BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Nanoteknologi adalah teknologi pembuatan dan penggunaan material yang memiliki ukuran nanometer dengan skala (1-100 nm). Perubahan ukuran bulk ke nanomaterial mengakibatkan perubahan sifat fisis, karena ukuran nano memiliki luas permukaan terhadap volume yang jauh lebih besar dibandingkan dalam ukuran bulk. Ukuran nano memiliki kapasitas yang jauh lebih besar untuk pemanfaatan yang melibatkan permukaan dan memiliki reaktivitas yang jauh lebih tinggi karena atom-atomnya mempunyai peluang lebih besar untuk berinteraksi dengan material lain di sekelilingnya (Saxton, 2007). Material dengan ukuran nano akan dapat menunjukkan sifat-sifat fisis yang lebih optimal dibandingkan berukuran bulk. Sifat-sifat fisis, yang dipengaruhi oleh ukuran berupa sifat mekanik, listrik, optik, dan magnetik material. Salah satu golongan nanomaterial dengan keunikan sifat magnetik adalah nanopartikel magnetik. Berdasarkan sifat-sifat fisisnya, nanopartikel magnetik menjadi salah satu material yang saat ini banyak diteliti untuk dieksplorasi berbagai fenomena fisika yang mungkin dimiliki untuk keperluan aplikasi pada berbagai bidang teknologi. Salah satu fenomena menarik yang dapat dimunculkan oleh nanopartikel magnetik adalah perilaku superparamagnetik yang tidak ditemui pada material berukuran bulk (Lu dkk, 2007). Nanopartikel magnetik khususnya ferro/ferrimagnetik yang hanya memiliki satu domain magnetik akan menampilkan sifat magnetik yang berbeda dibanding partikel magnetik dengan banyak domain (multi domain). Partikel dengan satu domain magnetik memiliki momen magnetik yang tidak stabil sehingga momen magnetik dalam partikel ini sangat mudah dipengaruhi oleh medan magnet eksternal maupun termal. Nanopartikel magnetik juga menunjukkan keadaan yang khas dimana koersivitas partikel sama dengan nol yang disebut fenomena superparamagnetik (Guimaraes, 2009). 1
2 Nanopartikel magnetik dapat disintesis dengan berbagai metode, seperti kopresipitasi, dekomposisi termal, mikroemulsi, sol-gel, autocombustion, reaksi fase padat (solid state reaction), dan hidrotermal. Berbagai penelitian telah berhasil mengungkap keunggulan dan kelemahan metode tersebut. Metode kopresipitasi dapat menjadi alternatif untuk sintesis nanopartikel ferit karena berbagai pertimbangan. Pertama, secara teoretik sintesis nanopartikel menggunakan metode kopresipitasi dapat menghasilkan nanopartikel dengan kemurnian yang lebih tinggi dibandingkan dengan metode lainnya serta tidak menghasilkan nanopartikel yang teraglomerasi sehingga sangat mudah dalam proses karakterisasi sifat-sifat magnet dan listriknya. Kedua, secara praktis metode kopresipitasi memiliki proses yang sederhana, waktu sintesis yang relatif singkat, serta efektif dan efesien dalam hal biaya (Shahraki, dkk 2012). Hasil penelitian Thakur, dkk (2006) mengungkap bahwa metode kopresipitasi dapat menghasilkan nanopartikel yang berukuran sangat kecil (4 40 nm) serta terdistribusi secara homogen. Jiao, dkk (2013) telah berhasil mensintesis nanopartikel CuFe 2 O 4 dengan ukuran partikel 20 40 nm. Ukuran butir nanopartikel sangat berpengaruh terhadap sifat-sifat fisis yang dimiliki oleh nanopartikel tersebut dalam sampel. Nanopartikel magnetik yang saat ini banyak diteliti diantaranya adalah nanopartikel magnetik ferit seperti CoFe 2 O 4, ZnFe 2 O 4, NiFe 2 O 4 dan CuFe 2 O 4. Nanopartikel ferit mendapat perhatian yang cukup besar karena memiliki beberapa karakteristik yang cukup unik diantaranya sifat mekanik, optik, elektrik dan magnetik. Keunikan sifat nanoparikel magnetik memiliki potensial dapat digunakan diberbagai aplikasi seperti penyimpanan data, katalis, sensor, dalam bidang medis sebagai drug delivery, terapi hyperthermia, Magnetic Resonance Imaging (MRI), dan biosensor. Beberapa pertimbangan untuk pemilihan nanopartikel magnetik ferit adalah informasi mengenai sifat magneto-dielektrik dan permitivitas dielektrik relatif (ε r ) yang tinggi. Hal tersebut merupakan kunci dari aplikasi bahan nanopartikel magnetik. Beberapa contoh aplikasi yaitu seperti Electromagnetic Interference (EMI) Shielding pada frekuensi sangat tinggi dengan rentang 8-13 GHz
3 (Choudahry, 2012). EMI Shielding berpengaruh pada dipol listrik dan mobilitas muatan, dimana besar efisiensi EMI Shielding meningkat saat dielektrik imaginer (ε ) meningkat (Dhawan, 2011). Copper Ferrite (CuFe 2 O 4. ) memiliki struktur invers spinel dengan sisi A merupakan tetrahedral yang terisi oleh ion Fe +3 dan sisi B merupakan oktahedral yang terisi ion Fe +3 dan Cu 2+. CuFe 2 O 4 mempunyai keunggulan dibandingkan dengan nanopartikel magnetik lainnya yaitu mempunyai resistivitas listrik yang tinggi, kehilangan arus-pusar (eddy-current) yang rendah dan memiliki loss tangent yang rendah. Loss tangent yang rendah menunjukkan kecilnya energi yang hilang sehingga bahan CuFe 2 O 4 merupakan bahan dielektrik yang sangat bagus (Ali dkk, 2011; Chen dkk, 2014). Sifat dielektrik