305
KARAKTERISTIK LISTRIK KERAMIK FILM TEBAL CuFe
2O
4:
10% MOL MgO YANG DIBAKAR PADA SUHU 800
OC
DI MEDIA UDARA DAN GAS ETANOL
Wiendartun
1, Dani Gustaman Syarif
2dan Dede Luthpy Abdulah
11Jurusan Fisika FMIPA UPI, Jl.Dr Setiabudhi 229 Bandung 40154, E-mail: [email protected] 2
PTNBR BATAN, Jl.Tamansari 71 Bandung, E-mail: [email protected]
ABSTRAK
KARAKTERISTIK LISTRIK KERAMIK FILM TEBAL CuFe2O4 : 10% MOL MgO YANG
DIBAKAR PADA SUHU 800OC DI MEDIA UDARA DAN GAS ETANOL. Telah dilakukan
pembuatan keramik film tebal CuFe2O4:10% mol MgO dan karakterisasi listriknya di media udara dan
gas etanol. Keramik film tebal CuFe2O4:10% mol MgO dibuat dengan mencampurkan serbuk CuO,
Fe2O3 dan MgO masing-masing dengan konsentrasi 45 % mol, 45% mol dan 10 % mol. Serbuk digerus
dan diayak dengan ayakan ukuran 38 mikron. Serbuk campuran dicampur dengan frit gelas sebanyak 5
% berat. Campuran serbuk utama (CuFe2O4:10% mol MgO) dan frit kemudian dicampur dengan
organic vehicle dengan komposisi masing-masing 70 % berat dan 30 % berat hingga membentuk pasta. Pasta kemudian dilapiskan pada substrat alumina dengan teknik screen printing. Film tebal mentah
pada substrat alumina dibakar pada suhu 800oC selama 30 menit di media udara. Karakteristik
listriknya dievaluasi dengan mengukur tahanan listrik pada berbagai suhu di dua media berbeda yaitu
udara dan gas etanol. Data difraksi sinar-x (XRD) menunjukkan bahwa film tebal berbasis CuFe2O4
telah terbentuk dengan baik dan berstruktur kristal spinel tetragonal. Aditif MgO ternyata bereaksi
dengan substrat dan Fe2O3 membentuk MgFeAlO4. Hasil evaluasi memakai SEM memperlihatkan
bahwa film tebal yang dibuat mempunyai ukuran butir rata-rata 0,6 µm. Hasil karakterisasi sifat listrik
menunjukkan bahwa film tebal CuFe2O4 yang dibakar pada suhu 800oC mempunyai karakteristik
semikonduktor dan sensitif terhadap gas etanol di mana gas etanol menurunkan tahanan listrik sampel
keramik film tebal CuFe2O4. Kenaikan konsentrasi gas etanol menurunkan harga tahanan listrik sampel
keramik film tebal CuFe2O4.
Kata kunci: keramik, film tebal, sensor gas ,CuFe2O4, MgO
ABSTRACT
ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF CuFE2O4:10% MOL MgO THICK FILM
CERAMICS FIRED AT 800OC IN AIR AND ETHANOL GAS MEDIUM
.
Fabrication ofCuFe2O4:10% mol MgO thick film ceramics and electrical characterization of the ceramics in air and
ethanol gas medium have been carriedout. The ceramics were made by mixing powder of CuO, Fe2O3
dan MgO with concentration of 45 % mol, 45% mol dan 10 % mol respectively. The powder was ground and sieved with using a 38 micron sieve. The ceramic powder was then mixed with frit powder with concentration of 5 weight %. The mixture of ceramic powder and frit was mixed with organic vehicle with composition of 70 weight % and 30 weight % to form a paste. The paste was screen printed on
alumina substrate using screen printing method. The green thick film was fired at 800oC for 30 minutes
in air. Electrical characteristics of the ceramics was evaluated by measuring electrical resistance at various temperatures in air and ethanol gas mediums. XRD data showed that the thick films have been well fabricated and crystallized in spinel tetragonal. SEM analyses showed that the thick film has grain size about 0.6 micron. The electrical data showed the thick film has semiconductor characteristic and sensitive to ethanol gas where the ethanol gas decreased the resistance of the ceramics. The increase of the ethanol gas concentration decreased the electrical resistance of the CuFe2O4 thick film ceramics.
