1 BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Perkembangan teknologi di berbagai bidang sangat pesat terutama dalam bidang mikroelektronika atau miniaturisasi peralatan elektronik. Mikroelektronika didorong oleh hasrat yang terus berkembang terhadap suatu peralatan atau devais dengan ukuran yang minimal dan performa yang maksimal. Dalam devais yang berkaitan dengan kapasitas memori berdasarkan komponen kapasitif, maka tetapan dielektrik statis ε dari material lah yang pada akhirnya menentukan derajat miniaturisasi (Homes et al., 2001). Fakta ini kemudian berkembang menjadi banyaknya penelitian yang bertujuan untuk mencari material-material baru yang memiliki tetapan dielektrik yang besar atau sering disebut high-k dielectric, yaitu material yang memiliki tetapan dielektrik lebih besar dari 1000 (Sun, 2006). Sebagian besar senyawa-senyawa high-k yang ditemukan termasuk ke dalam golongan feroelektrik, yang memperlihatkan polarisasi spontan walaupun tidak ada medan listrik luar yang terpasang atau relaxor feroelektrik yang memiliki respon karakterisasi feroelektrik jika berada di bawah pengaruh medan listrik tinggi dan suhu yang rendah, tetapi tidak ada polarisasi spontan di dalamnya (Homes et al., 2001). Barium titanat (BaTiO 3 ) adalah jenis perovskite feroelektrik pertama yang ditemukan. Laporan awal mengenai BaTiO 3 (BTO) didasarkan pada kajian pendopingan oksida TiO 2 dengan BaO, yang menghasilkan material keramik yang dapat meningkatkan permitivitas dielektrik masing-masing penyusunnya. Campuran oksida tersebut dibuat oleh Thurnaurer dan Deaderick di American Lava Co. USA pada tahun 1941. Sifat feroelektriknya terkait oleh tiga rangkaian transisi fase. Transisi fase yang paling banyak diteliti lebih lanjut adalah transisi dari struktur feroelektrik tetragonal ke paraelektrik kubik yang terjadi pada suhu Curie T c ~130 o C. Karena pada transisi tersebut feroelektrik BaTiO 3 memiliki tetapan dielektrik yang tertinggi. Dalam penelitiannya, (Xu & Gao, 2003) 1
2 menyatakan bahwa BaTiO 3 yang disintesis melalui proses hidrotermal memilki nilai tetapan dielektrik sebesar 6900 pada suhu ruang dan 11000 pada suhu Curie. Keramik BaO-TiO 2 sangat penting peranannya sebagaimana material ini menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa feroelektrisitas dapat muncul dalam material-material oksida sederhana, dan ini tidak selalu terkait dengan ikatan hidrogen. Karena karakteristik listrik yang baik tersebut lah, barium titanat bahkan sampai saat ini telah menjadi objek penelitian yang sangat menarik dalam bidang material keramik terutama aplikasinya di bidang teknologi. BaTiO 3 adalah material pertama yang digunakan dalam pembuatan kapasitor dielektrik keramik, kapasitor berlapis (multilayer capacitors /MLCs), perangkat penyimpanan energi dan sebaginya. Penggunaannya pada aplikasi ini dikarenakan nilai tetapan dielektiknya yang tinggi, dielectric loss nya yang rendah, polarisasi spontan yang besar, sifat optik yang nonlinear pada suhu ruang dan lain-lain. Nilai dari tetapan dielektriknya sendiri bergantung pada proses sintesis material BaTiO 3 yang berarti dapat ditinjau dari segi kemurnian, rapat massa dan ukuran butir. Barium titanat (BaTiO 3 ) menunjukkan transisi