commit to user 6
BAB II
LANDASAN TEORI
A. Ferroelektrik
Ferroelektrik merupakan kelompok bahan dielektrik yang menunjukkan polarisasi spontan (Callister dan Rethwisch, 2009). Polarisasi spontan yaitu terjadinya polarisasi tanpa adanya medan listrik (medan listrik nol) atau suatu sistem yang diisolasi dengan perbedaan polarisasi tidak nol dalam medan listrik nol (Rabe et al., 2007). Dalam bahan ferroelektrik harus terdapat dipol listrik permanen.
Dipol listrik adalah pemisahan muatan listrik antara positif dan negatif pada tingkat molekul atau atom yang terpisah oleh jarak. Dipol dapat terbentuk atau disebabkan dalam atom atau molekul listrik yang biasanya simetri, yaitu keseluruhan distribusi spasial dari elektron adalah simetri terhadap inti atom yang bermuatan positif. Semua atom yang mengalami gerak getaran konstan dapat menyebabkan distorsi sesaat dan umur yang pendek dari listrik simetri untuk beberapa atom atau molekul, dan membentuk dipol listrik kecil (Callister dan Rethwisch, 2009). Senyawa yang memiliki dipol biasanya disebut senyawa polar, karena dipol merupakan singkatan dari dipolar. Hasil kali muatan dan jarak disebut momen dipol (Giancoli, 2001).
Sebuah momen dipol listrik merupakan sebuah vektor p yang memiliki besar p. Arah momen dipol dari muatan negatif ke positif. Momen dipol dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.1) berikut:
= 2 (2.1)
dimana q adalah muatan dan 2a adalah jarak diantara muatan-muatan tersebut (Halliday dan Resnick, 1978).
Dipol juga dapat terbentuk dengan momen dipol jika suatu bahan terpolarisasi. Polarisasi merupakan terpisahnya muatan positif dan negatif.
Terpisahnya muatan-muatan tersebut dikarenakan medan listrik luar. Ketika terjadi polarisasi, muatan positif akan bergerak searah medan listrik dan muatan negatif bergerak berlawanan dengan medan listrik (Serway dan Jewett, 2010). Polarisasi dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.2) berikut:
commit to user
=∑
∆ (2.2)
dimana ∑ adalah jumlah momen dipol dan adalah volume (Rabe et al., 2007).
Polarisasi dalam bahan dielektrik dapat menjelaskan secara sederhana peningkatan kapasitansi atau konstanta dielektrik. Bahan dielektrik dibagi menjadi dua macam, yaitu molekul polar dan nonpolar. Molekul yang memiliki polarisasi tetap adalah molekul polar, sedangkan molekul nonpolar tidak memiliki polarisasi tetap, tetapi kedua molekul dapat dipolarisasikan dengan medan luar.
Polarisasi tidak akan terjadi tanpa adanya medan listrik eksternal, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Atom netral yang terdiri dari sebuah elektron negatif pada kulit atom dan muatan positif (Gambar 2.1 (a)). Kemudian atom netral tersebut diberikan medan listrik, sehingga muatan negatif arahnya berlawanan dengan muatan positif dan momen dipol terinduksi (Gambar 2.1 (b)).
(a) (b)
Gambar 2.1. Molekul simetri tanpa momen dipol (a) tidak ada medan magnet, (b) diberikan medan magnet.
Daerah polarisasi spontan, dengan satu arah polarisasi disebut domain.
Orientasi hubungan antar domain diatur oleh kesimetrisan kristal yang ditunjukkan pada Gambar 2.2 (Vijatovic et al., 2008). Sedangkan menurut Barik (2012) domain ferroelektrik adalah daerah yang setiap polarisasinya sejajar pada arah yang sama.
Ketika suhu menurun dan lebih rendah daripada suhu Curie, medan listrik eksternal tidak ada, banyak daerah kecil yang dikenal sebagai domain akan terbentuk dalam kristal. Domain-domain ini akan searah jika diberikan medan listrik.
+
E
+ +
commit to user
Gambar 2.2. Domain ferroelektrik.
Ketika bahan dielektrik terpolarisasi oleh medan listrik AC (alternating current), dengan medan listrik akan berubah arah tiap waktunya maka arah polarisasi ikut berubah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3. Dengan setiap pembalikan arah, dipol akan berusaha untuk berubah bersamaan dengan medan, dalam proses ini membutuhkan beberapa waktu tertentu. Lamanya waktu yang dibutuhkan bergantung pada kemudahan dipol untuk melakukan penyusunan kembali. Frekuensi relaksasi dianggap sebagai kebalikan dari waktu minimum dipol untuk reorientasi. Ketika frekuensi medan listrik melebihi frekuensi relaksasi, dipol tidak dapat merubah arah polarisasi (Callister dan Rethwisch, 2009).
