Sintesis Bahan Piezoelektrik Ba0.5Na0.5TiO3 – BaTiO3 dan Penambahan Gd2O3 dengan Metode Solid State Reaction

SINTESIS BAHAN PIEZOELEKTRIK Ba

0.5

Na

0.5

TiO

3

– BaTiO

3

DAN PENAMBAHAN Gd

2

O

3

DENGAN METODE SOLID

STATE REACTION

VINO FERNANDO

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR

ABSTRAK

VINO FERNANDO. Sintesis Bahan Piezoelektrik Ba0.5Na0.5TiO3 – BaTiO3 dan Penambahan Gd2O3 dengan Metode Solid State. Dibimbing oleh M. NUR INDRO dan SYAFANDI AHDA.

Sintesis bahan piezoelektrik BNT – BT dan penambahan Gd2O3 telah dilakukan dengan menggunakan metode solid state reaction. Sintesis BNT – BT

menghasilkan struktur kristal perovskite dengan variasi % mol BT 3%, 7%, 12%. Pada pola difraksi penambahan 7% BT menunjukkan adanya dua puncak ((002) dan (200)) yang saling berdekatan (overlapping) yang mengindikasikan adanya tranformasi fasa dari rhombohedral ke tetragonal (MPB). Sintesis BNT _– BT dengan penambahan Gd2O3 juga mengahasilkan struktur kristal perovskite dengan variasi % berat Gd2O3 0.4%, 0.7%, 1%, 3%, 6%. Pada pola difraksi penambahan 0.4% Gd2O3 menunjukkan adanya puncak yang overlapping. Pada komposisi ini terjadi perubahan fasa dari rhombohedral ke tetragonal. Pada komposisi 0.4% - 0.7% terjadi penurunan harga c/a yang cukup tajam yang mengindikasikan bahwa pada komposisi ini daerah Morphotropic Phase Boundary (MPB) dari BNT – BT

– Gd2O3.

Kata kunci : BNT – BT – Gd2O3, MPB, piezoelektrik, rhombohedral, tetragonal.

ABSTRACT

VINO FERNANDO. Synthesis of Lead – free Piezoelectric Ba0.5Na0.5TiO3 – BaTiO3 and Addition Gd2O3 by Solid State Reaction Method. Supervised by M. NUR INDRO and SYAHFANDI AHDA.

The synthesis of lead – free piezoelectric BNT – BT and addition Gd2O3 have done using solid state reaction. Synthesis of BNT _– BT get a perovskite struktur with variation of % mol BT 3%, 7%, 12%. Diffraction pattern of 7% BT showed two peak ((002) and (200)) overlapping that is indicate transformation of phase from rhombohedral to tetragonal (MPB). Synthesis BNT – BT with addition Gd2O3 also a get perovskite struktur with variation of % weight Gd2O3 0.4%, 0.7%, 1%, 3%, 6%. Diffraction pattern of 0.4% Gd2O3 showed overlapping peak. At this komposition happen phase change from rhombohedral to tetragonal. At 0.4% - 0.7% komposition happen down significan point of c/a that is indicate in the komposition MPB of BNT _– BT _– Gd2O3.

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains

pada

Departemen Fisika

SINTESIS BAHAN PIEZOELEKTRIK Ba

0.5

Na

0.5

TiO

3

– BaTiO

3

DAN PENAMBAHAN Gd

2

O

3

DENGAN METODE SOLID

STATE REACTION

VINO FERNANDO

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Judul Skripsi : Sintesis Bahan Piezoelektrik Ba0.5Na0.5TiO3– BaTiO3 dan Penambahan Gd2O3 dengan Metode Solid State Reaction Nama : Vino Fernando

NIM : G74090016

Disetujui oleh

Drs. M.N. Indro, M.Sc. Pembimbing I

Drs. Syahfandi Ahda, M.T. Pembimbing II

Diketahui oleh

Dr. Akhiruddin Maddu Ketua Departemen Fisika

PRAKATA

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan

usulan penelitian ini dengan judul “Sintesis Bahan Piezoelektrik Bi0.5Na0.5TiO3

– BaTiO3 dan Penambahan Gd2O3 dengan Metode Solid State Reaction”. Tugas ini disusun sebagai salah satu syarat melakukan penelitian dan memperoleh gelar sarjana Sains di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Drs. M.N. Indro, M.Sc. dan Drs. Syahfandi Ahda, M.T. selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Staf dan karyawan PT BIN, BATAN Serpong yang membimbing dan meluangkan waktunya kepada penulis dalam proses penyusunan skripsi ini. 3. Kepada kedua orang tua Pirin dan Sri Yanti Herlini, kakak Anggi Aprianto,

adik Herik Kiswantoro, dan Fuja Aprianto yang selalu memberikan doa dan semangat.

4. Teman-teman fisika khususnya angkatan 46, serta teman-teman sepergaulan yang telah banyak membantu penulis dan selalu memberikan semangat.

Semoga skripsi ini dapat bermanfaat. Saran dan kritik yang membangun sangat penulis harapkan untuk pengembangan yang lebih baik.