fase yang berturut-turut dari suhu tinggi, Kubik (C) ke tetragonal (T), dari T ke orthorhombic (O) dan kemudian dari O ke rhombohedral (R) pada pendinginan. Meskipun dari segi aplikasi, keramik BaTiO 3 telah banyak dikembangkan pada devais atau peralatan elektronik, adanya transisi fase pada suhu Curie atau puncak tetapan dielektriknya yang merupakan fungsi suhu tersebut, menyebabkan devais yang bersangkutan dapat rusak dengan adanya variasi suhu lingkungan. Tentunya hal ini terus dikembangkan oleh banyak peneliti bagaimana memodifikasi BaTiO 3 dengan fase tunggal, salah satu caranya yaitu mensubtitusi ion A-site atau B-site (perovskite ABO 3 ) pada BaTiO 3 dengan kation-kation lain untuk mengatasi kendala tersebut dan juga dapat meningkatkan piezoelektrisitas dan feroelektrisitasnya. Barium titanat secara normal adalah isolator tetapi setelah melalui proses pen-dopingan dengan donor-donor trivalen seperti ( La, Sb, Y ) yang mensubtitusi atom (A-site) atau dengan donor donor pentavalen ( Nb, Ta ) yang mensubtitusi (B-site), BaTiO 3 akan menjadi semikonduktif (Vijatović
3 et al., 2008). Penambahan sejumlah kecil pengotor dapat memodifikasi sifat dielektrik BaTiO 3 dan barium titanat yang mengalami proses pen-dopingan ternyata memiliki aplikasi yang lebih luas terutama dalam semikonduktor seperti PTC, termistor dan perangkat piezoelektrik (Benlahrache et al., 2006). Salah satu kajian yang cukup mendapat banyak perhatian adalah pendopingan material BaTiO 3 (BTO) dengan sejumlah kecil konsentrasi atom Ca menjadi material. Dielektrik dan sifat struktural material, yang juga memiliki respon elektro-mekanis yang tinggi dan selanjutnya dalam tesis ini akan disebut (BCTO-x), telah banyak dilaporkan oleh beberapa peneliti yang menemukan bahwa penambahan Ca pada BaTiO 3 menyebabkan perubahan yang tidak dapat diabaikan atau sedikit penurunan pada suhu Curie yang berarti memperluas daerah suhu untuk fase kristalnya. Hasil ini menunjukkan bahwa fase (T) dari BCTO-x menjadi sangat stabil dengan memasukkan sedikit ion Ca 2+ ke dalam ion A-site (Ba 2+ ) untuk dua variasi x, yaitu 0,12 dan 0,20 (Kim et al., 2012). Penelitian awal material BaTiO 3 yang di-doping Ca dilakukan oleh (Mitsui & Westphal, 1961), menunjukkan anomali perubahan titik Curie Ba 1-x Ca x TiO 3 yang meningkat dengan peningkatan konsentrasi Ca sampai pada suhu 136 o C untuk x = 0,08, dan menurun untuk x = 0,24, dari suhu Curie pada x = 0 yang adalah 130.7 o C. Pada penelitian tesis di sini, peneliti tidak melakukan kajian transisi fase dari material BCTO-x, namun lebih ditekankan pada penentuan tetapan dielektriknya untuk lima variasi x, yaitu x= 0,09; x = 0,13; x = 0,17; x = 0,21 dan x = 0,25, yang mana masih belum banyak referensinya, lebih khusus lagi, pengukuran tetapan dielektrik dilakukan dengan sistem spektroskopi impedansi yang terkomputerisasi yang dibuat di Laboratorium Fisika Material UGM. Sistem spektroskopi impedansi terkomputerisasi, yang dibuat di laboratorium fisika material UGM, dapat menyimpan data berupa frekuensi (f), tegangan kapasitor (V C ), tegangan resistor (V R ), loss tangent (D), impedansi (Z), bagian riil tetapan dielektrik (ε r ) dan bagian imajiner tetapan dielektrik (ε r ) (Majid, 2012).
