II. TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Selulosa Mikrobial
Selulosa mikrobial adalah jenis selulosa yang dihasilkan oleh bakteri seperti Acetobacter Xylinum. Selulosa merupakan polimer linier glukosa yang terikat dalam ikatan ß-1,4 glikosida. Selulosa ini bebas lignin, bobot molekulnya tinggi, sifat kristalinnya tinggi, derajat polimerisasi tinggi, mempunyai kekuatan tarik dan ketahanan tinggi, serta sangat hidrofilik (Brown, 1989).
Gambar 1. Struktur Molekul Selulosa (water structur and behavior / cellulose / home -http: // www.isbu.ac.uk / water / search)(11/04/05)
Bakteri Acetobacter Xylinum adalah bakteri Gram negatif yang dapat
menghasilkan serat-serat selulosa sehingga membentuk suatu jaringan yang tipis diantara udara dan air/ cairan yang disebut pelikel. Ketebalan pelikel yang terbentuk tergantung pada masa pertumbuhan mikroba. Pelikel yang berada pada permukaan udara terdiri dari pita-pita yang mengandung kristalin yang tinggi yang mempunyai lebar 40 – 100 nm, pita tersebut tersusun atas bagian mikrofibril melalui ikatan hidrogen. Pembentukan pelikel dapat diperjelaskan dari gambar 2 dibawah ini.
Menurut Meshitsuka dan Isogai (1996), bahan yang mengandung selulosa biasanya berbentuk struktur kristalin, sehingga air tidak dapat masuk ke dalam daerah aktif kristalin pada suhu kamar. Selulosa mikrobial mengandung dua struktur kristalin yaitu selulosa 1α dan selulosa 1β . Selulosa 1 α adalah satu unit sel triklinat mengandung satu rantai selulosa yang mengandung
selulosa 60%, sedangkan selulosa 1β adalah satu unit sel monoklinat
mengandung dua rantai selulosa.
Pertumbuhan selulosa mikrobial terjadi karena terbentuknya serat yang terus terjadi dari sel bakteri sehingga terbentuk jaringan serat yang sangat rapat dan tebal. Serat yang bercabang-cabang dan tersusun rapat ini menyebabkan selulosa mikrobial mempunyai sifat yang kenyal, alot dan tahan terhadap gaya untuk merentangkan (Sidirjo,1996).
Selulosa mikrobial dapat dibuat menjadi lembaran dengan mengeringkan di udara di atas tempat yang rata dengan luas tertentu. Mengeringkan selulosa sampai kadar air kurang dari 1 % membutuhkan biaya yang besar, tetapi gugus OH dalam air lebih reaktif daripada gugus OH yang terdapat pada komponen lignoselulosa, sehingga hidrolisis berlangsung lebih cepat daripada substitusi.
Suhu (<150OC) yang dibutuhkan untuk reaksi sempurna harus cukup rendah
sehingga tidak terjadi degradasi serat (Rowel,1996).
2.4 Semikonduktor
Suatu material dapat mempunyai tiga sifat kelistrikan yaitu konduktor, semikonduktor dan isolator. Bahan isolator tidak dapat mengalirkan arus listrik sama sekali karena elektron valensinya tidak bebas bergerak di dalam material. Keadaan ini disebabkan tingkat energi valensi dan tingkat energi konduksinya berbeda jauh sehingga elektron untuk pindah memerlukan energi yang sangat tinggi. Konduktor merupakan penghantar listrik yang baik karena tingkat energi velensi dan tingkat energi konduksinya saling bertumpang tindih sehingga untuk pindah tempat elektron hanya memerlukan energi yang sangat rendah. Semikonduktor merupakan sifat kelistrikan suatu material diantara isolator dan konduktor dan mempunyai pita energi larangan sebesar kira-kira 2,5eV (elektron
volt). Hambatan listrik suatu material merupakan suatu ukuran bagaimana sulitnya elektron mengalir. Semikonduktor mempunyai hambatan listrik antara 10-4<ρ< 108Ohm m (Runyan,1975).
