PENGARUH KOMPOSISI DAN SUHU SINTERING TERHADAP KARAKTERISASI BARIUM STRONSIUM TITANAT

Transkripsi

1 PENGARUH KOMPOSISI DAN SUHU SINTERING TERHADAP KARAKTERISASI BARIUM STRONSIUM TITANAT (Ba x Sr 1-x TiO 3 ) YANG DIBUAT DENGAN METODE SOLID STATE REACTION Disusun oleh : RETNO MAHARSI M SKRIPSI JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Juni, 2014 i

2 PENGARUH KOMPOSISI DAN SUHU SINTERING TERHADAP KARAKTERISASI BARIUM STRONSIUM TITANAT (Ba x Sr 1-x TiO 3 ) YANG DIBUAT DENGAN METODE SOLID STATE REACTION Disusun oleh : RETNO MAHARSI M SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Juni, 2014

3 ii

4 PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang SINTERING TERHADAP KARAKTERISASI BARIUM STRONSIUM TITANAT (Ba x Sr 1-x TiO 3 ) YANG DIBUAT DENGAN METODE SOLID STATE REACTION saya. Sepengetahuan saya hingga saat ini isi Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan, kecuali yang secara tertulis diacu dalam Skripsi ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terima kasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau dicopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis. Surakarta, 20 Juni 2014 Retno maharsi iii

5 MOTTO Maka nikmat Tuhan mu yang manakah yang engkau dustakan? (Q.S. Ar-Rahman) Guide your curiosity and find a way to get know, you will be the smart one, then. (Quote by me) iv

6 PERSEMBAHAN Dengan rahmat Allah SWT, karya ini kupersembahkan kepada: 1. Bapak dan Ibu, orang tua tercinta 2. Kakak-kakak dan keluarga besar yang selalu memberikan dukungan 3. Dosen Pembimbing 4. Keluarga INERSIA Para pembaca sekalian v

7 Pengaruh Komposisi dan Suhu Sintering terhadap Karakterisasi Barium Stronsium Titanat (Ba x Sr 1-x TiO 3 ) yang Dibuat dengan Metode Solid State Reaction RETNO MAHARSI Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Barium stronsium titanat (Ba x Sr 1-x TiO 3 ) telah dibuat dengan metode solid state reaction. Variasi komposisi yang dilakukan adalah x=0,5; 0,7; dan 0,9. Sampel di-sintering pada variasi suhu 800 C dan 900 C selama 4 jam, serta 1000 C selama 1 jam. Uji karakteristik kekristalan dilakukan dengan instrumen X-Ray Diffractometer (XRD). Perubahan komposisi menyebabkan pergeseran sudut difraksi, dengan semakin besarnya nilai x, sudut difraksi semakin kecil. Morfologi Ba x Sr 1-x TiO 3 yang di-sintering pada suhu 900 C diuji dengan instrumen Scanning Electron Microscopy (SEM). Semakin banyak komposisi Ba menyebabkan ukuran butir kristal semakin kecil. Pengujian konstanta dielektrik dilakukan dengan RLC meter pada frekuensi 1 KHZ. Konstanta dielektrik tertinggi diperoleh pada Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 yang di-sintering pada suhu 900 C, yaitu sebesar 468. Pengujian dengan Sawyer Tower menunjukkan bahwa Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 dan Ba 0,7 Sr 0,3 TiO 3 bersifat paraelektrik sedangkan Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 bersifat feroelektik. Kata kunci: Ba x Sr 1-x TiO 3, solid state reaction, XRD, konstanta dielektrik, feroelektrik vi

8 The Influence of Composition and Sintering Temperature on Properties of Barium Strontium Titanate (Ba x Sr 1-x TiO 3 ) Prepared By Solid State Reaction Method RETNO MAHARSI Physics Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University ABSTRACT Barium strontium titanate (Ba x Sr 1-x TiO 3 ) materials were prepared by solid state reaction method. The samples were made with a varied composition of at x=0,5; 0,7; and 0,9. The sintering temperature was held at 800 C and 900 C for 4 hours also at 1000 C for 1 hour. Crystalline characterization of samples was performed by X-Ray Diffractometer (XRD) instrument. The diffraction angle becomes smaller as the increase of x. The morfology of Ba x Sr 1-x TiO 3 sintered at 900 C was characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM) instrument. The SEM images show that the grain size becomes smaller as the x increases. Dielectric constant was obtained by RLC meter characterization at frequency of 1 KHz. The highest value of dielectric constant is 468 on Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 with sintering temperature at 900 C. The hysterisis characterization was obtained by Sawyer Tower method. The resulted curves show that Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 and Ba 0,7 Sr 0,3 TiO 3 are paraelectric, while Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 is ferroelectric. Keywords: Ba x Sr 1-x TiO 3, solid state reaction, XRD, dielectric constant, ferroelectric vii