4 Material uji (BCTO-x) dibuat dengan mengadopsi metode yang paling sederhana yaitu metode reaksi padatan (solid-state reaction-method). Sintesis BCTO-x sendiri dilakukan dengan memanaskan rasio stokiometri serbuk BaCO 3, CaCO 3 dan TiO 2 pada suhu tinggi dalam periode waktu yang panjang. Penggunaan suhu tinggi dalam rentang waktu yang lama, membuat sintesis bahan dengan metode ini menjadi kelemahan tersendiri. Namun, metode ini dikenal lebih sederhana dalam hal proses dan bahan baku sehingga banyak peneliti yang masih mengadopsi metode ini untuk sintesis berbagai material. I.2 Rumusan Masalah Dari latar belakang yang telah disebutkan di atas, maka dapat dirumuskan beberapa masalah yang akan diteliti dalam penelitian ini, yaitu sebagai berikut 1. Berapakah nilai tetapan dielektrik kompleks, material BaTiO 3 (BTO) yang didoping Ca, yang diukur menggunakan sistem spektroskopi impedansi terkomputerisasi? 2. Bagaimanakah pengaruh variasi x pada material (BCTO-x) untuk 0,09 x 0,25 terhadap nilai tetapan dielektrik kompleks yang diukur menggunakan sistem spektroskopi impedansi terkomputerisasi? 3. Berapakah nilai impedansi dan loss tangent serta bagaimanakah pengaruh variasi x terhadap impedansi dan loss tangent tersebut yang dapat terukur dalam sistem spektroskopi impedansi pada bahan (BCTO-x)? I.3 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah 1. Material / BCTO-x disintesis dari bahan serbuk BaCO 3, CaCO 3 dan TiO 2 dan dibentuk menggunakan metode reaksi padatan (solid state reaction-method) yang terdiri dari pencampuran (mixing), pengompakkan (compacting) dan pemanasan (kalsinasi dan
5 sintering). Kalsinasi dibatasi pada suhu maksimum 1100 o C dan sintering pada suhu yang 1200 o C. 2. Variasi x pada material dilakukan untuk x= 0,09; x = 0,13; x = 0,17; x = 0,21 dan x = 0,25. 3. Pengukuran nilai tetapan dielektrik kompleks dilakukan dengan menggunakan metode spektroskopi impedansi terkomputerisasi yang dibuat di Lab. Fisika Material UGM. I.4 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah 1. Menentukan tetapan dielektrik kompleks material /BCTO-x menggunakan sistem spektroskopi impedansi untuk x= 0,09; x = 0,13; x = 0,17; x = 0,21 dan x = 0,25 2. Menentukan pengaruh variasi x pada material (BCTO-x) untuk 0,09 x 0,25 terhadap nilai tetapan dielektrik kompleks yang diukur menggunakan sistem spektroskopi impedansi terkomputerisasi. 3. Menentukan nilai impedansi dan loss tangent serta pengaruh variasi x terhadap impedansi dan loss tangent yang terukur dalam sistem spektroskopi impedansi pada bahan (BCTO-x). I.5 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat menambah wawasan ilmu pengetahuan khususnya pada sistem spektroskopi impedansi yang peneliti gunakan dalam tesis ini, sehingga dapat digunakan untuk karakteristik bahan awal pada pembuatan berbagai jenis senyawa yang dapat dihasilkan melalui metode padatan atau metode sintesis lainnya. Nilai hasil tetapan dielektrik kompleks yang dihasilkan diharapkan dapat menambah informasi yang lebih luas pada variasi x material (BCTO-x). Padatan/pelet BCTO-x yang dihasilkan memiliki kualifikasi yang baik sebagai keramik kapasitor dan dapat dikembangkan ke arah penelitian karakteristik maupun aplikatif selanjutnya.
6 I.6 Sistematika Penulisan Secara garis besar penulisan tesis dibagi menjadi tiga bagian, yaitu bagian awal, bagian isi, dan bagian akhir. Ketiga bagian ini akan dijelaskan sebagai berikut 1. Bagian awal dari tesis memuat halaman judul, halaman pengesahan, halaman pernyataan, prakata, halaman persembahan, daftar isi, daftar gambar, daftar tabel, daftar lampiran, intisari dan abstract (intisari dalam bahasa inggris). 2. Bagian isi dari tesis terdiri dari lima bab yaitu BAB I Pendahuluan meliputi Latar Belakang, Rumusan Masalah, Batasan Masalah, Tujuan, Manfaat, Sistematika Tesis. BAB III BAB III BAB IV BAB V Tinjauan Pustaka. Landasan Teori yang mencakup materi-materi pendukung penelitian yang terdiri atas penjelasan mengenai material BCTO-x, sifat-sifat listrik dan penjelasan mengenai pengukuran spektroskopi impedansi dan sistem spektroskopi impedansi terkomputerisasi. Metodologi penelitian yang menguraikan mengenai tempat penelitian, alat dan bahan yang digunakan, serta langkah kerja yang dilakukan dalam penelitian. Berisi tentang hasil-hasil penelitian dan pembahasannya. BAB VI Simpulan dan saran yang berisi tentang kesimpulan hasil penelitian yang telah dilakukan serta saran-saran yang berkaitan dengan hasil kesimpulan penelitian. 3. Bagian akhir dari tesis memuat tentang daftar pustaka yang digunakan sebagai acuan dari penulisan tesis beserta lampiran.