306
Keywords: ceramic, thick film, gas sensor, CuFe2O4, MgO
1. PENDAHULUAN
Dewasa ini masalah lingkungan kerap menjadi sorotan dan perhatian berbagai pihak, khususnya dalam penanganan pencemaran udara yang dapat menimbulkan dampak negatif. Untuk mengatasi masalah ini salah satu langkah yang dapat dilakukan adalah usaha pembuatan divais untuk monitoring gas. Pembuatan komponen elektronik ini dapat diwujudkan dengan mengoptimalkan mineral-mineral yang ada di alam, termasuk sumber daya alam mineral yang ada di Indonesia yang jumlahnya cukup melimpah dan belum sepenuhnya dimanfaatkan secara maksimal. Mineral dapat dimanfaatkan untuk pembuatan divais elektronik untuk mendeteksi gas.
Salah satu bahan yang dapat dimanfaatkan untuk sensor gas adalah bahan keramik semikonduktor oksida dari unsur-unsur transisi di alam. Bahan keramik semikonduktor oksida ini reaktif terhadap berbagai jenis gas [1]. Salah satunya adalah keramik CuFe2O4 yang
berbasis keramik spinel dengan rumus umum AB2O4 dengan A adalah ion logam dengan
valensi +2 dan B adalah ion logam dengan valensi +3. Keramik CuFe2O4 ini digunakan
secara luas sebagai soft magnet dan katalis [2]. Dari segi ekonomi keramik CuFe2O4 dapat
dibentuk oleh oksida besi seperti FeO, Fe2O3
atau Fe3O4 dan oksida Cu sebagai unsur
keramik matriks utama. Struktur kristal spinel dari keramik CuFe2O4 memiliki sifat yang khas
dimana perubahan konduksi listriknya berlangsung melalui konduksi “ hopping
conduction” [3,5].
Penelitian yang sama pada suhu 11000C telah dilakukan [10], sedangkan pada penelitian ini dipelajari tentang karakteristik listrik keramik film tebal CuFe2O4 yang ditambah 10
% mol MgO yang dibakar pada suhu 8000C di udara.Secara hipotesis keramik CuFe2O4 yang
ditambah MgO akan memiliki butir yang lebih kecil dari pada keramik CuFe2O4 murni. Selain
itu suhu 8000C adalah suhu yang cukup tinggi untuk pembuatan film tebal sehingga secara teoritis reaksi pembentukan keramik CuFe2O4
akan berlangsung dengan baik, tetapi disisi lain kemungkinan dapat terjadi reaksi antar berbagai komponen pembentuk keramik film tebal. Sejauh mana sintesis dapat dilakukan dengan baik dan sejauh mana respon keramik
yang dibuat terhadap gas etanol dipelajari pada penelitian ini.
2. METODE PENELITIAN 2.1. Preparasi Serbuk
Bahan yang digunakan yaitu serbuk CuO, Fe2O3 dan MgO ditimbang sesuai dengan
komposisinya. Serbuk CuO, Fe2O3 dan MgO
masing-masing dengan konsentrasi 45% mol, 45% mol, dan 10% mol. Masing-masing bahan secara terpisah digerus, disaring, dan kemudian bahan pendoping dicampurkan terhadap CuO-Fe2O3 sebesar 10% mol. Serbuk digerus hingga
halus. Setelah digerus kemudian dilakukan penyaringan dengan menggunakan saringan (lolos ayakan 38 mikron). Setelah dilakukan penimbangan, campuran bahan CuO dan Fe2O3
ditambah dengan MgO sebanyak 10% mol dari total bahan utama yang diinginkan. Selanjutnya dilakukan penggerusan kembali sampai semua bahan tercampur rata.
2.2. Pembuatan Pasta
Pasta yang dibuat dalam penelitian ini merupakan campuran antara senyawa keramik sensor, frit gelas dan OV (organic vehicle atau senyawa organik). Frit gelas dibuat dari campuran antara serbuk PbO, SiO2 dan B2O3
dan OV dibuat dari campuran α-terpineol dan
Ethyl Cellulose. Senyawa keramik utama
adalah campuran keramik sensor (CuFe2O4:
10% mol MgO) dan 5 % berat frit. Pasta dibuat dengan mencampur keramik utama dan OV dengan komposisi masing-masing 70% dan 30% berat.