9 KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Allah SWT, yang telah melimpahkan segala nikmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul PENGARUH KOMPOSISI DAN SUHU SINTERING TERHADAP KARAKTERISASI BARIUM STRONSIUM TITANAT (Ba x Sr 1-x TiO 3 ) YANG DIBUAT DENGAN METODE SOLID STATE REACTION Penyelesaian skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada : 1. Ibu Dr. Yofentina Iriani, M.Si., selaku Pembimbing I, yang telah memberikan topik skripsi, membimbing, mendampingi, memotivasi, serta memberikan saran dan koreksi dalam pengerjaan penelitian dan penyusunan laporan skripsi. 2. Bapak Anif Jamaluddin, M.Si., selaku Pembimbing II, yang telah memberikan motivasi, bimbingan dan saran dalam pengerjaan penelitian dan penyusunan laporan skripsi. 3. Bapak Dr.Eng Risa Suryana, M.Si. dan Bapak Drs Darmanto, M.Si. selaku Dewan Penguji. 4. Kepala Jurusan Fisika FMIPA UNS, Bapak Ahmad Marzuki, S.Si., P.hd. 5. Bapak Artono, M.Si. dan Bapak Budi Legowo, M.Si. selaku pembimbing akademik. 6. Para Dosen dan Staff Jurusan Fisika FMIPA UNS 7. Rekan-rekan dan mantan rekan grup Feroelektrik, Mbak Meisya, Qudratun, Uki, Dianisa, Mbak Novi, Mbak Riana, Mbak Tira, Mas Nuril, Mbak Erma, Mbak Dwi, Mbak Herlin, dan Mbak Soka. 8. Rekan-rekan grup Material. 9. INERSIA 2010, Tim Sukses Ujian Skripsi, dan Amrina Mustaqim. Terima kasih atas segala bantuan, saran, kesan, dan hiburannya. 10. Teman-teman Fisika FMIPA. viii

10 11. Mas Arifin dan Pak Darmanto dari Fakultas Teknik yang telah membantu proses penelitian. 12. Mas Fengky, Hendro, Edi, dan Ika Dedy yang telah membantu dalam proses pengujian. 12. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu-persatu yang membantu penulis sehingga laporan skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik. Penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan dalam isi maupun penyajian materi dalam laporan ini. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun. Semoga laporan penelitian ini dapat memberikan manfaat bagi para pembaca. Amiin Surakarta, 20 Juni 2014 Penulis ix

11 PUBLIKASI Sebagian Sintering terhadap Karakterisasi Ba x Sr 1-x TiO 3 yang Dibuat dengan Metode Solid State Reaction Digital Library Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret. x

12 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN... ii PERNYATAAN... iii MOTTO... iv PERSEMBAHAN... v ABSTRAK... vi ABSTRACT... vii KATA PENGANTAR... viii HALAMAN PUBLIKASI... x DAFTAR ISI... xi DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR SIMBOL... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xv BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Batasan Masalah Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Struktur Perovskite Feroelektrik Konstanta Dielektrik Barium Stronsium Titanat Sintering X-Ray Diffraction (XRD) Scanning Electron Microscopy (SEM) Sawyer Tower Rangkaian RLC Metode Rietveld dengan GSAS BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Alat Alat Penelitian Bahan-Bahan Penelitian Metode Penelitian xi