(a) (b)
Gambar 2.3. (a) Polarisasi pada medan listrik AC dan (b) Polarisasi yang telah dibalik.
Konsep polarisasi pada bahan dielektrik merupakan kunci untuk memahami ferroelektrik. Material ferroelektrik memiliki kemampuan untuk mengubah sifat polarisasi dalam medan listrik yang sesuai. Selain itu, ketika material ferroelektrik diberikan suatu tegangan, kemudian tegangan tersebut dihilangkan, maka material tersebut dapat menahan polarisasi listrik (Istiqomah dkk, 2014).
Hubungan antara polarisasi listrik dan medan listrik disajikan dalam sebuah kurva, yaitu kurva histerisis yang ditunjukkan pada Gambar 2.4.
+ + + +
E z z
z z
E
+ + + + z z z z
commit to user
*
Gambar 2.4 Kurva histerisis material ferroelektrik.
Ketika medan listrik dinaikkan maka polarisasi juga akan meningkat sampai mencapai keadaan saturasi (AB). Ketika medan listrik diturunkan ternyata polarisasi tidak langsung kembali ke titik O, tetapi membentuk pola BC dan memiliki nilai. Ketika medan listrik tereduksi sampai nol, materal ferroelektrik memiliki sisa polarisasi (polarisasi remanen) (OC). Sedangkan pola OD merupakan medan koersif yang digunakan untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol. Jika medan listrik dinaikkan kembali (pada kurva minus) maka polarisasi akan naik sampai pada keadaan saturasi, tetapi bernilai negatif (Lines dan Glass, 1977).
Polarisasi dapat terjadi pada dielektrik polar maupun non-polar. Beberapa macam polarisasi yang terjadi pada dielektrik, yaitu:
1. Polarisasi Elektronik
Ketika medan eksternal diterapkan, akan terjadi pergeseran awan elektron pada atom atau molekul. Pergeseran tersebut menyebabkan muatan listrik positif dan negative terpisah sehingga membentuk dipol. Anomali konstanta dielektrik atau indek refraktif pada frekuensi dalam atom dapat menyerap energi.
2. Polarisasi Ion
Efek ini menarik kristal ion positif dan ion negatif dapat bergerak berhubungan satu dengan yang lain dan kemudian berpolarisasi. Polarisasi ion terjadi lebih lambat daripada polarisasi elektronik.
3. Polarisasi Muatan Ruang
Hal ini paling mudah untuk memahami jenis perilaku dielektrik. Polarisasi terjadi karena pemidahan muatan-muatan ruang, yang merupakan muatan-
A
H
G F
E D
C
B
O P
E
commit to user
muatan bebas dalam ruang dielektrik. Dalam medan listrik, dipol cenderung searah dengan medan listrik, sementara efek termal cenderung berlawanan arah dan fenomena ini bergantung pada suhu.
4. Polarisasi Orientasi
Polarisasi ini terjadi pada material yang memiliki molekul asimetris yang membentuk momen dipol permanen. Dipol-dipol permanen ini akan cenderung mengarahkan diri sejajar dengan medan listrik, namun tidak semua dipol sejajar dengan arah medan listrik. Polarisasi ini juga dapat dipermudah pada suhu tinggi (Patterson dan Bailey, 2010).
Berdasarkan sifat histerisis dan konstanta dielektrik tinggi, material ferroelektrik dapat diaplikasikan ke dalam perangkat elektronik, misalnya dalam perangkat memori ferroelectric random access memories (FRAM) dan dynamic random access memory (DRAM) (Rabe et al., 2007), transduser, sensor, kapasitor, dan termistor PTCR (Petrovic et al., 2012).
B. Material Dielektrik
Material dielektrik adalah penyekat listrik yang biasanya merupakan bahan isolasi dan untuk menunjukkan struktur dipol listrik, misalnya kertas atau plastik yang diletakkan diantara pelat-pelat kapasitor (Giancoli, 2001). Material dielektrik digunakan dalam kapasitor, kapasitor memiliki dua pelat sejajar yang dipisahkan oleh jarak d. Ketika tegangan diberikan pada kapasitor ( ), salah satu pelat menjadi muatan positif dan yang lain menjadi negatif. Sebuah kapasitor memiliki jumlah muatan yang diperoleh sebanding dengan beda potensial. Sehingga dapat ditulis dalam Persamaan (2.2).
