LEMBAR PERSETUJUAN. KARAKTERISASI SIFAT OPTIK DAN KELISTRIKAN PADA KACA TeO 2 -ZnO-Na 2 O YANG SEBAGIANNYA BERFASE KRISTAL TESIS

Transkripsi

1 LEMBAR PERSETUJUAN KARAKTERISASI SIFAT OPTIK DAN KELISTRIKAN PADA KACA TeO 2 -ZnO-Na 2 O YANG SEBAGIANNYA BERFASE KRISTAL TESIS Disusun Oleh BANGUN SARTONO NIM. S Dewan Pembimbing Jabatan Nama Tanda Tangan Tanggal Pembimbing I Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D NIP Pembimbing II Prof. Drs. Cari, M.A. M.Sc, Ph.D NIP Telah dinyatakan memenuhi syarat pada tanggal Disahkan Oleh, Ketua Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana UNS Prof. Drs. Cari, M.A. M.Sc, Ph.D NIP commit to user 1002 ii

2 LEMBAR PENGESAHAN KARAKTERISASI SIFAT OPTIK DAN KELISTRIKAN PADA KACA TeO 2 -ZnO-Na 2 O YANG SEBAGIANNYA BERFASE KRISTAL TESIS Disusun Oleh BANGUN SARTONO NIM. S Tim Penguji Jabatan Nama Tanda Tangan Tanggal Ketua Sekretaris Anggota Penguji Prof. Dra. Suparmi, M.A, Ph.D NIP Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc(Hons).,Ph.D NIP Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D NIP Prof. Drs. Cari, M.A, M.Sc, Ph.D NIP Telah dipertahankan di depan tim penguji dan dinyatakan memenuhi syarat pada tanggal Mengetahui, Direktur Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Ketua Program Studi Ilmu Fisika Prof. Dr.Ir. Ahmad Yunus, M.S NIP Prof. Drs. Cari, M.A, M.Sc, Ph.D NIP iii

3 PERNYATAAN ORISINILITAS DAN PUBLIKASI TESIS Saya menyatakan dengan sebenarnya bahwa; 1. Tesis yang berjudul Karakterisasi Sifat Optik Dan Kelistrikan Pada Kaca TeO 2 - ZnO- Na 2 O Yang Sebagiannya Berfase Kristal ini adalah karya penelitian saya sendiri dengan bebas plagiat, serta tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain kecuali secara tertulis digunakan sebagai acuan dalam naskah ini dan disebut dalam sumber acuan dan daftar pustaka. Apabila kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan ketentuan perundang-undangan (Permendiknas No.17 tahun 2010). 2. Publikasi sebagian atau keseluruahan isi tesis pada jurnal atau forum ilmiah lain harus seijin dan menyertakan tim pembimbing sebagai author dengan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila dalam waktu sekurang-kurangnya satu semester (enam bulan sejak pengesahan tesis) saya tidak melakukan publikasi dari sebagian atau keseluruhan tesis ini, maka PPs UNS berhak mempublikasikan pada jurnal ilmiah yang diterbitkan PPs UNS. Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku. Surakarta, 2 Januari 2015 Yang Membuat Pernyataan Bangun Sartono NIM. S iv

4 ABSTRAK Bangun Sartono. S Karakterisasi Sifat Optik Dan Kelistrikan Pada Kaca TeO 2 ZnO - Na 2 O Yang Sebagiannya Berfase Kristal. Tesis: Program Studi Ilmu Fisika Program Pasca Sarjana. Universitas Sebelas Maret, Pembimbing: 1) Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D, 2) Prof. Drs. Cari, M.A, M.Sc, Ph.D. Penelitian ini bertujuan untuk memfabrikasi serta mengetahui karakterisasi sifat optik dan sifat kelistrikan dari kaca Tellurite Zinc Natrium (TZN). Komposisi kaca yang digunakan adalah 60 TeO 2 - (30-x) ZnO - (10+x) Na 2 O dengan variasi Na 2 O (x=0,1,2,3). Fabrikasi kaca dilakukan dengan metode melt quanching. Karakterisasi sifat optic kaca meliputi pengukuran indek bias yang diukur dengan metode sudut Brewster, pengukuran massa jenis menggunakan piknometer dengan metode hukum Archimedes, absorbansi pada daerah UV-Vis diuji dengan Spektrofotometer Perkin- Elmer UV-Vis Lambda-25, absorbansi pada daerah IR diuji dengan Spektrofotometer FT-IR Shimadzu. Karakterisasi sifat listrik diuji menggunakan I-V meter El-Kahfi. Kaca kemudian dikristalkan selama 3 menit menggunakan furnace. Kaca yang sebagiannya berfase kristal itu di uji optik yang meliputi indeks bias, massa jenis, absorbansi pada daerah UV-Vis dan IR, serta di uji kelistrikan. Dapat disimpulkan bahwa penambahan Na 2 O pada kaca menyebabkan penurunan nilai indeks bias, penurunan nilai massa jenis kaca, penurunan nilai absorbansi pada daerah cahaya tampak dan inframerah, kenaikan nilai energi band gap optis dan kenaikan daya hantar listrik.. Kaca TZN yang sebagian telah berfase kristal mengalami perubahan sifat dari sebelum dikristalkan, yaitu: penurunan indeks bias, penurunan densitas, kenaikan absorbansi pada daerah inframerah, kenaikan nilai energi band gap optis, serta meningkatnya daya hantar listrik. Kata kunci: kaca, tellurite, sifat optik, sifat listrik, kristal sebagian. v