2.3. Pembuatan Film Tebal
Pasta dilapiskan pada substrat alumina dengan teknik screen printing. Film tebal yang terbentuk dibakar pada suhu 800oC selama 30 menit di udara. Secara skematis pembuatan film dengan teknik screen printing
307
Gambar 1. Proses penyaputan menggunakan rakel (squeegee) pada proses screen printing dengan teknik snapp-off [4].2.4. Karakterisasi dan Analisis
Untuk memastikan bahwa film tebal CuFe2O4: 10% mol MgO telah terbentuk
dengan baik dan mengetahui fase-fase lain yang terbentuk, maka dilakukan analisis dengan difraksi sinar-x. Untuk mengetahui struktur mikronya, film tebal CuFe2O4: 10%
mol MgO yang telah disinter kemudian dianalisis menggunakan SEM. Karakterisasi listrik dilakukan setelah film tebal hasil pembakaran dilapisi dengan pasta konduktif perak (electroding) dan dipanaskan pada suhu 550 oC selama tujuh menit. Penempelan pasta konduktif perak ini sebagai kontak pada film tebal sehingga dapat diukur karakteristik listriknya. Untuk mengetahui respon sampel keramik film tebal CuFe2O4 yang dibakar pada
suhu 800 oC terhadap gas yang diujikan (etanol), dilakukan pengukuran sifat listrik film tebal CuFe2O4 pada kondisi atmosfer udara dan
kondisi atmosfer etanol untuk berbagai konsentrasi dari suhu 100 oC hingga 300 oC.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Analisis Difraksi Sinar-X
Sintesis keramik film tebal CuFe2O4
dengan aditif MgO sebanyak 10% pada suhu pembakaran 800 oC telah dilakukan dengan baik. Sampel film tebal CuFe2O4 yang telah
dibuat dengan metode screen printing ini dianalisis dengan difraksi sinar-x untuk mengetahui struktur kristalnya. Difraktogram sampel film tebal CuFe2O4 : MgO, 10% mol
diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Pola difraksi sinar-x film tebal CuFe2O4 : 10 mol MgO yang dibakar pada suhu
800oC selama 30 menit.
Sampel CuFe2O4 pada substrat alumina
(Al2O3) dipindai ( scan ) pada sudut 2θ dari 100
sampai 900. Pola difraksi ini bersesuaian dengan pola difraksi struktur kubic spinel dari JCPDS No.22-1012 [8]. Adanya puncak– puncak ini menunjukkan bahwa sampel yang disinter suhu 800oC mengalami proses pendinginan yang relatif lambat. Tidak hadirnya fase Fe2O3 dan CuO menunjukkan
bahwa pada suhu sinter 800oC bahan keramik semikonduktor oksida tersebut bereaksi dengan sempurna dan menghasilkan CuFe2O4 spinel.