Bogor, April 2013

DAFTAR ISI

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Material piezoelektrik adalah material yang mampu memproduksi medan listrik ketika dikenai tekanan atau regangan. Sebaliknya, jika medan listrik diterapkan, maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis.1 Dalam bidang instrumentasi, material piezoelektrik sangat banyak digunakan sebagai aktuator atau sensor. Dalam bidang komunikasi, material piezoelektrik diaplikasikan untuk komunikasi bawah air. Selain itu material piezoelektrik ini juga diaplikasikan sebagai pembangkit tenaga listrik karena sifatnya yang mampu memproduksi medan listrik, salah satu contohnya adalah pada stasiun kereta api di Jepang.2

Material piezoelektrik yang umum digunakan adalah bahan yang berasal dari kelompok Lead Zirconium Titanate (PZT), PbZrTiO3, karena mempunyai sifat piezoelektrik dan sifat dielektrik yang baik. PZT sendiri memiliki konstanta piezoelektrik d33 = 720 pC/N.3 Akan tetapi, PZT mengandung timbal (Pb) yang bersifat racun sehingga tidak ramah lingkungan.

Bismuth Natrium Titanate (BNT), (Bi0.5Na0.5TiO3), merupakan material yang bersifat ferroelektrik dengan struktur perovskite.4 BNT juga mempunyai

sifat piezoelektrik yang cukup baik. BNT merupakan salah satu kandidat kuat bahan piezolektrik yang bisa menggantikan PZT dan bahan ini tidak beracun. Untuk meningkatkan sifat piezoelektrik pada BNT, dilakukan doping pada BNT, misalnya menambahkan dopan BaTiO3 (BT). BNT – BT memilki konstanta piezoelektrik d33 = 155 pC/N.5 Selain penambahan BT pada BNT, bahan yang sering juga digunakan untuk meningkatkan sifat piezoelektrik dari BNT adalah Bi0.5K0.5TiO3 (BKT).4 BNT – BKT memiliki konstanta piezoelektrik d33 = 112 pC/N.4

Dalam upaya meningkatkan sifat piezoelektrik dari BNT – BKT, telah dilakukan penambahan Gd2O3 pada BNT – BKT.6 BNT – BKT – Gd2O3 memiliki konstanta piezoelektrik 137 pC/N, energi koersif Ec = 5.1 kV/mm dan polarisasi remanent Pr = 27.5 µC/cm3.6 Pada sintesis BNT – BKT – Gd2O3 terlihat bahwa dengan penambahan Gd2O3 konstanta piezoelektrik dari BNT – BKT mengalami peningkatan.

Pada penelitian ini dilakukan penambahan Gd2O3 pada BNT-BT, untuk meningkatkan sifat piezoelektrik dari BNT – BT. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah solid state reaction. Pemilihan metode ini dikarenakan

2

Tujuan Penelitian

1. Sintesis Bi0.5Na0.5TiO3– BaTiO3 dan Bi0.5Na0.5TiO3– BaTiO3 – Gd2O3. 2. Mengidentifikasi struktur kristal hasil sintesis Bi0.5Na0.5TiO3 – BaTiO3 dan

Bi0.5Na0.5TiO3 – BaTiO3 – Gd2O3 dengan karakterisasi x – ray diffraction (XRD).

3. Menganalisis perubahan parameter kisi pada Bi0.5Na0.5TiO3 – BaTiO3 akibat penambahan Gd2O3.

TINJAUAN PUSTAKA

Piezoelektrik

Efek piezoelektrik terdiri atas direct piezoelectrik effect dan converse piezoelectrik effect. Direct piezoelectrik effect merupakan efek piezoelektrik yang

mengubah regangan atau tekanan mekanik menjadi tegangan listrik. Sedangkan

converse piezoelectrik effect merupakan efek piezoelektrik yang mengkonversi

tegangan listrik yang diberikan menjadi energi mekanik yang berupa regangan atau tekanan.1 Efek piezoelektrik dapat di lihat pada Gambar 1.

Perovskite

Perovskite merupakan struktur kristal gabungan antara Face Center Cubic

(FCC) dengan Body Center Cubic (BCC). Rumus kimia dari perovskite ini adalah

ABO3, dimana A adalah kation yang paling besar, B adalah kation yang kecil dan O adalah anion.7 Bentukkristal perovskite dapat di lihat pada Gambar 2.

Salah satu contoh bahan piezoelektrik yang memiliki struktur perovskite

Gambar 1 Piezoelectrik effect.1

3

adalah Bi0.5Na0.5TiO3 – Bi0.5 K0.5 TiO3 – Gd2O3 (BNT-BKT- Gd2O3).6 Struktur kristal dari perovskite ini bersifat fleksibel dan mudah berubah bentuk.7

Bismuth Natrium Titanate , Barium Titanate dan Gadolonium (Gd2O3)

Bismuth Natrium titanate (Bi0.5Na0.5TiO3) merupakan material yang bersifat ferroelektrik dengan struktur perovskite.4 BNT memiliki struktur kristal rhombohedral pada suhu ruang.10 Barium titanate (BaTiO3) merupakan keramik transduser piezoelektrik yang pertama dengan Tc = 120 oC11.

Kondisi optimum dari BNT-BT adalah pada x = 0.06, dengan nilai d33 = 155 pC/N, temperature curie Tc = 2880C dan polarisasi remanen Pr = 38.8 µC/cm2. Jika dibandingkan dengan PZT, nilai koefisien piezoelektrik BNT-BT masih kecil, sehingga dibutuhkan campuran yang lain untuk meningkatkan nilai koefisien piezoelektriknya dan sifat piezoelektriknya. Diagram fasa dari BNT _– BT ditunjukkan pada Gambar 3.