5 ABSTRACT Bangun Sartono. S Optical and Elektrical Properties of Partially Crystallized TeO 2 -ZnO-Na 2 O Glasses. Theses: Physics Program, Postgraduate Program, Sebelas Maret University, Advisor: 1) Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D, 2) Prof. Drs. Cari, M.A, M.Sc, Ph.D. The tellurite zinc natrium (TZN) glass with molar composition 60TeO 2 -(30-x) ZnO- (10+x)Na 2 O (x=0,1,2,3) have been fabricated, optical properties and electricity were investigated. The TZN glass were prepared by melt quanching method. Optical properties were carried out include refractive index was measured by using the Brewster angle apparatus, density measured by using picnometer, absorbance in the UV-Vis region was recorded by Perkin-Elmer UV-Vis Lambda-25 Spectrophotometer and IR region was recorded by FT-IR Shimadzu Spectrophotometer. Electricity properties was measured using I-V meter El-Kahfi-100. Then, the glass was partially crystallized using furnace. Optical properties such as refractive index, density, absorbance in the UV-Vis and IR region of the partially crystalled glass was characterized again. The addition of Na 2 O influence decreasing refractive index, decreasing density, decreasing absorbance in the visible and IR region, decreasing optical band gap energy and also increasing conductivity of the glass. The partially crystalled TZN glass get properties changed: decreasing refractive index, decreasing density, increasing absorbance in the visible and IR region, increasing optical band gap energy and increasing conductivity of the glass. Key Word: Glasses, tellurite, optical properties, electricity properties, partially crystalled. vi

6 MOTTO : Maka nikmat Tuhanmu yang manakah yang kamu dustakan (QS 55:13) vii

7 TERUNTUK : BAPAK, EMAK, YANGKUNG, DAN YANGTI, ISTRIKU FITRI PUJI RAHMAWATI, ANAK-ANAKKU FATIH DAN ZIDNI. viii

8 KATA PENGANTAR Alkhamdulillah, puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-nya sehingga tesis yang berjudul Karakterisasi Sifat Optik Dan Kelistrikan Pada Kaca TeO 2 -ZnO-Na 2 O Yang Sebagiannya Berfase Kristal ini dapat diselesaikan. Penulis mendapat bantuan, bimbingan, dan dorongan dari berbagai pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu persatu, dalam menyelesaikan tesis ini. Karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu menyelesaikan tesis ini, yaitu : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Ahmad Yunus, M.S, selaku Direktur Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah berkenan memberikan bantuan berupa segala sarana dan fasilitas dalam menempuh pendidikan program pascasarjana. 2. Bapak Prof. Drs. Cari, M.A, M.Sc, Ph.D, selaku Ketua Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret sekaligus sebagai Pembimbing II, yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis selama menempuh pendidikan di program pascasarjana. 3. Bapak Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D, selaku Pembimbing I, yang telah memberikan bimbingan dan arahan serta motivasi yang sangat beharga kepada penulis selama penelitian dan penulisan tesis ini. 4. Ibu Prof. Dra. Suparmi, M.A., P.hD, Ketua Tim Penguji, dan Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramaelan, M.Sc (Hons), Ph.D, Sekretaris Tim Penguji yang telah memberikan banyak masukkan dalam perbaikan tesis ini. ix

9 5. Segenap Dosen Program Studi Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret yang telah memberikan masukkan, bimbingan dan arahan dalam pelaksanaan penelitian. 6. Orang tua, istriku, anak-anakku, dan saudaraku yang telah memberikan motivasi dan doa yang tiada hentinya dalam menempuh pendidikan di program pascasarjana. 7. Teman-teman Magister Ilmu Fisika angkatan Februari 2009, Agus Cahyana Budi Santosa dan adik-adik mahasiswa S-1 Fisika FMIPA UNS, terutama Kusnanto, dll yang banyak memberikan masukan dan bantuan pada setiap kesempatan. 8. Serta semua pihak yang turut membantu yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa dalam tesis ini masih terdapat kekurangan. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi tercapainya kesempurnaan. Semoga tesis ini bermanfaat bagi kita semua. Amin. Surakarta, 2 Januari 2015 Penulis x

10 DAFTAR ISI LEMBAR PERSETUJUAN... LEMBAR PENGESAHAN... LEMBAR PERNYATAAN... ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... LEMBAR MOTTO... LEMBAR PERSEMBAHAN... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... i ii iii v vi vii viii ix X Xi Xiii BAB I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang... 1 B. Perumusan Masalah... 4 C. Tujuan Penelitian... 5 D. Batasan Masalah... 5 E. Manfaat Penelitian... 6 BAB II. KAJIAN TEORI A. Pengertian Kaca... 7 B. Kaca Tellurium Oksida... 9 C. Daerah Pembentukan Kaca D. Sifat Optik Kaca xi