Dari pola difraksi pada Gambar 2 dapat dilihat munculnya puncak-puncak orientasi kistal CuFe2O4. Dilihat dari data yang ditunjukkan,
pada suhu pembakaran 800oC lebih banyak muncul fase yang lain. Parameter kisi CuFe2O4:MgO pada temperatur pembakaran
800oC menghasilkan a = b = 5, 80 Ao dan c = 8,81Ao Keberadaan MgO yang tidak terdeteksi kemungkinan sebagian MgO larut dan sebagian tidak, yang tidak larut jumlahnya lebih kecil daripada ketelitian alat. Kemungkinan lain MgO bereaksi dengan Alumina dan Fe2O3
membentuk MgFeAlO4 tetapi puncak-puncak
senyawa ini tidak terlihat. Reaksi semacam itu dimungkinkan terjadi karena suhu pembakaran relatif tinggi. Puncak lainnya pada Gambar 2 berasal dari sunstrat alumina setelah dianalisis dengan data pola difraksi standar corundum JCPDS No.46-1212[9]. Kemungkinan munculnya puncak-puncak tambahan selain puncak-puncak spinel CuFe2O4 disebabkan film
tebal yang dibuat cukup tipis. Intensitas (Cps) 2 1 1 1 1 2 2 0 2 22 0 2 0 4 FeO2 3 3 2 1 2 2 4 (A l2 O3 ) 4 0 0 (A l2 O3 ) (A l2 O3 ) (A l2 O3 ) (C u O ) F e2 O3
2 (Derajat)
308
3.2. Struktur Mikro
Struktur mikro dari keramik film tebal CuFe2O4: MgO 10% mol diperlihatkan pada
Gambar 3. Hasil evaluasi memakai SEM memperlihatkan bahwa film tebal yang dibuat mempunyai rongga-rongga yang cukup besar dengan butir yang relatif kecil. Ukuran butir keramik sebagian cenderung lebih kecil dengan distribusi ukuran butir yang sempit dimana perbedaan antara satu butir dan butir lainnya kecil. Jika tidak larut padat, MgO tersegregasi pada batas butir CuFe2O4 yang akan mencegah
pertumbuhan butir dan akan tersisa pori pada batas butir. Konsekuensi dari peristiwa ini adalah tahanan listrik keramik film tebal CuFe2O4: 10% mol MgO kemungkinan
menjadi lebih besar karena terjadi peningkatan jumlah batas butir yang menghalangi gerak elektron yang berarti keramiknya menjadi lebih resistif. Adanya sebagian kecil pori yang relatif besar dimungkinkan terjadi karena adanya material sampel yang menguap ketika disinter di udara sehingga menimbulkan pori yang relatif besar pada struktur mikronya. Keramik film tebal ternyata cukup poros dan sesuai untuk sensor gas.
Gambar 3. Struktur mikro keramik film tebalCuFe2O4 :10% mol MgO yang dibakar pada
suhu 800oC selama 30 menit.
Hasil karakterisasi SEM (Scanning
Electron Microschope) untuk film tebal
CuFe2O4diperlihatkan pada Gambar Gambar 3.
Dari Gambar 3 (A) diperlihatkan lapisan penampang film tebal yang dibuat sehingga dapat diketahui ketebalan dari lapisan film tebal tersebut. Dari Gambar 3 (B) dan 3 (C) diperlihatkan morfologi butir dan pori, sedangkan morfologi butir dan pori yang lebih jelas di tunjukkan pada Gambar 3 (D). Dari
Gambar 3 terlihat bahwa film tebal CuFe2O4
dapat dicetak di atas substrat Al2O3 yang
dibakar pada temperatur 800oC dengan lama waktu pembakaran selama 30menit. Dari hasil analisis SEM diperoleh bahwa ukuran butir untuk temperatur pembakaran 800oC, potret penampang lintang dan permukaan film dapat diperoleh bahwa ketebalan rata-rata film tebal dan ukuran rata-rata butir dari film CuFe2O4
yaitu sekitar 34,89 µm dan 0,6 µm.
3.3. Karakteristik Listrik
Pada Gambar 4, data listrik film tebal CuFe2O4 dengan suhu bakar 800oC dalam
medium udara dan gas etanol memperlihatkan bahwa keramik film tebal mempunyai karakteristik semikonduktor dimana tahanan listriknya menurun seiring dengan kenaikan suhu. Penurunan tahanan listrik disebabkan adanya penambahan elektron yang merupakan pembawa muatan akibat peningkatan suhu. Bertambahnya elektron ini menyebabkan naiknya harga konduktivitas listrik sampel CuFe2O4 dan turunnya harga tahanan listrik
ketika diukur di media udara. Gambar 4 memperlihatkan juga bahwa keramik yang dibuat sensitif terhadap gas etanol di mana etanol menurunkan harga tahanan listrik keramik tersebut. Karakteristik listrik sampel CuFe2O4 ketika diberi gas etanol yang telah
diuapkan menunjukkan perubahan tahanan listrik yang menurun cukup signifikan dari suhu CuFe2O4 untuk penambahan konsentrasi
gas etanol yang dimasukkan. Rentang suhu ini dapat dikatakan sebagai suhu operasi sampel CuFe2O4 dalam mendeteksi gas etanol .