13 Persiapan Alat dan Bahan Penimbangan Massa Serbuk Pencampuran Serbuk dengan Metode Solid State Reaction Pengepresan Serbuk Ba x Sr 1-x TiO Sintering Bulk Ba x Sr 1-x TiO Karakterisasi Bulk Ba x Sr 1-x TiO Analisa Data Hasil Penelitian BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Struktur Kristal Morfologi Ba x Sr 1-x TiO Konstanta Dielektrik Ba x Sr 1-x TiO Karakterisasi Histerisis Ba x Sr 1-x TiO BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Struktur perovskite ABO Gambar 2.2. Kurva histerisis material feroelektrik... 7 Gambar 2.3. Nilai konstanta dielektrik pada transisi feroelektrik barium titanat Gambar 2.4. Grafik perubahan parameter kisi terhadap komposisi Gambar 2.5. Nilai konstanta dielektrik film BST sebagai fungsi komposisi Ba x Sr 1-x TiO Gambar 2.6. Perubahan struktur mikroskopik bulk selama proses sintering 16 Gambar 2.7. Difraksi berkas sinar-x pada bidang atom A Gambar 2.8. Skema rangkaian Sawyer Tower Gambar 2.9. Rangkaian RLC meter Gambar 3.1. Neraca timbang digital Gambar 3.2. Lumpang dan mortar alumina Gambar 3.3. Mesin press hidrolik dan cetakan Gambar 3.4. Furnace Gambar 3.5. Bahan-bahan pembuat BST Gambar 3.6 Diagram alir penelitian Gambar 3.7. Sampel bulk BST setelah dipres Gambar 3.8. Sampel BST yang telah ditempeli elektroda Gambar 3.9. Osiloskop dan Function Generator Gambar Karakterisasi kapasitansi dengan instrumen RLC meter digital (LCR-800 Series GWInstek) Gambar 4.1. Pola difraksi Ba x Sr 1-x TiO 3 dengan variasi nilai x = 0,5; 0,7; Gambar 4.2. dan 0,9 pada suhu sintering 800 C, 900 C, dan 1000 C Hasil refinement Ba 0,9 Sr 0,1 TiO 3 yang di-sintering pada suhu 900 C Gambar 4.3 Foto SEM Ba x Sr 1-x TiO 3 yang di-sintering pada suhu 900 C 41 Gambar 4.4. Grafik konstanta dielektrik (K) vs Frekuensi (dalam KHz) Gambar 4.5. Konstanta dielektrik vs suhu sintering Ba x Sr 1-x TiO Gambar 4.6. Respon polarisasi terhadap perubahan medan listrik xiii

15 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Sifat feroelektrik bulk ceramic dan thin film BT Tabel 2.2. Perbandingan sifat feroelektrik BT dengan berbagai metode preparasi Tabel 4.1. Hasil proses refinement Ba x Sr 1-x TiO Tabel 4.2. Orientasi bidang kristal dan sudut difraksi Ba x Sr 1-x TiO 3 dengan suhu sintering 900 C Tabel 4.3. Intensitas puncak pada bidang (101) pola difraksi Ba x Sr 1-x TiO 3 37 Tabel 4.4. Tingkat kekristalan BST (dalam %) Tabel 4.5. Parameter kisi (dalam Å) Ba x Sr 1-x TiO 3 hasil proses refinement 38 Tabel 4.6. Parameter kisi (dalam Å) Ba x Sr 1-x TiO 3 hasil proses perhitungan 39 Tabel 4.7. Tetragonality Ba 0,9 Sr 0, 9TiO Tabel 4.8. Ukuran kristal (D) dalam nm dan lattice strain ( ) dalam % Ba x Sr 1-x TiO xiv

16 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan P Polarisasi Coulomb.m -2 P s Polarisasi spontan Coulomb.m -2 P r Polarisasi remanen Coulomb.m -2 E c Medan koersif Volt.m -1 Momen dipol listrik xv Coulomb.m q Muatan listrik Coulomb Jarak antar pusat muatan T c Suhu Curie C K Konstanta dielektrik - C Kapasitansi Farad Permitivitas ruang hampa 8,85 x Farad.m -1 A Luas permukaan keping m 2 konduktor d Jarak antar bidang kristal Å d m Jarak antar keping konduktor/ m tebal bahan dielektrik S y least-squares - y i intensitas difraksi pada titik-i Count w i kebalikan intensitas difraksi Count -1 y ci pada titik-i intensitas difraksi pada titik-i Count hasil kalkulasi GSAS a, b, c Parameter kisi Å h, k, l Indeks Miller - n Bilangan bulat (1, 2, 3,...) - Panjang gelombang sinar-x Sudut difraksi FMHM Å radian

17 k Konstanta Scherrer - D Ukuran kristal nm D Faktor dissipasi - Lattice strain % Chi square - R wp R-weigted pattern % xvi

18 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Database ICDD Lampiran 2. Pola difraksi bahan precursor Lampiran 3. Hasil refinement dengan software GSAS Lampiran 4. Sudut difraksi Ba x Sr 1-x TiO Lampiran 5. vs Lampiran 6. Data pengukuran konstanta dielektrik xvii