Tabel 4. Spektrum Resistivitas (hambatan listrik) dalam ohm meter (Ω m )
10-8 Ag, Cu, Au
10-6 Fe,Al, Kawat Nichrom Konduktor 10-4 10-2 Se, Ge 1 102 Semikonduktor 104 Si, 106 CuO 108 Marmer 1010 Gelas 1012 Ebonit Isolator 1014 Keramik 1016 Gelas Silikon Sumber: Rio., et al 1999
Dalam teori pita menjelaskan perbedaan sifat kelistrikan suatu material. Elektron menduduki tingkat energi dari tingkat energi yang paling rendah sampai tingkat energi yang paling tinggi. Beberapa tingkat energi ”terlarang” ditempati oleh elektron. Tingkat energi yang diijinkan cenderung membentuk suatu pita. Tingkatan yang paling tinggi terisi pada T= 0K dikenal sebagai pita valensi. Elektron di dalam pita valensi tidak berpartisipasi pada proses konduktivitas. Lebih dulu tingkatan kosong di atas pita valensi dikenal sebagai pita konduksi. Pada konduktor tidak terdapat sela energi (daerah terlarang untuk
elektron) karena pita valensi dan pita konduksi saling tumpang tindih sehingga membiarkan elektron bebas untuk mengambil bagian proses konduktivitas. Isolator mempunyai suatu sela energi yang jauh lebih besar dari energi termal elektron, sedang material semikonduktor mempunyai sela energi sekitar 2,5 eV. Pada gambar 3 di bawah menunjukkan perbedaan antara logam, semikonduktor dan isolator dalam kaitan dengan pemisahan pita energi (Jacobs and Kilduff. 1997). Pita Konduksi Konduktor Pita Valensi Pita Konduksi Semikonduktor
Eg (energi gap/pita larangan) Pita Valensi
Pita Konduksi Isolator
Eg (energi gap/pita larangan) Pita Valensi
Gambar 3 Teori Pita Energi dalam beberapa material (Jacobs and Kilduff, 1997)
Unsur semikonduktor murni terdiri dari atom yang sejenis seperti Germanium (Ge) dan Silikon (Si). Atom ini terikat bersama-sama oleh ikatan kovalen, sedemikian sehingga masing-masing atom berbagi suatu elektron dengan tetangga terdekat dan membentuk ikatan yang kuat. Semikonduktor campuran dibuat dari dua atau lebih unsur-unsur. Contoh umum adalah Galium
Arsenide (GaAs) atau Indium Phosphide (InP). Semikonduktor campuran ini terletak pada golongan III dan V dalam sistem periodik unsur kimia. Di dalam semikonduktor campuran, perbedaan di dalam elektro-negatif merupakan suatu kombinasi ikatan kovalen dan ikatan ionik. Ternary Semikonduktor dibentuk oleh penambahan suatu unsur dengan kwantitas kecil (1/3) kepada campuran,
sebagai contoh AlxGa1-XAs. Tulisan di bawah garis x mengacu pada isi
campuran logam material, proporsi material yang ditambahkan dan proporsi yang digantikan dengan material campuran logam. Penambahan mencampur logam ke semikonduktor dapat diperluas meliputi quaternary material seperti GaxIn(1-X)AsyP(1-Y) atau GaInNAs dan bahkan quinternary material seperti
GaInNAsSb. Tulisan di bawah garis menandakan unsur-unsur proporsi pembuat campuran. Campuran logam semikonduktor dengan cara ini mengijinkan kisi- kisi dan sela energi mengatur jarak kristal untuk dipilih sesuai penggunaan (Jacobs and Kilduff, 1997).
Contoh semikonduktor :
• Aluminium Gallium Arsenide (AlxGa1-xAs)
• Diamod
• Gallium Arsenide
• Gallium Indium Arsenide Phosphide (Ga1-xInxAs1-yPy)
• Gallium Nitride
• Germanium
• Silikon
Tabel 5. Sifat Bahan Pada Susunan Berkala Sumber: Brady,1995 Golongan I II Logam III IV V Metaloid VI
VII Non Logam VIII
Sumber: Brady, 1994
Semikonduktor intrinsik merupakan material semi penghantar sangat murni. Struktur material Semikonduktor ini tidak berisi atom lain. Semikonduktor campuran dapat berupa semikonduktor intrinsik. Pada suhu kamar, energi yang berkenaan dengan energi termal atom mengijinkan sejumlah kecil elektron untuk mengambil bagian dalam proses. Tidak seperti konduktor yang hambatan listrik akan naik karena temperatur naik, pada material semikonduktor hambatan akan turun bila temperatur naik. Pada semikonduktor ketika temperatur naik energi yang berhubungan dengan energi termal elektron akan meningkat dan membiarkan lebih banyak elektron untuk melanggar pita larangan didalam pita konduktor. Ketika suatu elektron memperoleh energi cukup untuk lepas akan meninggalkan suatu lowongan di belakang yang mungkin diisi oleh elektron lain. Lowongan ini sebagai pengangkut muatan positif kedua dan dikenal sebagai suatu lubang/hole. Ketika elektron mengalir sepanjang semikonduktor, membuat suatu lubang arus dengan arah kebalikan. Jika ada n elektron bebas di (dalam) suatu semikonduktor intrinsik, maka harus ada pula n lubang. Lubang dan elektron yang diciptakan dengan cara ini dikenal
sebagai pembawa muatan intrinsik. Konsentrasi pembawa atau rapatan muatan menggambarkan banyaknya pembawa muatan setiap unit volume. Hubungan ini dapat dinyatakan seperti n = p dengan n adalah banyaknya elektron dan p banyaknya lubang setiap unit volume t. Variasi di dalam pita larangan antara material semikonduktor berbeda berarti kadar pembawa intrinsik pada temperatur juga berbeda (Jacobs and.Kilduff, 1997).