= (2.2)
Jika material dielektrik disisipkan diantara pelat sejajar tersebut seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5, maka Persamaan (2.2) menjadi (Callister dan Rethwisch, 2009):
= (2.3)
commit to user
Gambar 2.5. Material dielektrik pada pelat sejajar.
Gambar 2.5 menunjukkan sebuah kapasitor yang memiliki muatan +q dan –q dengan jarak sebesar d yang disisipkan material dielektrik, medan listrik E merupakan garis-garis gaya, garis garis gaya ini sebanding dengan nilai muatan (Giancoli, 2001).
Material dielektrik memiliki nilai konstanta yang dapat meningkatkan kapasitansinya disebut sebagai konstanta dielektrik. Konstanta dielektrik merupakan salah satu sifat material yang dipertimbangkan untuk desain kapasitor.
Konstanta dielektrik yang dimiliki oleh tiap material berbeda-beda, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Konstanta dielektrik (Giancoli, 2001; Callister dan Rethwisch, 2009; Spriggs et al., 2003)
Bahan Konstanta Dielektrik
Vakum 1,0000
Udara 1,0006
Karet, padatan 2,8
Plastik 2,8 – 4,5
Kaca 4 – 7
Porselen 6 – 8
TiO2 90
CaTiO3 150
SrTiO3 240
BaTiO3 Sampai 1000
Keramik titanat 15 – 10.000
C. Perovskit
Awal mula perovskit ditemukan memiliki dua pengertian, yaitu perovskit merupakan mineral partikular CaTiO3 (calcium titanium oxide) dan kedua, umumnya mineral-mineral dengan struktur kristal yang sama sebagai CaTiO3
E -q
+q
A d
+ + + + +
- - - - -
- +
- +
- +
- +
- +
commit to user
(disebut struktur perovskit) (Tejuca, 1993). Perovskit merupakan oksida logam yang memiliki rumus secara umum ABO3 dimana A dan B adalah kation. A adalah ion-ion logam yang berukuran lebih besar sedangkan B adalah ion dari logam transisi. Struktur dari preovskit merupakan kubus ideal (tetragonal) pada suhu 120oC dengan ion A berada disetiap pojok dan ion B berada di pusat kubik, seperti pada Gambar 2.6 (Gonzalo dan Jimenez, 2005):
Gambar 2.6. Struktur perovskit (ion O3 , ion A , ion B ) (Callister dan Rethwisch, 2009).
Jumlah ion A dan B adalah +6, yang dapat tersusun dari kation yang bermuatan (1+5), (2+4) atau (3+3), agar terjadi keseimbangan muatan dengan muatan negatif 6 yang dibawa oleh tiga ion oksigen (Gonzalo dan Jimenez, 2005).
Oksida perovskit memiliki kelebihan, yaitu ion-ion oksigennya dapat dilepaskan (reduksi) tanpa mengubah strukturnya. Kekosongan pada ion oksigen dapat diisi kembali oleh ion oksigen yang lain melalui reaksi reoksidasi (Fansuri, 2008). Hal tersebut menunjukkan perovskit memiliki kestabilan struktur yang tinggi sehingga dapat dilakukan substitusi isomorfosis dengan menggunakan kation-kation sejenis yang berukuran hampir sama. Perovskit ABO3 dapat menghasilkan sifat baru, seperti konstanta dielektrik yang tinggi, sifat ferroelektrik yang baik, rendahnya dielektrik yang hilang, dan sebagai pertimbangan kelompok material yang sangat penting untuk menemukan perubahan dalam kemajuan penelitian material dan nanomaterial. Selain itu juga (Rabe et al., 2007).
Material berstruktur perovskit yang sering digunakan untuk bahan ferroelektrik, yaitu BaTiO3, BaSrTiO3, PbTiO3, PbZrTiO3, SrZrO3, dan SrSnO3. Ada beberapa material yang termasuk dalam kelompok barium titanat dan memiliki struktur yang sama, yaitu PZT (Lead Zirconium Titanate), BST (Barium Strontium Titanate) dan BZT (Barium Zirkonium Titanate). Material yang masuk dalam kelompok barium titanat memiliki struktur yang berbeda-beda ketika suhunya
commit to user
berbeda. Struktur kristal heksagonal dan kubik dari barium titanat memiliki sifat paraelektrik, sedangkan ketika strukturnya berbentuk tetragonal, orthorombik dan rhombohedral memiliki sifat ferroelektrik (Lines dan Glass, 1977).
D. Barium Strontium Titanat
Salah satu material ferroelektrik perovskit oksida yang sering diaplikasikan dalam dunia industry elektronik adalah barium titanat (BaTiO3), hal ini dikarenakan barium titanat memiliki sifat ferroelektrik yang bagus, yaitu konstanta dielektrik yang tinggi dan strukturnya relatif sederhana. Suhu Curie BaTiO3 adalah 120oC.