Gadolonium termasuk ke dalam golongan lantanida. Gadolonium bisa dijadikan dopan dalam sintesis bahan piezoelektrik Bi0.5Na0.5TiO3 – Bi0.5 K0.5 TiO3 (BNT - BKT) . Hal ini dikarenakan gadolonium memiliki radius yang relatif lebih kecil (0.938 Å ) dibandingkan dengan bismuth (1.03 Å) dan natrium (1.02 Å).8

Morphotropic Phase Boundary (MPB)

4

Intensitas difraksi dipengaruhi oleh enam faktor yaitu faktor struktur, faktor multiplisitas, faktor absorpsi, faktor Lorentz, faktor temperatur, faktor polarisasi.13

I =

_{| |}

Solid state reaction merupakan reaksi padatan yang terjadi antar partikel,

yang dipengaruhi oleh sifat kehomogenan bahan, tekanan saat kompaksi, suhu sintering (dibawah titik leleh bahan), dan lama waktu pemanasan.13 Pada proses sintering terjadi pengurangan pori _– pori antar partikel yang disertai dengan perbesaran ukuran partikel sehingga terjadi proses difusi antar partikel dan partikel akan berikatan dengan kuat antar satu sama lain.9 Skema proses difusi partikel diperlihatkan pada Gambar 5.

5

METODE

Tempat dan Waktu

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Sintesis dan Preparasi Mekanik Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN), Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) Serpong, Tangerang Selatan, Banten. Penelitian dilaksanakan pada bulan Desember 2012 - April 2013.

Bahan

1. Bismuth Oksida (Bi2O3) 99.99% 2. Natrium Karbonat (Na2CO3) 99.99% 3. Titanium Oksida (TiO2) 99.99% 4. Barium Karbonat (BaCO3) 99.99% 5. Gadolonium (Gd2O3) 99.99%

Alat

1. Timbangan elekronik OHAUS GALAXYTM160 2. Kertas timbangan

3. Mortar 4. Spatula

5. Dies (pencetak pelet)

6. Hidraulic Press CARVER (perangkat kompaksi)

7. Elektric Furnace (Advantee KL-600)

8. Wadah untuk sintering bahan 9. XRD (Philips x-ray diffraction)

6

Prosedur Penelitian

Preparasi bahan

Langkah awal yang dilakukan pada penelitian ini adalah mengidentifikasi kemurnian bahan dasar yang digunakan dengan menggunakan x-ray difraction. Pola difraksi yang terbentuk pada dasarnya akan disesuaikan dengan data yang ada pada tabel Hanawalt (metode Hanawalt).13 Metode ini dilakukan dengan cara membandingkan tiga puncak tertinggi pola difraksi dengan data pada tabel Hanawalt. Selain itu, identifikasi bahan dasar juga bisa dilakukan dengan cara mencocokkan semua puncak difraksi dengan data Joint Comite on Powder Diffraction Standards (JCPDS).13 Panjang gelombang λ = 1.54056 Å yang

digunakan alat XRD di PTBIN-BATAN berasal dari atom target CuKα.

Intensitas _– intensitas dari difraksi sinar-x mengikuti hukum Bragg terhadap

berbagai sudut difraksi (βθ), sehingga jarak antar bidang-bidang (d) dari Kristal dapat teridentifikasi.

Metode yang dipakai pada sintesis ini adalah metode padatan. Prosesnya diawali dengan penimbangan bahan sesuai dengan Tabel 1 dan pencampuran bahan dasar Bi2O3, Na2CO3, TiO2, dan BaCO3.

Tabel 1 Massa bahan ditimbang dengan variasi mol dari BT (3%, 7%, 12%).

% mol BT Massa (gram) Penggerusan dilakukan dengan menggunakan mortar selama 4 jam, tujuannya agar semua bahan tercampur homogen dan menjadi lebih halus. Bahan yang telah digerus selanjutnya dikompaksi dengan tekanan 5000 psi dengan menggunakan dies berdiameter 0.5 cm dan 1 cm. Hal ini bertujuan agar campuran menjadi lebih padat dan homogen.

Proses terakhir dari sintesis ini adalah sintering (pemanasan). Pada proses

ini bahan yang telah dikompaksi, dipanaskan pada suhu 1000 0C selama 4 jam. Akan tetapi sebelum sintering, bahan terlebih dahulu dikalsinasi pada suhu 300 0C agar pengotor yang ada pada bahan menguap. Proses kalsinasi ini dilakukan selama 1 jam. Persamaan reaksi :

(1 - x)BNT + xBT BNT – BT

7 Karakterisasi BNT – BT

Analisis XRD

BNT _– BT yang telah disintesis, selanjutnya dikarakterisasi menggunakan (XRD). Sampel hasil sintesis ditempatkan pada suatu spesimen holder kemudian

diletakkan pada difraktometer. Karakterisasi ini dilakukan untuk mengidentifikasi struktur kristal dari BNT _– BT dan menganalisis kondisi optimum perbandingan mol antara BNT dan BT dalam mensintesis bahan piezoelektrik.

