5 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Material Ferroelektrik
Fenomena ferroelektrik ditandai dengan adanya polarisasi spontan tanpa adanya medan listrik dan juga kemampuan untuk membentuk kurva histerisis (Iriani dkk., 2008). Kurva histerisis merupakan kurva yang menggambarkan hubungan antara perpindahan dielektrik polarisasi P (C/m2) dan kuat medan listrik E (V/m) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1, sementara polarisasi merupakan jumlah seluruh momen dipole setiap sel satuan volume (Jona and Shirane, 1993). Jika suatu material ferroelektrik dikenakan medan listrik, maka atom-atom tertentu akan mengalami pergeseran dan menimbulkan momen dipol listrik. Momen dipol ini yang menyebabkan polarisasi (Van Vlack, 1970).
𝜇 = 𝑞𝑖𝑟𝑖 (2.1)
Dimana μ adalah momen dipol listrik (coulomb meter ), qi adalah muatan (coulomb) dan ri adalah jarak antar muatan (meter ).
Nilai Polarisasi listrik spontan (Ps) dipengaruhi oleh volume unit sel (V) dihitung berdasarkan persamaan sebagaiberikut :
𝑃𝑠 = 𝛴𝑞𝑖𝑟𝑖
𝑉 (2.2)
Material ferroelektrik dicirikan oleh kemampuan untuk membentuk kurva histerisis yaitu kurva yang menghubungkan antara polarisasi dan medan listrik.
Kurva hubungan antara polarisasi listrik (P) dan kuat medan (E) ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Kurva Histerisis (How, 2007) commit to user
6
Ketika medan listrik ditambah (OA) maka polarisasinya akan meningkat terus sampai material mencapai kondisi jenuh atau saturasi (BC). Ketika medan listrik diturunkan kembali ternyata polarisasinyaa tidak kembali ke titik O, melainkan berpola CD. Ketika medan listrik tereduksi sampai nol, material akan memiliki polarisasi remanen (PR) seperti pola OD. Nilai polarisasi dari material dapat dihilangkan dengan menggunakan sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga dari medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan koersif (Ec) pola OE. Jika medan listrik kemudian dinaikkan kembali, material akan kembali mengalami saturasi, hanya saja bernilai negatif (FG). Putaran kurva akan lengkap jika medan listrik dinaikkan lagi dan akhirnya akan didapatkan kurva hubungan polarisasi (P) dengan medan listrik (E) yang ditunjukkan pada Gambar 2.1 (How, 2007).
2.2 Struktur Perovskite
Perovskite terdiri dari beberapa titanat yang digunakan dalam berbagai aplikasi elektrokeramik (Hsio-Lin and Wang, 2002). Struktur perovskite memiliki rumus ABO3, dengan A merupakan logam monovalen atau divalent dan B adalah tetravalent atau pentavalent seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Posisi atom A berada pada sudut-sudut kubus, atom B berada di diagonal ruang kubus, dan O menempati diagonal bidang pada kubus (Glass and Lines, 1977).
(a) (b)
Gambar 2.2 Struktur Perovskite BST
(a) Polarisasi ke bawah (b) Polarisasi ke atas (Sunandar, 2006) commit to user
7
Atom A dan B memiliki ukuran yang berbeda, berdasarkan pada struktur kubus FCC A memiliki ukuran jari-jari yang lebih besar jika dibandingkan dengan atom B. Hal ini hanya berlaku ketika Oksigen bertetangga dengan atom B (Hsio- Lin and Wang, 2002) seperti pada Gambar 1.1.
Kelebihan material oksida perovskite yaitu, sebagian dari ion-ion oksigen penyusun strukturnya dapat dilepaskan (reduksi) tanpa mengalami perubahan struktur yang signifikan pada material induknya. Terjadinya kekosongan ion oksigen ini kemudian dapat diisi kembali oleh ion oksigen lain melalui reaksi oksidasi lagi (reoksidasi). Dengan sifat seperti ini, oksida perovskite dapat berperan sebagai oksidator atau sumber oksigen bagi suatu reaksi oksidasi yang bersifat reversible karena dapat direoksidasi. Selain itu perovskite juga memiliki tingkat kestabilan struktur yang relatif tinggi maka substitusi isomorfis menggunakan kation-kation sejenis atau yang berukuran sama sangat mungkin dilakukan (Adnan, 2012).