Pada suhu tinggi fase paraelektrik tidak ada polarisasi spontan yang terjadi.
Sedangkan di bawah suhu transisi (suhu Curie) polarisasi spontan terjadi dan struktur kristal memanjang, yang disebut tetragonal. Struktur kristal BaTiO3 pada suhu di bawah dan di atas suhu Curie dapat dilihat pada Gambar 2.7 berikut.
(a) (b)
Gambar 2.7. Struktur kristal BaTiO3 (a) T > TC dan (b) T < TC
Barium titanat memiliki empat fase yang berbeda, yaitu fase kubik paraelektrik, ferroelektrik tetragonal, orthorombik, dan fase rhombohedral. Dengan menurunnya suhu dari suhu ruang, namun barium titanat mengalami beberapa transisi fase yang rumit seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8. Selain mempengaruhi fase yang berbeda, suhu juga mempengaruhi besar kecilnya permitivitas dan polarisasi spontan. Polarisasi menurun dengan meningkatnya suhu, dan hilang pada suhu Curie, sedangkan permitivitas (ε) cenderung menyimpang dekat TC (Uchino, 2000).
commit to user
Gambar 2.8. Perubahan struktur pada BaTiO3 (Ju, 2009).
Sifat ferroelektrik berhubungan dengan tiga perubahan struktur pada BaTiO3. Di atas 120oC sampai 1460oC struktur yang terbentuk masih kubus dan stabil.
Struktur akan berubah menjadi heksagonal stabil jika suhunya di atas 1460oC.
Ketika suhunya di bawah titik Curie, perubahan struktur kristal BaTiO3 terjadi, pertama pada suhu 120oC perubahan ferroelektrik antara fase kubik, paraelektrik dan ferroelektrik dari struktur tetragonal terjadi. Pada 5oC, perubahan fase struktur orthorombik terjadi dan pada suhu rendah -90oC fasenya menjadi rhombohedral (Vijatovic et al., 2008).
SrTiO3 terkenal sebagai kuantum paraelektrik atau ferroelektrik yang baru.
Hal ini ditunjukkan dalam fase kubik (space group Pm3m) pada suhu ruang dan mengalami sebuah transisi fase struktural antiferrodistortive ke fase tetragonal (space group I4/mcm) pada suhu 105 K (Yu dan Chu, 2004). BaSrTiO3 diketahui bahwa memiliki struktur ABO3 dalam kondisi padatan kontinu dari BaTiO3 dan SrTiO3 dengan susunan konsentrasi yang lengkap. SrTiO3 biasanya ditambahkan sebagai pengubah suhu Curie ke temperatur yang lebih rendah. Tetapi, komposisi Sr juga dapat merubah fase ferroelektrik menjadi paraelektrik (Morintale et al., 2010), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9.
Sifat dielektrik BST ketika diterapkan pada tegangan DC membuatnya menarik untuk tunable perangkat microwave seperti penyaring, varactors, garis delay, dan pengubah fase. Beberapa waktu terakhir ini, ada yang sangat menarik dalam pengembangan material dielektrik BST untuk frekuensi bahan perangkat microwave. Hal ini dikarenakan meningkatnya kebutuhan sistem komunikasi tanpa kabel (nirkabel) dengan laju data berkecepatan tinggi, fleksibel, operasi multiband, mudah beradaptasi, memerlukan energi yang rendah, ukuran kecil, dan biaya murah (Agarwal, 2013).
90oC 120oC
rhombohedral orthorombik
0oC tetragonal
kubik
commit to user
Gambar 2.9 Perubahan parameter kisi terhadap komposisi Sr.
Selain itu, BST adalah material ferroelektrik yang unggul karena mempunyai sifat dielektrik yang tinggi, sifat histerisis, stabilitas kimia yang tinggi, permitivitas tinggi, loss dielektrik rendah, dan non-volatile memori yang memanfaatkan sifat polarisasi yang tinggi. Sifat-sifat BST ini menyebabkan ferroelektrik dapat dimanfaatkan sebagai sensor dan memori (Hikam dkk, 2006). Sehingga banyak sekali peneliti yang melakukan eksperimen terhadap material BST dengan menggunakan berbagai macam metode, misalnya metode solid state reaction, sol- gel, hidrotermal, spray pyrolysis, combustion synthesis, co-precipitation, pulsed laser deposition (PLD), sputtering, dan chemical solution deposition (CSD) (Agarwal, 2013).