Preparasi bahan

Prosedur yang dilakukan pada sintesis BNT – BT – Gd2O3 sama dengan prosedur sintesis BNT _– BT. Sintesis ini dilakukan dengan memvariasikan % berat dari Gd2O3 yaitu 0.4%, 0.7%, 1%, 3%, dan 6%. Variasi berat ini berdasarkan berat total dari BNT – BT. Massa dari masing – masing bahan dasar ditunjukkan pada Tabel 2.

Tabel 2 Massa bahan dasar berdasarkan variasi % berat Gd2O3 % berat

Semua bahan dasar dicampurkan dan digerus dengan menggunakan mortar selama 4 jam. Setelah semua bahan halus digerus, bahan kemudian dikompaksi dengan tekanan 5000 psi dengan menggunakan dies berdiameter 0.5 cm dan 1 cm.

Proses yang selanjutnya adalah melakukan kalsinasi pada suhu 300 0C.

8

Setelah kalsinasi selama 1 jam, proses sintesis diakhiri dengan sintering pada suhu 1000 0C selama 4 jam. Proses ini bertujuan untuk pemadatan dan pematangan. Selain itu, sintering bertujuan untuk proses reaksi kimia antar bahan dasar sehingga menghasilkan kualitas bahan yang lebih tinggi. Proses kalsinasi dan sintering diperlihatkan oleh Gambar 6. Persamaan reaksi :

0.95BNT + 0.05BT + Gd2O3 BNT – BT – Gd2O3

Bi2O3 + Na2CO3 + 5 TiO2 + BaCO3 + Gd2O3 4Bi0.5Na0.5TiO3 – BaTiO3

– Gd2O3 + 2CO2

Karakterisasi BNT – BT – Gd2O3

Analisis XRD

Karakterisasi menggunakan XRD dilakukan untuk melihat struktur kristal yang terbentuk dan membandingkannya dengan struktur kristal BNT – BT serta menganalisis pengaruh tambahan Gd2O3 pada BNT – BT.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisis kemurnian bahan dasar

Bahan dasar yang digunakan adalah Ba2CO3, Bi2O3, Na2CO3, TiO2, Gd2O3. Pola difraksi yang dihasilkan dari bahan dasar ditunjukkan pada Gambar 7. Konfigurasi intensitas terhadap 2 theta untuk bahan dasar BaCO3 memiliki 3 puncak relatif maksimum adalah pada 2 theta BaCO3 (24.020, 240, 42.060) dan dibandingkan dengan data yang ada pada JCPDS (23.80_{, 24.3}0_{, 42.52}0_{) Persentase} perbedaan antara hasil eksperimen dan data JCPDS kurang dari 0.5%, hal ini dimungkinkan adanya pengaruh dari resolusi XRD yang digunakan. Hasil

9 penelusuran dari data-data pada JCPDS menunjukan semua puncak eksperimen mendekati sama dengan JCPDS nomor 41-0373. Adapaun struktur kristal yang dimilki oleh BaCO3 memiliki struktur kristal ortorombik dengan parameter kisi a = 6,433 Å, b = 5,314 Å_{, c = 8,90γ Å dan α = = = 90}0_{. Pada pola difraksi} BaCO3 terdapat puncak asing pada 2 theta 41.940 dan 60.70 (Lampiran 3). Puncak asing ini memiliki intensitas relatif yang kecil sehingga tidak berpengaruh terhadap kemurnian bahan. Munculnya puncak asing ini kemungkinan berasal dari kontaminan pada saat proses identifikasi kemurnian bahan dengan XRD. Secara keseluruhan BaCO3 yang digunakan pada penelitian ini memiliki kemurnian yang bagus.

Berdasarkan data JCPDS 41-1449, struktur kristal dari Bi2O3 berupa

monoklinik dengan parameter kisi a = 5,849 Å, b = 8,169 Å, c = 7,51β Å, α = =

900, dan = 11β,980_{. Puncak-puncak tertinggi yang dihasilkan dari pola difraksi} Bi2O3 (27.220, 32.980, 26.980) memiliki kesamaan dengan puncak – puncak tertinggi pada data JCPDS (27.370, 33.030, 26.990) (Lampiran 3). Persentase perbedaan puncak tertinggi antara hasil eksperimen dan data JCPDS adalah kurang dari 0,5%. Pada pola difraksi Bi2O3 tidak terlihat adanya puncak asing. Hal ini menunjukkan bahwa secara kualitatif bahan BaCO3 yang digunakan memiliki kemurnian yang baik. Persentase perbedaan hasil eksperimen dan data JCPDS kurang dari 0,5%. Pada pola difraksi Na2CO3 tidak terlihat adanya puncak asing, sehingga dapat disimpulkan bahwa secara kualitatif Na2CO3 memiliki kemurnian yang baik.

Pada bahan TiO2, pola difraksi yang dihasilkan memiliki kesamaan dengan data JCPDS 21-1272 (Lampiran 3). Tiga puncak tertinggi dari TiO2 (25.40, 48.10, 37.860) sama dengan tiga puncak tertinggi pada data JCPDS (25.20, 48.090, 37.90). Persentase perbedaan hasil eksperimen dengan data JCPDS pada bahan kurang dari 0,5%. Pada pola difraksi TiO2 juga tidak terdapat adanya puncak asing. Hal ini menunjukkan bahwa secara kualitatif bahan TiO2 yang digunakan memiliki kemurnian yang baik. Berdasarkan data JCPDS, TiO2 memiliki struktur kristal tetragonal dengan paramter kisi a = b = γ,785β Å, c = 9,51γ9 Å, α = = = 900_.