2.3. Material Barium Stronsium Titanat (BST)
Barium Stronsium Titanat (Ba1-xSrxTiO3) (BST) terdiri dari larutan BaTiO3
(BTO) dan SrTiO3 (STO), dengan sistem linier temperature curie BST menurun ketika kenaikan stronsium (Sr) pada BaTiO3 (Gao et.al., 2009). BST merupakan material ferroelektrik dengan struktur perovskite ABO3. Jari-jari pada sisi A dapat diisi oleh ion Ba2+ yang memiliki jari-jari sebesar 1,34 Å dan Sr2+ sebesar 1,12 Å, jari-jari kedua ion tersebut lebih besar jika dibandingkan Ti4+, yaitu sebesar 0,68 Å yang menempati sisi B pada struktur perovskite ABO3 (Xiao et.al., 2011).
BST merupakan polikristalin, dimana sifatnya tergantung dari komposisi, stoikiometri dan mikrostrukturnya (grain size dan distribusinya), ketebalan lapisan, karakterisasi dari material elektroda, dan homogenitas dari lapisan.
Berdasarkan teori, jika semakin besar komposisi Ba maka material tersebut akan menjadi ferroelektrik dan struktur kristalnya berupa tetragoal (Ezhilvalavan and Seng, 2000).
Ba1-xSrxTiO3 merupakan material ferroelektrik dan disebut sebagai material dielektrik dengan konstanta dielektrik yang tinggi. Bacommit to user 1-xSrxTiO3 dan BaTiO3
8
memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, kebocoran arus rendah, dan tahan terhadap tegangan breakdown yang tinggi pada temperature Curie (Challali et.al., 2010).
Parameter kisi pada BST akan berubah seiring bertambahnya variasi mol Sr.
Struktur kristal yang dihasilkan juga mengalami perubahan untuk variasi Ba dan Sr yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Perubahan Parameter Kisi dan Struktur Kristal pada BST (Ezhilvalavan and Tseng, 2000)
2.4. Doping
Sifat-sifat suatu bahan dapat berubah dengan memberikan doping ke dalam bahan (Khalil dkk., 2009). Fase temperatur transisi BaTiO3 dapat diubah dengan cara mendoping atom A atau B (Rehrig et.al., 1999). Doping yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah menggunakan besi (Fe), Fe2+ akan menggantikan atom Ti4+ yang letaknya adalah B pada struktur BST. Hal ini disebabkan karena jari-jari Fe mendekati jari-jari Ti (Lin and Shi, 2012).
Perlakuan doping ini dilakukan karena doping dapat menimbulkan perubahan karakteristik seperti sifat dielektrik dan sifat ferroelektriknya (Huriawati, 2009), selain itu menyebabkan semakin banyaknya elektron bebas dan hole pada kristal. Dengan banyaknya elektron bebas pada film tipis, maka menyebabkan film tipis menjadi konduktif (Arief dkk.,2010).
Bahan doping material dibedakan menjadi dua jenis, yaitu soft doping dan hard doping. Soft doping disebut juga dengan istilah donor doping, karena menyumbang valensi yang berlebih pada struktur kristal yang akan terbentuk. commit to user
9
Sedangkan hard doping disebut juga dengan istilah acceptor doping karena menerima valensi yang berlebih di dalam struktur kristal (Indro dkk., 2010).
Ion soft doping dapat menghasilkan material ferroelektrik menjadi soften, seperti koefisien elastis lebih tinggi, sifat medan koersif yang lebih rendah, faktor kualitas mekanik yang lebih rendah dan kualitas listrik yang lebih rendah.