Intrinsic p-type n-type
Gambar 4 Jenis dan tipe semikonduktor (Jacobs and.Kilduff, 1997)
Suatu semikonduktor ekstrinsik dapat dibentuk dari suatu semikonduktor intrinsik oleh ketidakmurnian atom yang ditambahkan kepada kristal dalam suatu proses pembuatan. Untuk mengambil contoh yang paling sederhana, adalah Silisium. Silisium termasuk dalam golongan IV dalam daftar sistem periodik kimia dan mempunyai elektron konduksi. Di dalam kristal masing- masing atom berbagi suatu elektron dengan suatu atom tetangga. Di dalam suatu semikonduktor intrinsik, unsur Boron, Aluminium dan Galium semua mempunyai tiga elektron di dalam pita konduksi. Ketika suatu proporsi kecil dari atom ini, (kurang dari 1 dalam 106), disatukan ke dalam kristal dopant atom mempunyai suatu jumlah tidak cukup ikatan untuk berbagi ikatan dengan seluruh atom Silisium. Salah satu dari atom Silisium mempunyai suatu lowongan untuk suatu elektron. Hal ini akan menciptakan suatu lubang yang berperan dalam suatu proses. Dopant itu menciptakan lubang dikenal sebagai akseptor. Semikonduktor ekstrinsik jenis ini dikenal sebagai p-type menciptakan pengangkut muatan positif. Unsur-Unsur yang berada digolongan V dari sistem
periodik unsur kimia seperti P, Sb mempunyai suatu elektron ekstra di dalam pita konduksi. Ketika ditambahkan sebagai dopant ke Silisium intrinsik, dopant
atom memberi suatu elektron tambahan kepada kristal tersebut. Dopant itu
menambahkan elektron kepada kristal dikenal sebagai penderma dan semikonduktor material disebut n-type (Jacobs and Kilduff, 1997).
Pembuatan semikonduktor campuran sedikit agak rumit. Efek dopant
atom tergantung lokasi yang diduduki oleh atom pada kisi-kisi. Di dalam golongan III dan golongan V semikonduktor, atom dari golongan III bertindak sebagai suatu akseptor ketika menduduki lokasi suatu golongan IV, sedang atom di dalam golongan V bertindak sebagai penderma ketika mereka menggantikan atom dari golongan IV. Ketidakmurnian ini dikenal sebagai ketidakmurnian ion atom. Di dalam penyajian pita energi, penderma dan akseptor membentuk tingkatan di dalam daerah energi larangan.
Pita Konduksi
Ed Tingkat Donor
Ea Tingkat Aseptor
Pita Valensi
Gambar 5 Teori pita energi semikonduktor ekstrinsik (Jacobs and.Kilduff, 1997)
Tingkat ketidakmurnian ini dikenal sebagai ketidak murnian dalam zat cair. Donor merupakan suatu elektron yang mengorbit di suatu lokasi kisi-kisi, sedang akseptor merupakan suatu orbit lubang di sekitar suatu lokasi kisi-kisi dengan muatan positif. Energi yang diperlukan ke ionisasi pengangkut ini sangat sedikit dibanding energi ikat atom hidrogen karena massa efektif lebih kecil dan radius pengangkut mengorbit lebih besar dari atom hidrogen. Energi gap, Eg,
pada semikonduktor ekstrinsik tergantung pada banyaknya atom dopan dan permitivitas material intrinsik yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
) 4 ( 2 2 2 2 0 4 πε ε n e m E e g h =
Eg = energi gap / celah energi / energi larangan (joule) me = massa elektron ( 9,11x10-31 kg)
e = muatan elektron ( 1,6x 10-19 C)
ε = permitivitas listrik medium (C/V-m)
ħ = konstanta Planck ( 6,63x10-34 J-detik)
n = banyaknya atom dopant
εo = permitivitas listrik di ruang hampa (8,854x10-12 C/V-m)
Energi donor,Ed, merupakan pengurangan energi gap dari semikonduktor
intrinsik akibat adanya atom dopan
kbT ≈Ed kbT eV 40 1 ≈ T = Temperatur kamar (K) kb = konstanta Boltzman (1,38x10-23 J K-1 )
Suatu perkiraan kasar untuk temperatur ionisasi berada pada temperatur - kamar. Pada awalnya ketika temperatur rendah, eksitasi dari penderma dan akseptor merupakan satu-satunya sumber pengangkut yang mencakup daya konduksi yang disebabkan oleh keadaan luar. Didalam kondisi ini pembuatan semikonduktor menentukan apakah semikonduktor merupakan n-type atau p- type.
2.4 Kegunaan Semikonduktor