Pada pola difraksi Gd2O3, terdapat tiga puncak tertinggi yaitu (28.60, 47.550, 33.150 ). Sedangkan tiga puncak tertinggi Gd2O3 pada data JCPDS 12 – 0709 adalah (28.50, 47.50, 33.090). Hal ini menunjukkan bahwa puncak pada pola difraksi Gd2O3 memiliki kesamaan dengan puncak pada data JCPDS (Lampiran 3). Persentase perbedaan antara hasil eksperimen dengan data JCPDS kurang dari 0.5%. Pada pola difraksi Gd2O3 tidak teridentifikasi adanya puncak asing. Kondisi ini menunjukkan bahwa bahan dasar Gd2O3 yang digunakan memiliki kemurnian yang bagus. Adapun struktur kristal dari Gd2O3 adalah kubus dengan parameter

10

Sintesis BNT – BT

Sintesis bahan piezoelektrik BNT – BT telah dilakukan dengan metode solid state reaction (reaksi padatan). Parameter _– parameter yang digunakan pada metode ini di adopsi dari proses sintesis BNT yang pernah dilakukan di laboratorium PTBIN. Hasil sintesis ini berupa pelet dengan diameter 0.5 cm dan 1 cm. Setiap variasi sampel menghasilkan satu pelet berdiameter 0.5 cm dan satu pelet berdiameter 1 cm dengan massa sampel 1.5 gram. Sampel yang telah di sintering pada suhu 10000C, selanjutnya dikarakterisasi dengan menggunakan XRD.

Berdasarkan pola difraksi bahan dasar (Gambar 8), terlihat bahwa puncak tertinggi TiO2, berada pada sudut 25.40, Na2CO3 pada sudut 30.440, Bi2O3 pada sudut 27.180 dan BaCO3 pada sudut 23.90. Puncak – puncak tertinggi dari bahan dasar ini menjadi pembanding dengan pola difraksi dari masing _– masing sampel hasil sintesa.

Pola difraksi produk sintesa terlebih dahulu dibandingkan dengan literatur yang ada.5 Keseluruhan produk sintesa dengan penambahan BT (3%, 7%, 12%) pada BNT menunjukkan pola difraksi yang hampir sama dengan literatur. Hal ini membuktikan bahwa proses sintesa dengan metoda solid state reaction untuk sampel-sampel diatas telah berhasil dilakukan. Dengan kata lain bahan-bahan dasar telah bereaksi secara baik dan mendapatkan produk sintesa yang sesuai dengan keinginan.

Pada pola difraksi penambahan BT 3% dan BT 7% tidak menampilkan puncak asing, jika dibandingkan dengan literatur. sehingga rekasi padatan dapat berjalan secara sempurna. Struktur kristal produk sintesa ini berbentuk sistm kristal perovskite.5

Sedangkan untuk pola difraksi penambahan BT 12%, puncak _– puncak yang dihasilkan sudah menunjukkan pola difraksi dari bahan piezoelektrik dengan struktur perovskite, sebagaimana terlihat pada puncak-puncak utamanya. Akan tetapi, pada kondisi ini masih terdapat puncak – puncak asing yang berasal dari

11 bahan dasar yaitu pada sudut 25,60 _{dan 47.25}0 _{dengan intensitas relatif yang kecil.} Kedua puncak ini merupakan puncak tertinggi pertama dan kedua dari TiO2, sehingga dapat dinyatakan bahwa puncak tersebut adalah TiO2. Munculnya puncak bahan dasar mengindikasikan bahwa bahan tidak tersintesis secara sempurna. Selain puncak bahan dasar, juga terdapat puncak asing yang berasal bukan dari bahan dasar yaitu pada sudut 21,20 dan 44,20. Puncak asing ini kuat kemungkinan berasal dari kontaminan pada saat proses sintesis.

Pada pola difraksi penambahan BT 3% ke BT 7%, terlihat terjadi pergeseran sudut (2-theta) ke arah kanan. Pergeseran sudut ke arah kanan mengakibatkan jarak antar bidang menjadi bertambah kecil (hukum Bragg). Pergeseran sudut juga akan merubah parameter kisi dari kristal. Sehingga dapat dinyatakan bahwa variasi penambahan BT pada BNT dapat berpengaruh besar pada struktur BNT.

Analisis struktur BNT – BT

Puncak-puncak pada sudut-sudut diatas (Gambar 9) memiliki sifat kesimetrisan dan ketidak simetrisan yang sangat berguna untik mengindikasikan bidang yang terdifraksi secara overlapping atau tidak. Adapun bidang-bidang tersebut , sebagimana ditunjukkan dalam literatur adalah berupa bidang-bidang (110), (101), (002) dan (200).8

BNT murni memiliki struktur perovskite rhombohedral dan BT memiliki struktur perovskite tetragonal.5 Pada sistim kristal rhombohedral, bidang (110), (101), dan (011) atau bidang (002), (200), dan (020) memiliki jarak antar bidang (d) yang sama dan 2 theta yang sama. Pada gambar. (a) dan gambar. (b) terlihat tiga puncak yang berbeda dengan 2 theta yang berbeda. Pada pola difraksi penambahan BT 3%, puncak yang dihasilkan bersifat simetris pada bidang (110) dan bidang (002). hal ini menunjukkan bahwa pada penambahan BT 3% struktur yang dihasilkan adalah rhombohedral.