Dari Gambar 4 dapat ditunjukkan bahwa dengan penambahan konsentrasi gas etanol kurva cenderung berimpit pada selang suhu relative tinggi. Perubahan yang signifikan terjadi pada suhu yang relatif rendah antara 3500C sampai 450 0C. Daerah ini cukup baik untuk aplikasi sebagai sensor gas etanol. Pada daerah suhu antara 450 0C sampai 5000C tampak kurva cenderung konstant. Kurva dengan konsentrasi gas yang lebih sedikit berada dekat kurva tahanan listrik di udara dan kurva dengan konsentrasi gas lebih besar berada di bawah kurva dengan konsentrasi gas yang lebih kecil. Hal ini berarti penambahan konsentrasi gas etanol menurunkan harga tahanan listriknya. Tahanan listrik yang menurun akibat kehadiran gas etanol yang dimasukkan ke dalam tabung dibandingkan saat diukur di atmosfer udara seperti pada gambar 4 menunjukkan bahwa telah terjadi peristiwa
309
reduksi oleh gas etanol. Akibat peristiwa ini sejumlah elektron dihasilkan di pita konduksi. Karena penambahan elektron ini, maka tahanan listrik keramik film tebal CuFe2O4 mengecil.Jadi gas etanol berperan sebagai donor yang mentransfer elektron ke semikonduktor seperti CuFe2O4 Akibat peristiwa ini elektron-elektron
koduksi dibangkitkan di dalam sampel CuFe2O4 sehingga konduktivitasnya meningkat
[6]. Hal ini pula yang terjadi ketika konsentrasi etanol ditambah dari 180.5 ppm menjadi 352,8 ppm, sehingga terjadi penurunan harga tahanan listrik karena semakin besar konsentrasi etanol yang diuapkan, maka semakin besar pula transfer elektron ke pita konduksi. Data karakteristik listrik ini memberikan gambaran bahwa keramik CuFe2O4 :10 % mol MgO yang
dibuat pada suhu 800oC, mempunyai potensi sebagai sesor gas etanol.
350 400 450 500 550 600 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Ro Rg1etanol Rg2etanol res istans i( M .Ohm) Suhu (K)
Gambar 4. Kurva karakteristik R-T film tebal.
Gambar 4 menunjukkan kurva karakteristik R-T film tebal CuFe2O4 untuk suhu pembakaran
800oC. Ro (resistansi film tebal tanpa gas), Rg1
(resistansi film tebal dengan gas etanol 180.5ppm) dan Rg2 (resistansi film tebal dengan
gas tanol 352.8ppm). 0.0016 0.0018 0.0020 0.0022 0.0024 0.0026 0.0028 0.0030 0 1 2 3 4 5 6 Ln(Ro) Ln(Rg1)etanol Ln(Rg2)etanol L n (R ) 1/T
Gambar 5. Grafik Ln (R) terhadap 1/T untuk film tebal CuFe2O4 untuk Tpembakaran 800oC.
Selanjutnya pada daerah aktif tersebut gas uji mengalami reaksi kimia dengan ion-ion oksigen yang berada di permukaan sensor, sehingga terbentuk molekul-molekul gas lain yang hasilnya tidak sama dengan gas awal. Seperti yang ditunjukkan pada persamaan reaksi di bawah ini:
dan
Sebagai akibat dari reaksi tersebut, maka terjadi pengurangan konsentrasi gas, selain itu pengaruh dari reaksi tersebut akan menurunkan barrier pada sensor yang telah dibuat. Dari hasil analisis data pada gambar 5 dengan menghitung gradient dari grafik Ln (R) terhadap 1/T yang diperoleh, pada temperatur pembakaran 800oC dihasilkan konnstanta termistor dan energi aktivasi masing-masing B = 4414.05 (K) dan Ea = 0,38 (eV). Dari grafik 5
terlihat bahwa dengan penambahan gas etanol mengakibatkan resistansinya menurun (Rg<Ro).
