PZT-CdS/P(MAA-EDMA) ditunjukkan pada GAM- BAR 2. Dari grafik yang diperoleh menunjukkan terbentuknya kristal perovskite pada serbuk PZT dan serbuk PZT-CdS/P(MAA-EDMA). Adanya fase yang tidak diketahui dalam jumlah kecil pada 2Θ 29. Fase ini diduga disebabkan distribusi komponen Pb, Zr, Ti yang tidak homogen. [5] Karakteristik morfologi permu-kaan kristal serbuk CdS/P(MAA-EDMA), PZT hasil sintering dan PZT- CdS/P(MA-EDMA) menggunakan SEM ditunjukkan pada GAMBAR 4 Dari analisis SEM terlihat bahwa P(MAA-EDMA) sebagai matriks dari CdS mempunyai bentuk homogen yakni berbentuk bola dan berukuran dibawah 1µm. Sedangkan gambar SEM bahan PZT setelah sintering menunjukkan bahan berbentuk bola dengan ukuran partikel juga di bawah 1µm. Hasil analisis SEM bahan PZT- CdS/P(MAA-EDMA) menunjukkan perpaduan karakter dari bahan CdS/P(MAA-EDMA) dan PZT yang berarti menunjukkan bahan sudah tercampur secara merata. Hasil analisis FTIR pada sampel CdS/P(MAA- EDMA), PZT dan PZT-CdS/P(MAA-EDMA) ditunjukkan pada GAMBAR 5 GAMBAR 7. Pada GAMBAR 5 menunjukkan spektrum FTIR CdS/P(MAA-EDMA) menunjukkan adanya puncak pada cm 1 yang merupakan gugus O-H karboksilat pada polimer. Dua puncak pada 2920 dan 2850 cm 1 merupakan CH 2 asimetris dan CH 2 simetris dari akrilat. Sedangkan puncak pada 1717 cm 1 adalah menunjukkan gugus C=O dan puncak pada 1559 cm 1 menunjukkan gugus C-O. Sedangkan puncak lemah pada 1350 cm 1 menunjukkan interaksi antara CdS dengan polimer. Lemahnya intensitas puncak pada 1350 cm 1 diduga menunjukkan sedikitnya CdS yang terikat pada polimer sedikit dan hal ini didukung oleh hasil analisis jumlah kadmium secara AAS. Pada GAMBAR 6 Spektrum FTIR bahan PZT menunjukkan adanya puncak tajam pada 618 cm 1 puncak tersebut menunjukkan vibrasi oktahedral BO 6 pada fase perovskite PZT. [6] Sedangkan puncak puncak di sekitar cm 1 diduga diakibatkan oleh adanya pengotor yang belum dapat diketahui asalnya. Spektrum FTIR bahan PZT-CdS/P(MAA-EDMA) menunjukkan adanya gabungan puncak puncak gabungan dari gugus gugus fungsional yang teramati pada spektrum FTIR bahan CdS/P(MAA-EDMA) dan serbuk PZT. Dan hasil karakterisasi FTIR ini menunjukkan bahwa serbuk tersebut sudah tercampur secara homogen. IV. KESIMPULAN Bahan PZT-CdS/P(MAA-EDMA) telah berhasil disintesis dengan mencampurkan PZT dan bahan CdS/P(MAA-EDMA) sebanyak 2% b/b. Bahan PZT pada PZT-CdS/P(MAA-EDMA) disintesis menggunakan metode sol gel dengan menggunakan pelarut organik, sedangkan CdS-(PMAA-EDMA) disintesis menggunakan metode in-situ polimerisasi, penukaran ion dan pengendapan. Hasil karakterisasi secara XRD pada PZT dan PZT-CdS/P(MAA-EDMA) menunjukkan sudah terbentuk jenis kristal perovskite. Hasil karakterisasi FTIR bahan PZT-CdS/P(MAA-EDMA)