Suatu penelitian BST menggunakan metode solid state reaction yang dilakukan oleh Bahri dan Khemakhem (2013) dengan memberikan doping Bi yang disinterring 1220oC menghasilkan sifat-sifat relaxor yang kuat dan bagus untuk aplikasi di bidang industri masa depan yang efisien dan material relaxor ferroelektrik yang bersifat eco-friendly. Sedangkan penelitian barium titanat (BaTiO3) dengan reaksi padatan yang dilakukan oleh Kambale et al (2014) menggunakan suhu sintering 1200oC, 1250oC dan 1300oC menghasilkan ukuran butir yang meningkat dengan meningkatnya suhu, hal tersebut menunjukkan bahwa difusi pada pertumbuhan butir dapat mengontrol pori-pori kisi.
4.06 4.04 4.02 4.00 3.98 3.96 3.94 3.92 3.90
Parameter Kisi (Ǻ)
Sr (mol%)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 c
a
a Kubik
Tetragonal
commit to user
BST juga banyak disintesis menggunakan chemical solution deposition (CSD), misalnya penelitian yang dilakukan oleh Iriani et al. (2014) dengan cara menumbuhkan lapisan tipis di substrat Pt/Si, fabrikasi BST didoping dengan besi (Fe) kemudian di-annealing pada suhu 800oC selama tiga jam. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa doping Fe dapat mempengaruhi kekuatan struktur kristal, dapat meningkatkan ukuran kristal dan menurut General Structure Analysis System (GSAS) lapisan BST dan BSTF mempunyai struktur tetragonal.
Berdasarkan teori yang ada, struktur tetragonal memiliki sifat ferroelektrik.
Sedangkan penelitian yang dilakukan oleh Jamaluddin et al. (2014) BST yang disintesis menggunakan CSD dengan suhu annealing 800oC, hasilnya menunjukkan bahwa BST adalah keramik dengan kristal yang baik memiliki fase tetragonal dan space group P4mm. Metode CSD ini banyak digunakan karena sederhana, biaya murah dan mudah dalam mengontrol stoikiometri (He et al., 2013). Seperti penelitian yang dilakukan oleh He et al. (2013) dengan memberi lapisan buffer pada PbTiO3/PbZrxTi1-xO3 (PT/PZT) dan PbZrO3/PbZrxTi1-xO3 (PZ/PZT) menggunakan metode CSD memperoleh hasil bahwa lapisan buffer dapat mempertahankan struktruk perovskit pada material tersebut dan menunjukkan hasil bahwa semakin kasar morfologi permukaan semakin baik sifat ferroelektriknya.
BST yang dipreparasi menggunakan metode sol-gel, karakteristik sifat dielektrik menunjukkan bahwa konfigurasi lapisan tipis BST/MT/BST hampir efektif untuk memperoleh loss dielektrik yang rendah (Bian dan Zhai, 2014).
Sedangkan penelitian yang dilakukan oleh Yan et al. (2015) material BST dipreparasi menggunakan magnetron sputtering yang ditambahkan pada substrat Pt/Ti/SiO2/Si menunjukkan loss dielektrik yang rendah dan tenability yang tinggi sehingga membuat lapisan BST dianjurkan untuk aplikasi peralatan microwave.
Begitu juga dengan metode Pulsed Laser Deposition (PLD) pada material BST, loss dielektrik rendah dan tenability yang tinggi (Sekhar et al., 2013). Dan ketika BST dipreparasi menggunakan metode co-precipitation hasil fase kubik pada kondisi lebih optimal dan dengan suhu yang relatif rendah, konstanta dielektrik semakin tinggi serta mempertinggi stabilitas termal (Chen et al., 2014).
Berdasarkan penelitian-penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa material BST memiliki loss dielektrik yang rendah. Sebagian besar material BST
commit to user
memiliki konstanta dielektrik sekitar 5000 pada suhu 300 K. Parker et al. (2002) meneliti suhu dan ketebalan lapisan yang bergantung pada konstanta dielektrik dari lapisan BST yang ditambahkan pada substrat silicon dengan ketebalan berkisar 15 sampai 580 nm, hasilnya menunjukkan bahwa semakin rendah ketebalannya maka konstanta dielektriknya juga semakin menurun. Selain itu, suhu juga dipengaruhi oleh ketebalan dari lapisan BST. Lapisan BST yang semakin tipis, suhu yang digunakan untuk membentuk struktur ferroelektrik juga akan menurun sehingga konstanta dielektriknya juga akan menurun.