Hasil itu disebabkan karena terjadi reaksi reduksi antara gas etanol dengan sensor yang mengakibatkan terjadinya penurunan nilai resistansi. Namun untuk sampel yang dibakar pada suhu 800oC perubahan nilai resistansi cukup terlihat untuk konsentrasi tertentu. Akibat penambahan gas etanol pengukuran R-T, menghasilkan Rg yang lebih kecil dari Ro
karena gas etanol memiliki elektronegativitas. Gas yang memiliki elektronegativitas yang rendah akan bertindak sebagai donor, dan terjadi perpindahan elektron pada semikonduktor. Sehingga terjadi pemambahan pembawa muatan pada semikonduktor, akibat konsentrasi pembawa muatan bertambah, maka akan terjadi pengurangan celah deplesi pada bahan dan terjadi penambahan konduktivitas.
4. KESIMPULAN
Keramik film tebal CuFe2O4 : 10% MgO
berhasil dibuat pada suhu pembakaran 800oC. Sampel film tebal yang telah dibuat dengan metode screen printing ini mempunyai struktur kristal kubik tetragonal.
Hasil analisis SEM memperlihatkan bahwa keramik film tebal yang dibuat cukup porus dengan rongga-rongga yang cukup besar dan butir yang relatif kecil yaitu sebesar 0,6 µm.
Film tebal CuFe2O4 yang dibuat sensitif
terhadap gas etanol di mana etanol memiliki tendensi untuk menurunkan tahanan listrik sampel keramik film dan dapat diaplikasikan
310
sebagai sensor gas. Makin besar konsentrasi gas etanol, semakin kecil harga tahanan listrik sampel keramik film tebal CuFe2O45. DAFTAR PUSTAKA
1. MAKHIJA, K.K., RAY, A., PATEL,
R.M., TRIVEDI, U.B. (2005). Indium
oxide thin Film Based Ammonia Gas and Ethanol Vapour Sensor. Indian Academy of Science,Vol.28. [Online]. Tersedia: http://www.mdpi.org/sensors Februari 2005
2. WIENDARTUN, DANI GUSTAMAN
SYARIF, The effect of TiO2 addition on
the characteristics of CuFe2O4 ceramics for
NTC Thermistors (International Conference on Mathematics and Natural Sciences (ICMNS) Oktober 2006), ITB, Bandung (2006).
3. MOULSON, A.J. and HERBERT, J.M. ”Electroceramics”, Chapman and Hall, New York (1990).
4. REED, J.S., “Introduction to the
Principles of Ceramic Processing”, John Wiley and Sons (1987).
5. DKINGERY, W., BOWEN, H.K.,
UHLMANN, D.R., ”Introduction to
Ceramic”, 2nd ed., New York, John Wiley and Sons (1976).
6. SHIH MIN CHOU, LAY GAIK TEOH,
WEI HAO LAI, YEN HSUN SU and MIN HSING HON, ZnO:Al Thin Film
Gas Sensors for Detection of Ethanol Vapour [Online]. Tersedia: http://www.mdpi.org/sensors [30 Oktober 2006]
7. GREEN, A.T., STEWAR, G.H.,
“Ceramics A Symposium”, The British Ceramic Society (1953).
8. ANONYMOUS, Pola Difraksi Standar untuk ZnFe2O4, JCPDS No.22-1012.
9. ANONYMOUS. Pola Difraksi Standar untuk Corundum, JCPDS No.46-1212. 10. DICKY Z., WIENDARTUN, DANI
GUSTAMAN SYARIF, Karakterisasi Listrik keramik film tebal CuFe2O4 : 10%
mol MgO di media udara dan gas etanol (Prosiding dengan nomor ISBN:978-979-96520-3-4-1 pada Seminar Nasional Instrumentasi Berbasis Fisika, 28 Agustus 2008), ITB, Bandung (2008).
6. DISKUSI Syahfandi:
1. Dari kurva hasil analisis XRD, dimana letak puncak MgO-nya? 2. Mana yang lebih dominan, MgO atau CuFe2O4?
Wiendartun:
1. Karena reaksi pencampurannya sempurna sehingga MgO tercampur sempurna dan puncaknya menjadi berimpit sehingga tidak terlihat pada kurva, selain itu karena lapisan filmnya masih terlalu tipis.
2. Yang lebih dominan adalah CuFe2O4.
![Gambar 1. Proses penyaputan menggunakan rakel (squeegee) pada proses screen printing dengan teknik snapp-off [4]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/4636721.3392690/3.892.473.766.139.397/gambar-proses-penyaputan-menggunakan-squeegee-proses-screen-printing.webp)