bergantung terhadap mekanisme polarisasi pada material, yang disebabkan pengaruh medan listrik eksternal. Medan listrik eksternal menunjukkan respon terhadap perubahan frekuensi, hal ini juga mempengaruhi sifat dielektrik. Ada beberapa jenis polarisasi yang bergantung pada rentang frekuensi antara lain: polarisasi interfacial dengan rentang frekuensi 0-10 4 Hz, polarisasi dipol pada rentang 10 4-10 9 Hz, polarisasi ionik pada rentang 10 9-10 13 Hz, dan polarisasi elektronik pada rentang 10 14-10 16 Hz (De, 2012). Sifat dielektrik CuFe 2 O 4 bergantung pada ukuran butir dan struktur kristal nanopartikel, dalam hal ini memberikan peluang untuk pengembangan pada berbagai aplikasi lainnya. Studi tentang dielektrik akan memberikan informasi penting tentang perilaku pembawa muatan listrik lokal, yang akan memberikan pemahaman tentang mekanisme polarisasi dielektrik (Surendra ddk, 2011). Terkait dengan struktrur kristal semakin meningkatnya kristalinitas suatu bahan, maka akan dapat meningkatkan konstanta dielektriknya (Kim dkk, 2003). Penelitian tentang sifat dielektrik nanopartikel CuFe 2 O 4 telah dilakukan di Laboratorium Fisika Material dan Instrumentasi, Jurusan Fisika. Sangat penting untuk meneliti pengaruh ukuran butir partikel dan struktur kristal terhadap sifat dielektrik nanopartikel CuFe 2 O 4. Sampel yang diteliti terdiri dari lima sampel dengan ukuran butir partikel berbeda secara signifikan. Metode pengukuran menggunakan metode spektroskopi impedansi terkomputerisasi.
4 1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang tersebut di atas, maka dalam penelitian ini dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut. 1. Bagaimana pengaruh ukuran butir partikel terhadap konstanta dielektrik kompleks, loss tangent dan impedansi CuFe 2 O 4? 2. Bagaimana pengaruh struktur kristal terhadap konstanta dielektrik kompleks, loss tangent dan impedansi CuFe 2 O 4? 1.3. Batasan Masalah Penelitian ini mengkaji sifat dielektrik nanopartikel CuFe 2 O 4 yang telah disintesis pada penelitian sebelumnya. Variabel yang divariasi adalah ukuran butir nanopartikel, yaitu sebanyak 5 ukuran yang berbeda (5,37; 6,60; 7,74; 11,7; dan 13,4 nm). Sementara itu, struktur kristal yang dimaksud dalam penelitian ini ditinjau dari tiga parameter, yaitu ukuran parameter kisi (lattice parameter), derajat kristalinitas, dan kadar fasa non-cufe 2 O 4. Variabel yang diukur meliputi, nilai konstanta dielektrik, loss tangent (tan δ) dan impedansi (Z). Jangkauan frekuensi pengukuran dilakukan pada rentang 10 120 khz. 1.4. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Mempelajari pengaruh perubahan frekuensi terhadap konstanta dielektrik kompleks, loss tangent (tan δ) dan impedansi (Z) CuFe 2 O 4. 2. Mempelajari pengaruh ukuran butir partikel dan struktur kristal terhadap konstanta dielektrik kompleks, loss tangent (tan δ) dan impedansi (Z) CuFe 2 O 4.
5 1.5. Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dapat diperoleh dari penelitian ini adalah: 1. Memberikan informasi mengenai variabel preparasi yang optimal untuk mengatur ukuran butir CuFe 2 O 4. 2. Memberikan informasi mengenai karakteristik dielektrik keping CuFe 2 O 4 3. Memberikan informasi mengenai pengaruh ukuran partikel dan struktur kristal CuFe 2 O 4 terhadap perilaku dielektrik dari bahan tersebut. 4. Dapat dipakai sebagai acuan baik dalam penelitian selanjutnya maupun dalam pengembangan dalam aplikasinya. 1.6. Sistematika Penulisan Tesis ini ditulis dalam lima bab, yaitu: pendahuluan, tinjauan pustaka, dasar teori, metode penelitian, hasil dan pembahasan, kesimpulan dan saran; ditambahkan dengan daftar pustaka dan lampiran. Bab I merupakan pendahuluan yang menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian mengenai karakterisasi dielektrik keping dielektrik nanopartikel CuFe 2 O 4, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat dan sistematika penulisan tesis. Bab II berisi tinjauan pustaka yang menjelaskan tentang penelitian sebelumnya yang berhubungan dengan karakterisasi dielektrik dari keping dielektrik nanopartikel CuFe 2 O 4. Bab III menjelaskan teori dasar mengenai material dielektrik, momen dipol listrik, polarisasi, konstanta dielektrik dan kapasitansi, konstanta dielektrik kompleks, loss tangent, dissipasi energi, impedansi, spektroskopi impedansi, metode sintesis kopresipitasi, CuFe 2 O 4, karakterisasi material, spektroskpi impedansi. Bab IV menjelaskan metode penelitian yang mencakup alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, prosedur penelitian, dan teknik pengolahan data yang digunakan. Bab V berisi tentang hasil yang diperoleh dari setiap kegiatan penelitian berikut pembahasannya.
6 Bab VI merupakan kesimpulan dari hasil penelitian yang dilakukan dan saran bagi penelitian lain berikutnya. Daftar pustaka berisi tentang seluruh pustaka yang diacu dalam penelitian ini, sedangkan lampiran berisi data-data yang diperoleh dalam penelitian, teknis analisis data dan dokumentasi penelitian.