E. Metode Co-Precipitation
Salah satu metode yang digunakan dalam sintesis material ferroelektrik adalah metode Co-Precipitation. Metode ini hampir sama dengan metode sol-gel yaitu dengan cara melarutkan beberapa bahan yang akan dicampurkan kemudian diendapkan. Perbedaannya ketika metode sol-gel, larutan akan berubah menjadi padatan (sol) dan kemudian menjadi gel, tetapi untuk metode co-precipitation hanya membentuk sebuah endapan dari beberapa larutan (Shamsipur et al., 2013).
Metode Co-Precipitation merupakan salah satu sintesis senyawa anorganik yang berdasarkan pengendapan dari beberapa substansi secara bersama-sama ketika melewati titik jenuhnya. Metode ini menjanjikan karena prosesnya memerlukan suhu rendah dan mudah dalam mengontrol ukuran partikel sehingga waktu yang diperlukan relatif singkat (Fernandez, 2011).
Selain itu, metode ini juga sederhana dan cocok untuk mencapai homogenitas melalui pencampuran dari penyusunan ion pada tingkat molekul di bawah keadaan yang terkendali (Vijatovic et al., 2008). Menurut Schrey (1965) metode co- precipitation akan lebih stabil dalam mengatur stoikiometri dengan cara mengatur pH pada larutan. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa pH >5 kondisi yang diperoleh lebih stabil dan rasio kationnya terpenuhi, tetapi pH 3,5 kondisi stoikiometrinya lemah. Khollam et al. (2005) melakukan penelitian sintesis barium strontium titanat (Ba1-xSrxTiO3) menggunakan metode co-precipitation, pH akhir pencampuran larutan adalah 4,25. Hasil yang diperoleh kemurnian yang tinggi, stoikiometri dan ukurannya submikro dengan ukuran yang hampir seragam.
Sedangkan pada tahun 2003 Khollam et al. menggunakan metode co-precipitation tanpa mengontrol pH larutan. Dengan mengontrol kelarutan prekusor dari awal dan
commit to user
pH larutan tetap stabil serta hasil yang diperoleh stoikiometri, kemurnian tinggi >
99%.
Co-Precipitation juga dapat mengontrol morfologi bubuk dan pembentukan kristal yang lebih homogen (Li dan Xu, 2009). Co-Precipitation termasuk rekristalisasi dimana ada tujuh metode dalam rekristalisasi, yaitu pemilihan pelarut, melarutkan zat terlarut, menghilangkan warna larutan, memindahkan zat padat, mengkristalkan larutan, mengumpulkan kristal, dan mengeringkan larutan.
Diharapkan hasil dari metode ini memiliki ukuran partikel lebih kecil dan lebih homogen daripada metode solid state reaction dan ukuran partikel yang lebih besar daripada metode sol-gel. Dalam metode ini, hasil endapannya tidak selalu murni, ada kemungkinan mengandung berbagai zat pengotor, bergantung pada sifat endapan dan kondisi pengendapannya (Fernandez, 2011).
Sintesis ferroelektrik yang menggunakan metode Co-Precipitation cukup banyak dilakukan oleh para peneliti karena metode ini dapat dikerjakan dengan mudah, reproducible, menghasilkan massa dan ekonomis (Chen dan Hong, 2015).
Ada dua jenis Co-Precipitation, yaitu pertama berkaitan dengan adsorpsi pada permukaan partikel yang terkena larutan dan yang kedua berkaitan dengan oklusi zat asing sewaktu proses pertumbuhan kristal dari partikel-partikel primer (Fernandez, 2011).
F. Sintering
Sintering merupakan proses thermal untuk mengikat partikel dalam sebuah rangkaian, terutama pada struktur padatan mempengaruhi penyusutan massa pada material tersebut (German, 2010). Hal tersebut dikarenakan partikel-partikel tersebut memuai sehingga satu sama lain saling berdekatan dan membentuk ikatan.
Jarak antar partikel yang semakin dekat menyebabkan kepadatan akan bertambah dan terjadi penyusutan masa, karena gas-gas yang tidak diperlukan menguap. Selain itu, proses sintering digunakan untuk mengontrol densitas suatu material. Tujuan secara umum proses sintering adalah untuk mengontrol struktur mikro, yaitu ukuran butir karena pada proses sintering terjadi pemuaian partikel sehingga dapat mempengaruhi ukuran butirnya, densitas dan distribusi fase-fase lain termasuk pengurangan pori (Kang, 2005). Pengurangan pori dapat terjadi pada sintering
commit to user
karena kontak antara butir yang semakin luas, sehingga kepadatan material semakin tinggi.