Sedangkan ion hard doping dapat menghasilkan material ferrolektrik menjadi lebih hardness, seperti loss dielectric yang rendah, bulk resistivity lebih rendah, sifat medan koersif lebih tinggi, faktor kualitas mekanik lebih tinggi dan faktor kualitas listrik lebih tinggi (Adnan, 2012). Jenis material yang tergolong hard doping dan soft doping ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Jari-jari Ion Pendadah (Doping) sebagai Donor Doping (Xu, 1991)
Ion Kecil r (Å) Ion Besar r (Å)
Zr4+ 0,79 Pb2+ 1,32
Nb5+ 0,69 La3+ 1,22
Ta5+ 0,68 Nd3+ 1,15
Sb5+ 0,63 Sb3+ 0,90
W6+ 0,65 Bi3+ 1,14
Th4+ 1,10
Tabel 2.2 Jari-jari ion pendadah (Doping) sebagai Acceptor Doping (Xu, 1991)
Ion Kecil r (Å) Ion Besar r (Å)
Fe2+ 0,78 Pb2+ 1,32
Zr4+ 0,79 K+ 1,33
Fe3+ 0,67 Na+ 0,94
Al3+ 0,57
Sc3+ 0,83
In3+ 0,85
Cr3+ 0,64 commit to user
10 2.5 Metode Chemical Solution Deposition
Metode Chemical Solution Deposition (CSD) merupakan teknik pembuatan lapisan dengan pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, kemudian dipreparasi menggunakan teknik spin coating. Metode ini memiliki nama lain sol- gel (Adem, 2003). Tahapan yang dilakukan pada CSD (Chemical Solution Deposition) yaitu : persiapan larutan (proses kimia), pelapisan substrat (proses deposisi), pemberian panas (proses termalisasi atau hidrolisis) dengan suhu 300°C - 400°C proses terakhir dilakukan annealing dengan suhu 600°C - 1100°C (Schwartz, 1997).
Keuntungan penggunaan teknik ini adalah bahwa elemen yang akan terbentuk berdasarkan pencampuran, yang artinya bahwa jarak difusi pada lapisan anorganik setelah proses termalisasi mencapai fase kestabilan termodinamika sangatlah pendek. Pencampuran terakhir dengan reaktivitas yang tinggi akan menghasilkan homogenitas dan kepadatan suatu lapisan (Brian et.al., 1993).
Selain itu kelebihan yang paling mendasar adalah bahwa metode CSD bisa digunakan untuk mendapatkan film tipis dengan biaya yang rendah (Irzaman dkk., 2009), stoikiometrinya mudah dikontrol dengan baik, mudah dibuat dan dilakukan pada temperatur rendah (Hikam dkk., 2004).
Pada proses pembuatan larutan, merupakan tahap mempersiapkan dan membuat larutan yang akan digunakan. Pada tahap spin coating, lapisan diberi beberapa tetes larutan precursor di atas substrat, kemudian dirotasi dengan spin coater agar distribusi cairannya homogen (Irzaman dkk., 2009). Proses spin coating terdiri dari 4 tahapan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Skema Tahap Proses Spin Coating (Taqiyah, 2012) commit to user
11
Variabel yang dapat diatur dalam proses spin coating adalah waktu dan kecepatan putar sehingga ketebalan dari lapisan tipis dapat diatur. Selain itu parameter yang terlibat dalam proses spin coating adalah viskositas larutan, kandungan padatan, kecepatan angular dan waktu putar (Taqiyah, 2012).
2.6 X-Ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi menggunakan metode difraksi merupakan metode analisa yang penting untuk menganalisa suatu kristal. Karakterisasi XRD dapat digunakan untuk menentukan struktur kristal menggunakan sinar-X. Metode ini dapat digunakan untuk menentukan jenis struktur, ukuran butir, konstanta kisi, dan FWHM. Sinar X merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang antara 10-4 – 10-1 nm (Smallman and Bishop, 1999).