(a) (b)

12

Pada sistem kristal tetragonal, jarak antar bidang dan 2 theta dari bidang (110) dengan (101) atau bidang (002) dengan (200) berbeda. Perbedaan jarak antar bidang ini ditunjukkan dengan adanya dua puncak yang saling berdekatan (overlapping). Pada pola difraksi penambahan BT 7%, puncak yang terbentuk bersifat tidak simetris. Pada daerah ini terlihat adanya dua puncak yang saling berdekatan (overlapping) yaitu pada 2 theta 32.90 dan 330 dengan bidang (110) dan (101) (gambar. a) dan pada 2 theta 46.95 dan 47.05 dengan bidang (002) dan (200) (gambar b). Munculnya 2 puncak tersebut disebabkan oleh variasi komposisi dari BT. Puncak yang berdekatan ini menunjukkan bahwa struktur dari bahan tidak murni rhombohedral. Pada keadaan ini mulai terjadinya perubahan fasa dari rhombohedral ke tetragonal.

Pada pola difraksi penambahan BT 12%, puncak yang terbentuk bersifat tidak simetris. Jika dibandingkan dengan BT7%. Puncak yang berdekatan berada pada 2 theta 32.50 _{dan 32.7}0 _{dengan bidang (110) dan(101) dan pada 2 theta} 46.850 dan 47.050 dengan bidang (002) dan (200). Jarak antar puncak yang berdekatan lebih besar dibandingkan pada penambahan BT 7%, sehingga selisih d (110) dan d (101) pada penambahan BT 12% akan semakin besar. Hal ini menunjukkan bahwa pada penambahan BT 12% struktur yang terbentuk sudah dominan tetragonal.

Berdasarkan analisis diatas dapat disimpulkan bahwa pada penambahan BT 3%, struktur yang terbentuk adalah rhombohedral, pada penambahan BT 7% terjadi perubahan fasa dari rhombohedral ke tetragonal dan pada penambahan BT 12% struktur yang terbentuk lebih dominan tetragonal. Hal ini sesuai dengan diagram fasa BNT – BT (Gambar 3).11 Pada penambahan BT 7% terjadi perubahan struktur dari rhombohedral ke tetragonal. Pada daerah ini merupakan daerah Morphottropic Phase Boundary (MPB). Sifat dielektrik dan sifat piezoelektrik yang baik terjadi di daerah MPB.5 _{Sebagaimana sebelumnya pernah} dilakukan oleh Chenggang xu yang menunjukkan bahwa pada daerah MPB harga parameter – parameter piezoelektrik bernilai maksimum.5

Sintesis BNT – BT – Gd2O3

Metode yang digunakan pada sintesis BNT – BT – Gd2O3 ini sama dengan metode pada sintesis BNT _– BT. Parameter yang dipakai pada sintesis ini juga sama dengan parameter pada sintesis BNT – BT. Sintesis ini dilakukan dengan memvariasikan % berat dari Gd2O3. Sintesis ini mengacu pada sintesis BNT – 7% BT, karena pada komposisi ini merupakan daerah MPB dari BNT _– BT. Hasil sintesis ini berupa pelet dengan diameter 0.5 cm dan 1 cm. Beberapa variasi sampel menghasilkan jumlah pelet yang berbeda – beda (3 - 5) buah pelet. Hal ini dikarenakan massa Gd2O3 yang digunakan sangat kecil sehingga massa dari setiap variasi harus diperbesar untuk meminimalisasi pengurangan Gd2O3 pada saat penimbangan.

Pola difraksi hasil sintesis terlebih dahulu dibandingkan dengan pola difraksi pada literature (Gambar 10).8 _{Pada literatur, sintesis yang dilakukan} adalah BNT – BKT – (0.4% wt)Gd2O3. Secara keseluruhan semua variasi sampel (0.4%, 0.7%, 1%, 3%, 6%) memiliki puncak – puncak yang sama dengan puncak

13

masing sampel telah bereaksi dengan baik dan mendapatkan hasil sintesa yang baru. Struktur kristal hasil sintesa ini berbentuk sistem kristal perovskite.8

Pada pola difraksi penambahan Gd2O3 (0.4%, 0.7%, 1%), tidak teridentifikasi adanya puncak asing yang muncul, hal ini menunjukkan bahwa campuran bahan dasar dengan Gd2O3 tersintesis dan bereaksi dengan baik. Pada penambahan 3% Gd2O3 dan 6% Gd2O3, puncak – puncak yang dihasilkan secara keseluruhan sama dengan puncak _– puncak pada literatur dengan struktur perovskite. Akan tetapi, pada komposisi ini teridentifikasi adanya puncak asing yang muncul.