Pada sintering terjadi beberapa tahapan sehingga partikel-partikel dapat berikatan kuat satu sama lain. Tahap pertama (initial) yaitu terjadinya penyusunan kembali formasi partikel setelah mengalami pergerakan untuk meningkatkan jumlah titik kontak dan tejadi pemuaian partikel-partikel untuk membuat satu sama lain berdekatan dan membentuk kaitan antar butir (neck). Kemudian yang kedua (intermediate), kaitan antar butir semakin besar, sehingga porositasnya semakin kecil dan jarak antar butir semakin dekat serta terjadi penyusutan. Batas butir mulai berpindah sehingga butir mulai tumbuh. Tahap terakhir yaitu ukuran butir meningkat dan ikatan antar butirnya semakin kuat. Tahap ini ditandai dengan hilangnya struktur pori dan munculnya batas butir. Ketiga tahapan sintering tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.10.
(a) (b) (c)
Gambar 2.10. Tahapan sintering (a) tahap awal (initial), (b) tahap kedua (intermediate) dan (c) tahap ketiga (final).
Ada beberapa variabel yang dapat mempengaruhi sintering, yaitu variabel secara material dan variabel proses. Variabel material yang mempengaruhi sintering misalnya komposisi kimia, ukuran serbuk, bentuk serbuk, distribusi ukuran, homogenitas. Sedangkan variabel proses yaitu suhu, waktu, tekanan, laju pemanasan, dan laju pendinginan (Kang, 2005). Pada variabel proses suhu, lamanya waktu pemanasan dan laju pemanasan sangat mempengaruhi struktur mikro. Ketika suhu yang digunakan semakin tinggi, waktunya semakin lama dan laju pemanasannya lambat, ukuran kristal dan ukuran butir yang diperoleh semakin besar dan intensitasnya semakin tinggi. Hal ini dikarenakan semakin tinggi suhu sintering energi termal yang diterima oleh atom-atom semakin besar untuk bergerak dan semakin lama waktu tahannya fase yang terbentuk semakin sempurna.
commit to user G. X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan suatu teknik karakterisasi yang sangat efektif untuk menganalisis fase kristal yang ada dan struktur dari struktur kristal dasar (unit cell) dalam jumlah besar, yang berhasil digunakan untuk menentukan fase dari bubuk yang dikalsinasi dan sampel yang telah di-sintering. Hal ini berdasarkan hamburan elestis sinar X dari awan elektron pada sistem atom individual. Teknik XRD digunakan untuk mengkarakterisasi struktur kristal, ukuran kristal (ukuran butir) dan orientasi yang ada dalam polikristal atau sampel padatan bubuk (Agarwal, 2013). Selain itu, secara umum pola difraksi mengandung informasi tentang simetri susunan atom (space group), penentuan struktur kristal/amorph dan pengukuran berbagai sifat bahan yaitu strain, vibrasi termal dan cacat kristal (Sembiring, 2009).
Sinar X merupakan sinar radiasi dinar elektromagnetik yang mempunyai energy tinggi dan panjang gelombang yang pendek pada sekitar susunan atom untuk padatan (Callister dan Rethwisch, 2009).
Sinar X dihasilkan bila elektron-elektron dipercepat yang berasal dari filament menumbuk target yang berada dalam tabung sinar X, sehingga electron- elektron tersebut mengalami perlambatan. Sinar X yang digunakan untuk difraksi memiliki panjnag gelombang dalam range 0,3 – 2,5 Ǻ. Pada umumnya, yang dipakai sebagai sumber radiasi adalah Cu, Cr, Co, Mo, dan Fe (Kittel, 1996).
Difraksi terjadi jika interaksi antara sinar-X dengan kisi pada bidang Kristal menghasilkan interferensi konstruktif berupa puncak-puncak intensitas. Interferensi konstruktif terjadi jika panjang gelombang dan sudut difraksi memenuhi hukum Bragg (Van Vlack, 1991).
Gambar 2.11 menunjukkan proses difraksi sinar X yang ditembakkan pada suatu material sehingga mengenai atom-atom material tersebut. Anggap dua bidang sejajar dari sebuah atom A – A’ dan B – B’ pada Gambar 2.10, yang memiliki indeks Miller hkl yang sama dan yang dipisahkan jarak antar bidang dhkl. Anggap bahwa berkas sinar X adalah parallel, monokromatik dan koheren dengan panjang gelombang λ yang berinteraksi pada dua bidang dengan sudut θ. Berkas dua sinar 1 dan 2 dihamburkan oleh atom P dan Q.
commit to user
Gambar 2.11. Difraksi sinar X dengan bidang atom (A – A’ dan B – B’).