Sinar X terbentuk ketika elektroda ditembak dengan elektron-elektron dipercepat pada tabung vakum. Suatu kristal dapat digunakan untuk mendifraksikan berkas sinar X karena panjang gelombang sinar X seorde dengan jarak atom suatu kristal (Grant and Suryanarayana, 1998). Suatu kristal yang dikenai oleh sinar X tersebut berupa material (sampel), sehingga intensitas sinar yang ditransmisikan akan lebih rendah dari intensitas sinar datang. Berkas sinar X yang dihamburkan ada yang saling menghilangkan (interferensi destruktif) dan ada juga yang saling menguatkan (interferensi konstrktif). Interferensi konstruktif ini merupakan peristiwa difraksi seperti pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Difraksi Sinar-X (Cullity, 1956) commit to user
12
Berdasarkan Gambar 2.5 dapat dituliskan suatu persamaan yang disebut dengan hukum Bragg. Persamaan tersebut adalah :
𝑛 𝜆 = 2𝑑 sin 𝜃 (2.2)
dengan λ merupakan panjang gelombang (nm), d adalah jarak antar bidang (nm), n adalah bilangan bulat (1,2,3, …) yang menyatakan orde berkas yang dihambur, dan θ adalah sudut difraksi.
2.7 Scanning Electron Microscopy (SEM)
SEM merupakan alat yang digunakan untuk menganalisa topografi permukaan suatu material (Smallman and Bishop, 1999). Informasi lain yang dapat diperoleh dari pengujian SEM adalah morfologi, komposisi dan kristalografi. Morfologi yang didapat dari SEM berupa bentuk, ukuran dan susunan partikel.
Prinsip kerja SEM yaitu suatu elektron yang dipancarkan meuju sampel, kemudian elektron tersebut akan dipantulkan, ditransmisikan dan dihamburkan oleh sampel. Elektron sekunder dan elektron pantul dari sampel kemudian ditangkap oleh detektor sehingga diperoleh bayangan topografi (Smallman and Bishop, 1999).
2.8 General Structure Analysis System (GSAS)
GSAS merupakan sebuah software yang digunakan untuk pengolahan data XRD. Metode yang digunakan software GSAS mengacu pada metode penghalusan (refinement) berdasarkan analisis Rietveld (Satriawan, 2004).
Analisis Rietveld adalah metode penghalusan (refinement) struktur kristal dengan memanfaatkan pola intensitas yang diperoleh dari pengukuran difraksi sampel (Hill and Howard, 1986). Metode ini dilakukan untuk mendapatkan kecocokan antara kurva kalkulasi dengan kurva observasi. Kurva kalkulasi merupakan kurva yang didapat dari metode Rietveld, sedangkan kurva observasi merupakan kurva dari pola intensitas difraksi x-ray dengan orientasi sudut 2θ. commit to user
13
Indikator keberhasilan untuk mendapatkan kurva kesesuaian tersebut terdiri dari konvergenitas, Rp, wRp dan Chi2. Rp dan wRp merupakan indikator nilai residu kesalahan dari hasil penghalusan parameter yang digunakan. Chi2 merupakan nilai kesesuaian antara kurva kalkulasi dan kurva observasi. Nilai Chi2 yang ideal adalah antara 1,2 sampai 2 (Satriawan, 2004).
2.9 Metode Sawyer Tower
Metode Sawyer Tower merupakan suatu metode yang digunakan untuk mengetahui karakteristik suatu bahan pada sifat kelistrikannya, yang ditunjukkan dengan munculnya kurva histerisis. Kurva histerisis ini menandakan sifat material berupa material ferroelektrik, jika material tersebut diberi medan dari luar (Iriani, 2008). Metode ini dilakukan dengan memanfaatkan rangkaian elektronik yang terdiri dari osiloskop, function generator, junction katoda. Osiloskop berfungsi sebagai output hasil kurva yang terbentuk (kurva histerisis), function generator sebagai sumber input frekuensi. Hasil yang dapat diperoleh dari metode ini yaitu perubahan yang terjadi pada nilai polarisasi remanen (titik sumbu Y) dan medan koersif yang terbentuk (sumbu X).
commit to user