4 KO : M.D. Rahayu dkk. GAMBAR 2: Difraktogram XRD [Pb(Zr 0,37Ti 0,63)O 3] GAMBAR 3: Difraktogram XRD PZTCdS/P(MAA-EDMA) (a) (b) (c) GAMBAR 4: Hasil karakterisasi serbuk (a) CdS/P(MAA-EDMA), (b) PZT hasil sintering, dan (c) PZT-CdS/P(MAA-EDMA) menggunakan SEM menunjukkan perpaduan puncak puncak gugus fungsional bahan CdS/P(MAA-EDMA) dan PZT sebagai penyusunnya yang menunjukkan bahwa bahan sudah tercampur secara homogen. Pengukuran PZT menggunakan LCR meter menghasilkan konstanta dielektrik sebesar 61,7 sedangkan konstanta dielektrik PZT-CdS/P(MAA-EDMA) sebesar 218,9. Dari data yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa penambahan

5 0632: M.D. Rahayu dkk. KO-137 GAMBAR 5: Spektrum FTIR serbuk CdS/P(MAA-EDMA) GAMBAR 6: Spektrum FTIR bahan PZT bahan CdS/P(MAA-EDMA) ke dalam serbuk PZT dapat meningkatkan tetapan dielektrik. DAFTAR PUSTAKA [1] M. Sayer and V. Chivucula, 1996, Handbook of Thin Film Process Technology [2] Y. Xu, 1991, Ferroelectric Material and Their Applications, North-Holland, Netherlands. [3] O. Auciello, J.F. Scott and R Ramesh, 1998, The Physics of Ferroelectric Memories, Physics Today, July [4] Takashi Yamamoto, 1996, Ferroelectric Properties of the PbZrO 3 - PbTiO 3 System, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35, pp [5] Bursill. L. A., I. M. Reaney, D. P. Vijay, and S.B. Des, 1994, Comparison of Lead Zirconate Titanate Thin Films on Ruthenium Oxide and Platinum Electrodes, Journal of Applied Physics 75 : [6] Anupama, 2010, Synthesis and Characterization of PZT-Based Ceramics and Films, Thesis University

6 KO : M.D. Rahayu dkk. GAMBAR 7: Spektrum FTIR serbuk PZT-CdS/P(MAA-EDMA) of Delhi [7] Azizahwati, 2002, Study Morfologi Permukaan Film Tipis PbZr 0,525 Ti 0,475 O 3 yang Ditumbukkan dengan Metode DC Unbalanced Magnetron Sputtering, Jurnal Natur Indonesia 5(1): [8] Chontira Sangsubun, Manoch Naktasa, Anucha Watcharapasom, Tawee Tunkasin, Sukanda Jiansirisomboon, 2005, Preparation of PZT Nanopowders via Sol-Gel Processing, Journal Special Isuue on Nanotechnology Vol 4 (1). [9] Hadi Nur, Eriawan Rismana, Salasiah Endud, 2010, Dielectric Enhancement In Cadmium Sulfide-Poly (Methacrylic Acid-Ethylene Glycol Dimethacrylic Acid) Nanocomposite Through Interfacial Interaction, Journal Composite of Material 45 (19) [10] Ioanna G. Mina, 2007, High Frequency Transducers from PZT Films, The Pennsylvania State University [11] Ngurah Ayu K U, Irzaman, Maman B, dan M Barmawi, 2001, Efek Annealing Pada Penumbuhan Film Tipis Ferroelektrk PbZr 0,625 Ti 0,375 O 3 (PZT), Konstribusi Fisika Indonesia, Vol 12, No 4 [12] O. Auciello, J.F. Scott and R Ramesh, 1998, The Physics of Ferroelectric Memories, Physics Today, July [13] Perdamean, S, Tomi, B W, Muljadi, Kreshna A, 2005, Optimasi Proses Sinter Dari Keramik Timbal Zirkonat Titanat (PZT) dan Kajian Sifat Fisisnya, Teknologi Indonesia 28: 1-8 [14] Putri N.A, 2012, Pembuatan dan Karakterisasi Keramik PbZr 0,53 Ti 0,47 O 3 (PZT) untuk Material Sensor Akustik Bawah Air, Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi bandung [15] Sayer, M, & Chivukulas, V, Hand Book of Thin Film Process Technology. IOP Publishing Ltd