Beda lintasan kedua sinar tersebut sebesar , dimana n merupakan bilangan bulat karena pada kelipatan bulat panjang gelombang akan terjadi interferensi konstruktif. Proses tersebut memenuhi persamaan Bragg:
= 2 (2.3)
dengan n = 1, 2, 3, … (orde difraksi), λ = panjang gelombang, d (hkl) = jarak antar bidang, θ = sudut difraksi (Callister dan Rethwisch, 2009).
Mekanisme XRD adalah ketika sinar X dipancarkan oleh tabung sinar X yang dilewatkan melalui slit. Slit ini berfungsi untuk menyejajarkan sinar X dan tepat mengenai sampel. Sinar X yang mengenai sampel akan didifraksikan oleh bidang kristal pada sampel dan diteruskan ke slit penerima kemudian ditangkap oleh detektor dan ditampilkan melalui komputer (Sembiring, 2009).
H. Scanning Electron Microscopy (SEM)
Scanning Electron Microscopy (SEM) adalah jenis mikroskop electron yang menggambarkan sampel dengan berkas beenergi tinggi dari electron pada sebuah pola pemindaian raster (Agarwal, 2013). SEM dikenal sebagai suatu teknik analisis yang digunakan untuk menganalisis struktur mikro dan morfologi. SEM memiliki resolusi yang sangat tinggi dan kedalaman fokus dibandingkan dengan mikroskop optik, sehingga tekstur, morfologi dan topografi serta tampilan permukaan sampel
Beda jarak lintasan λ
A’
dhkl
1’
2 1
θ θ
θ θ
T Q S
P
2’
A
B B’
commit to user
dalam ukuran mikro dapat dilihat (Sembiring, 2009). Bahkan ukuran yang ditampilkan SEM sampai berskala nano.
SEM memiliki perbesaran berkisar antara 20 sampai 500.000 kali dengan besarnya tegangan 2 – 30 kV untuk menghasilkan berkas electron dari electron gun (Anggraeni, 2008). SEM terdiri dari electron gun untuk menghasilkan electron, kolom yang dilewati berkas elektron, serangkaian lensa untuk memfokuskan berkas elektron, tempat sampel, dan pompa yang digunakan untuk menjaga sistem agar tetap berada dalam keadaan vakum.
Ketika elektron yang dihasilkan oleh electron gun mengenai sampel, elektron akan berinteraksi dengan elektron yang ada pada sampel. Berkas yang menubruk elektron pada sampel tersebut akan menghasilkan elektron sekunder yang dipantulkan dari sampel dan dideteksi kemudian dikuatkan oleh tabung multiplier.
Tingkat kontras yang tampak pada tabung sinar katoda timbul karena hasil refleksi yang berbeda-beda dari sampel (Anggraeni, 2008).
SEM menggunakan backscattered electron (hamburan balik elektron) sekunder yang dipantulkan dari sampel. Sewaktu berkas elektron menumbuk permukaan sampel sejumlah elektron direfleksikan sebagai backscattered electron (BSE) dan yang lain membebaskan energi rendah secondary electron (SE) (Anggraeni, 2008). Elektron-elektron sekunder memiliki energi yang rendah maka elektron dapat dibelokkan membentuk sudut dan menimbulkan bayangan topografi.
Elektron-elektron ini sangat peka terhadap jumlah atom (Sembiring, 2009).
I. Sawyer Tower
Metode yang sering digunakan untuk mengukur polarisasi spontan dan mengetahui terbentuknya kurva histerisis pada sampel yaitu metode yang menggunakan rangkaian sawyer tower. Rangkaian sawyer tower pertama kali digunakan oleh C. B. Sawyer dan C. H. Tower untuk mengukur kurva histerisis ferrroelektrik dari Rochelle Salt pada 1929 (Jona and Shirane, 1962). Rangkaian sawyer tower sangat praktis untuk mengkarakterisasi ferroelektrik dan untuk mengkaji fenomena dasar seperti polarisasi spontan, medan koersif dan mekanisme pembalikan polarisasi secara umum (Arciniega et al., 1998).
Rangkaian sawyer tower terdiri dari 2 kapasitor dan resistor, salah satunya kapasitor sampel dan yang lainnya merupakan kapasitor pembanding yang
commit to user
diketahui nilainya. Kedua kapasitor tersebut dirangkai secara seri, dimana kapasitor pembanding dipilih yang jauh lebih besar dibandingkan sampel sehingga tegangan turun melalui kapasitor pembanding dan berkurang ketika melalui sampel dan tegangan yang melalui sampel akan sebanding dengan kapasitor pembanding (Das et al., 2009). Hasil keluarannya ditampilkan pada osiloskop dengan sinyal sinusoida.