Pada pola difraksi penambahan 3% Gd2O3, terlihat munculnya satu puncak asing yaitu pada 2 theta 30.40. Jika dibandingkan dengan puncak – puncak tertinggi dari bahan dasar, puncak tersebut mengindikasikan puncak bahan dasar Na2CO3 (30.440). Munculnya puncak bahan dasar mengindikasikan bahwa bahan tidak tersintesis dengan sempurna. Pada penambahan 6% Gd2O3 juga teridentifikasi adanya satu puncak asing yaitu pada 2 theta 20.150. Jika dilihat dari puncak – puncak tertinggi bahan dasar, puncak asing ini tidak mewakili puncak –

puncak tertinggi dari bahan dasar, sehingga besar kemungkinan puncak ini berasal dari kontaminan pada saat proses sintesis.

Analisis struktur BNT – BT – Gd2O3

Pada penambahan 0.4% Gd2O3 (Gambar 11), puncak yang terbentuk bersifat tidak simetris. Pada daerah ini terlihat adanya dua puncak yang saling berdekatan (overlapping) yaitu pada 2 theta 46.850 dan 470. Pada puncak yang overlapping menunjukkan bahwa terdapat dua bidang yang sangat berdekatan (002) dan (200), sehingga jarak antar bidang dari masing – masing bidang berbeda.15 Perbedaan ini mengindikasikan bahwa fasa yang terbentuk tidak murni rhombohedral. Pada puncak overlapping ini mengindikasikan terjadinya transformasi fasa dari rhombohedral ke tetragonal.

14

Pada pola difraksi penambahan 0.7% dan 1% Gd2O3 (Gambar 11), tidak teridentifikasi adanya puncak yang overlapping. Pada komposisi ini puncak pola difraksi yang terbentuk bersifat simetris pada bidang (002). Hal ini menunjukkan bahwa pada penambahan 0.7% dan 1% Gd2O3 struktur kristal yang terbentuk adalah rhombohedral.

Bidang (002) pada penambahan 0.4% Gd2O3 berada pada 2 theta 46.850. Pada penambahan 0.7% Gd2O3, bidang (002) berada pada 2 theta 46.650. Sedangkan pada penambahan 1% Gd2O3, bidang (002) berada pada 2 theta 46.400. hal ini mengindikasikan bahwa telah terjadi pergeseran 2 theta pada bidang (002) seiring dengan penambahan Gd2O3 pada BNT – BT. Semakin besar % berat Gd2O3 yang diberikan, maka 2 theta dari bidang (002) semakin kecil dan jarak antar bidang (002) akan semakin besar.

Pada penambahan 3% dan 6% Gd2O3, terlihat bahwa puncak yang dihasilkan bergeser kearah kanan. Keadaan ini bertolak belakang dengan penambahan 0% - 1% Gd2O3. Hal ini disebabkan oleh penambahan Gd2O3 yang

15

Harga parameter kisi (a) dari rhombohedral dan tetragonal mengalami kenaikan seiring dengan penambahan komposisi Gd2O3 (0%, 0.4%, 0.7%, 1%). Hal ini disebabkan karena jarak antar bidang (d) dari BNT _– BT _– Gd2O3 meningkat seiring dengan penambahan Gd2O3. Pada penambahan 3% dan 6% Gd2O3, harga parameter kisinya menurun dibandingkan dengan harga parameter kisi pada penambahan 1% Gd2O3. Hal ini disebabkan oleh penambahan Gd2O3 yang cukup banyak sehingga puncak pola difraksinya bergeser ke kanan (2 theta semakin besar) dan jarak antar bidang semakin kecil.

Gambar 12 mempresentasikan perbandingan harga parameter kisi (c) dengan (a) dari hasil kalkukasi parameter kisi dengan menggunakan persamaan tetragonal. Teknik perbandingan harga parameter kisi ini sebelumnya telah dipakai oleh Takafumi Maeda untuk menentukan daerah MPB dari bahan piezoelektrik.16 Pada penambahan 0.4% Gd2O3 dan 0.7% Gd2O3 terlihat grafik yang mengalami penurunan nilai c/a yang tajam. Sedangkan pada penambahan 1%, 3%, dan 6% Gd2O3, grafik yang dihasilkan cendrung bersifat asimtotik. Adanya penurunan nilai c/a yang tajam pada penambahan 0.4% Gd2O3 dan 0.7% Gd2O3 menunjukkan bahwa pada rentang komposisi inilah daerah MPB berada.16

16

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Sintesis bahan piezoelektrik BNT _– BT dan sintesis BNT _– BT _– Gd2O3 dengan metode solid state reaction menghasilkan struktur perovskite. Sintesis ini

dilakukan dalam beberapa tahapan yaitu preparasi bahan, penggerusan, kompaksi, kalsinasi, sintering dan karakterisasi sampel. Hasil sintesis ini berupa pelet dengan diameter 0.5 cm dan 1 cm.

Bahan dasar yang digunakan pada sintesis BNT – BT dan BNT – BT –

Gd2O3 memiliki kemurnian yang bagus dan layak digunakan untuk proses sintesis ini. Sintesis BNT _– BT menghasilkan sampel berupa pelet sebanyak dua buah setiap variasi. Sintesis BNT – BT – Gd2O3 menghasilkan sampel berupa pelet 3 – 5 buah untuk setiap variasi.

Sintesis BNT dengan penambahan 3% BT memiliki struktur kristal rhombohedral. Pada penambahan 7% BT terjadi transformasi fasa dari rhombohedral ke tetragonal (MPB). Pada komposisi penambahan 12% BT struktur kristal yang terbentuk adalah dominan tetragonal.