11 E. Sifat Thermal Kaca. 29 F. Sifat Kelistrikan BAB III. METODOLOGI PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian B. Alat dan Bahan Penelitian Alat Penelitian Bahan Penelitian C. Prosedur Penelitian dan Pengambilan Data Penyiapan Alat dan Bahan Pembuatan Sampel Annealing Polishing Karakterisasi Optik Karakterisasi Thermal Karakterisasi Kelistrikan Analisis Data BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Fabrikasi Kaca Tellurite B. Sifat Termal C. Karakterisasi Sifat Optis Kaca Tellurite Indek Bias Densitas,,, xii

12 3. Absorbansi a. Absorbansi pada Daerah UV-Vis b. Absorbansi pada Daerah IR Energi Band Gap D. Sifat Kelistrikan BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar 2.2 Ilustrasi skema dua dimensi susunan atom dalam (a) kristal dan (b) kaca dari SiO Grafik jumlah publikasi mengenai kaca tellurite dari tahun 1952 hingga pertengahan Gambar 2.3 Diagram Glass Forming Area kacateo 2 -Bi 2 O 3 -ZnO Gambar 2.4 Diagram Glass Forming Area kacateo 2 -Bi 2 O 3 -Ta 2 O Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 (a) Seberkas cahaya mengenai suatu bahan dimana sinar pantul dan sinar bias mengalami polarisasi sebagian (partially polarized). (b) Sinar pantul mengalami polarisasi sempurna (completely polarized) dengan sudut datang merupakan sudut polarisasi ( P ) Pemantulan TE, medan listrik tegak lurus dengan bidang datang Pemantulan TM, medan magnetik tegak lurus dengan bidang datang Grafik reflektansi versus sudut datang dengan indek bias relatif n=1, Gambar 2.9 Dispersi Indek bias kaca TeO 2 -Bi 2 O 3 -ZnO Gambar 2.10 Grafik absorbsi optik-energi photon. (a) direct photon transition,(b) indirect photon transition Gambar 2.11 Lintasan wavevector pada (a) direct photon transition,(b) indirect photon transition Gambar 2.12 Grafik penentuan energi gap optik pada kaca tellurite secara (a) direct transition dan (b) indirect transition Gambar 3.1 Bagan alur penelitian Gambar 3.2 Cara mengukur reflektansi dan indek bias sampel kaca.. 35 Gambar 3.3 Grafik reflektansi versus sudut datang pada pengukuran reflektansi menggunakan metode sudut brewster Gambar 4.1 Pengukuran Reflektansi Mode TE dan TM pada (a) K0, (b) K1, (c) K2, dan (d) K xiv

14 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Penentuan Sudut Brewster dari Reflektansi Mode TE dan TM skala 1 0 pada (a) K0, (b) K1, (c) K2, dan (d) K Penentuan Sudut Brewster dari Reflektansi Mode TE dan TM skala 1/6 0 pada (a) K0, (b) K1, (c) K2, dan (d) K Kurva absorbansi di daerah UV-Vis pada kaca TZN Kurva absorbansi di daerah UV-Vis pada kaca TZN setelah dikristalkan sebagian Gambar 4.6 Absorbansi kaca pada daerah Visible sebelum dan setelah dikristalkan untuk komposisi kaca (a) K0, (b) K1, (c) K2, dan (d) K Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 4.10 Gambar 4.11 Kurva absorbansi di daerah inframerah pada kaca TZN Kurva absorbansi di daerah inframerah pada kaca TZN setelah dikristalkan sebagian Absorbansi kaca pada daerah IR sebelum dan setelah dikristalkan untuk komposisi kaca (a) K0, (b) K1, (c) K2, dan (d) K Puncak-puncak serapan yang muncul pada daerah IR (sebelum kaca dikristalkan sebagian).. 64 Puncak-puncak serapan yang muncul pada daerah IR (setelah kaca dikristalkan sebagian) xv

15 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perbandingan nilai beberapa sifat yang ditemukan pada kaca tellurite, silika dan flouride Tabel 2.2 Penelitian kaca tellurite selama sepuluh tahun terakhir Tabel 3.1 Massa bahan kaca berdasarkan komposisi Tabel 4.1 Komposisi kaca Tellurite Tabel 4.2 Nilai indek bias kaca TZN Tabel 4.3 Puncak serapan yang muncul pada daerah IR Tabe 4.4 Energi Gap Sampel Kaca TZN Tabel 4.5 Hubungan antara enegi gap dengan konduktivitas xvi

16 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A. Data dan Grafik Hasil pengukuran Indeks Bias Kaca Lampiran B. Data Hasil pengukuran Massa Jenis Sampel Lampiran C. Data dan Grafik Hasil pengukuran UV Vis Lampiran D. Data dan Grafik Hasil pengukuran FT IR Lampiran E. Grafik Pengukuran Energi Band Gap Optis Lampiran F. Data dan Grafik Hasil pengukuran Kelistrikan Lampiran G. Glass Form Area xvii