Sintesis BNT _– BT _– Gd2O3 mengacu pada sintesis BNT – 7% BT. Pada penambahan 0%, 0.4%, 0.7%, 1% Gd2O3 harga parameter kisinya semakin besar seiring dengan penambahan Gd2O3. Pola difraksi XRD pada BNT – BT dengan

Perlu adanya analisa dengan Scanning Electron Microscope (SEM) untuk melihat morfologi dari bahan. Untuk melihat daerah MPB pada sintesis bahan piezoelektrik BNT _– BT _– Gd2O3 perlu dilakukan pengamatan pada komposisi 0.4% - 0.7% Gd2O3. Perlu dilakukan pengamatan lanjut pada variasi 1% - 6% Gd2O3 untuk melihat perubahan struktur yang terjadi. Analisa struktur dengan metode Rietveld sangat dibutuhkan untuk melihat struktur kristal bahan dengan lebih valid. Untuk penelitian selanjutnya disarankan untuk mengukur konstanta dielektrikum, suhu curie, pengukuran kurva histerisis dan konstanta piezoelektrik dari BNT _– BT _– Gd2O3.

DAFTAR PUSTAKA

1. Sanusi, Muhammad. The converter circuit for piezoelectrik power generation.

[tesis]. 2009. Malaysia. Faculty of Electronic and Computer Engineering, Universiti Teknikal Malaysia Melaka.

17 http://majalahenergi.com/forum/energi-baru-dan-terbarukan/bentuk-energi-baru/disko-sambil-menghasilkan-energi-listrik-mengapa-tidak.

3. Cao, Y., G. Sheng, J. X. Zhang, S. Choudhury, Y. L. Li, C. A. Randall, and L. Q. Chen. Piezoelectric response of single-cr_{ystal PbZr1−}xTixO3 near morphotropic phase boundary predicted by phase-field simulation. Applied phisics letters 2010, 97.

4. Seifert, Klaus. Lead – free piezoelectric ceramics. [disertasi]. 2010.

Monchengladbach. Vom Fachbereich Material- und Geowissenschaften der Technischen Universität Darmstadt.

5. Xu, Chenggang, dkk. Structure, electrical properties and depolarization temperature of (Bi0.5Na0.5)TiO3 – BaTiO3 lead-free piezoelectric ceramics.

Solid state sciences, 2007, vol 10 (934 – 940).

6. Fu, Peng dkk. Gd2O3 doped 0.82Bi0.5Na0.5TiO3–0.18Bi0.5K0.5TiO3 lead-free piezoelectric ceramics.Materials and Design,2012, 35 (276 - 280).

7. Pena, M.A dan J.L.G. Fierro. Chemical struktur and performance of perovskite oxides. Chem 2001, 101 (1981 - 2017).

8. Hsiao-Lin, Wang. Structure and Dielectric Properties of Perovskite - Barium Titanate (BaTiO3). 2002. San Jose State University.

9. Bretos, Inigo dkk. Evidence of morphotropic phase boundary displacement in lead-free (Bi0.5Na0.5)1−xBaxTiO3 polycrystalline thin films. Materials letters,

2011, 65 (2714 - 2716). Institut Ciencia de Materials de Madrid.

10.Moharana, Prajna Lipsa. Synthesis and characterization of BNT ferroelectric ceramic by auto – combustion technique. [disertesi]. 2012. Rourkela.

Department of Physics, National Institute of Technology.

11.Haertling, Gene H. Ferroelectric cermics:History and technology. J.Am. Ceram. Soc, 1999 vol 4 No 4 (797 - 818).

12.Ibrahim, Abdel-Baset M.A dkk. Morphotropic phase boundary in ferroelectric materials. Ferroelectrics – Physical Effects. 2011. School of

Physics and Material Sciences, Faculty of Applied sciences, Universiti Teknologi MARA, Selangor.

13.Cullity, B.D. Element of X – Ray Difraction. Addison – wesley publishing.

1956. United states of America.

14.Ahda, Syahfandi. Synthesis of lead free piezoelectric BNT ceramic using solid state reaction method. LIPI 452, 2010. Center for Technology of Nuclear Industry Materials-National Nuclear Energy Agency

15.Fu, Peng dkk. Piezoelectric, ferroelectric and dielectric properties of Sm2O3–

doped (Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3 lead – free ceramics. 2010. Materials Chemistry and Physic 124 (1065 - 1070). Liaocheng University.

16.Maeda, Takafumi dkk. Piezoelectric properties of Li – Doped (K0.48Na0.52)NbO3 ceramics synthesized using hydrothermally – derivered

18

20

22

Lampiran 4 Foto alat penelitian

Mortar Hidraulic Press CARVER

Electric Furnace x – diffraction (XRD)

Lampiran 5 Foto bahan – bahan penelitian

23

(BaCO3) 99.99% (Gd2O3) 99.99%

Lampiran 6 foto BNT - BT

0.97 BNT – 0.03BT 0.93 BNT – 0.07 BT

24

Lampiran 7 foto BNT – BT – Gd2O3

0.95 BNT – 0.05 BT – 0.4% wt Gd2O3 0.95 BNT – 0.05 BT – 0.7% wt Gd2O3

0.95 BNT _– 0.05 BT _– 1% wt Gd2O3 0.95 BNT – 0.05 BT – 3% wt Gd2O3

25

RIWAYAT HIDUP