Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996
SIFAT DIELEKTRIK TIDAK-IDEAL Ag2S PADA FREKUENSI RADIO
RENDAH1
2
Aziz K. Jahja2, Nurdin Efendie2 daD Sjafei Pumama
ABSTRAK
SIFAT DIELEKTRIK TIDAK-IDEAL AgzS PADA FREKUENSI RADIO RENDAH.
Telah dilakukan pengukuran impedansi kompleks dan tanggapan dielektrik fungsi frekuensi pada bahan konduktor superion Ag2S, untuk range frekuensi radio rendah 250 Hz-30 kHz. Anomali tanggapan dielektrik terhadap frekuensi menunjukkan bahwa proses konduksi ion Ag+ melalui mekanisme hopping berpengaruh pada karakteristik tanggapan dielektrik pada rasa temperatur rendah 13 (70 DC) dan pada rasa temperatur tinggi IX (290 DC). Model permitivitas kompleks empiris Jonscher memberikan profil least-squaresfit yang cukup baik. Telah diperoleh parameter mikroskopis waktu hopping ion Ag+ Tp-lO-4s pada rasa 13 dan Tp-lO-IOS pada rasa IX Perbedaan yang cukup drastis antara haria Tp pada dua temperatur yang berbeda menunjukkan bahwa proses hopping pada konduktor ion Ag2S merupakan proses yang teraktivasi termal.
ABSTRACT
NON-IDEAL DIELECTRIC RESPONSE OF Ag2S AT LOW RADIO-FREQUENCY.
Complex impedance and frequency dependent dielectric response measurements have bcen carried out for Ag2S superionic
conductor at low radio-fr~quency range of 250 Hz -30 kHz. Frequency-dependent anomaly of the dielectric response has
been attributed to hopping mechanism of the conduction process of Ag+ mobile ions, at the low temperature l3-phase (70
°C) and the high temperature a-phase (290 °C). The empirical complex permitivity model proposed by Jonscher has been
successful in reproducing a good least-squares fit of the complex permitivity data. From Jonscher analysis, the microscopic
parameter of hopping time 'p-IO-4s (l3-phase) and 'p-IO-los (a-phase) was determined. The dramatic difference between the
two values of 'p shows that the hopping process in Ag2S ionic conductors is thermally activated.
PENDAHULUAN
Konduktor superionik (elektrolit) Ag2S memiliki 2 rasa kristalografik, yakni rasa monoklinik pada temperatur rendah daD rasa kubik pada temperatur tinggi. Pada rasa kubik temperatur tinggi, sel satuan Ag2S mengandung 2 unit fonnula, 4 kation Ag+ terdistribusi pada posisi-posisi Wyckoff l2(d). Pada temperatur ruang Ag2S memiliki sistim kristal monoklinik (grup-ruang P2)/c), dengan struktur atom isostruktural dengan struktur tipe "wurtzite", yaitu setiap atom dalam sel-satuan akan dikelilingi oleh empat atom lain yang tersusun secara tetrahedral [1,2]. Pada temperatur tinggi Ag2S mengalami transisi rasa struktur, dari simetri heksagonal menjadi simetri kubik (kpr) dengan grup ruang 09h-Im3m. Kisi tegar anion I mengalami perubahan simetri daD memiliki posisi khusus Wyckoff pada 2(b) 000 dan~. Sedangkan kation-kation mobil Ag+ berada pada 'subkisi meleleh' (molten sub lattice) yang mengalami
ketidaktertiban (disorder) berat konduktor superionik
AgzS merupakan salah satu jenis konduktor ion padatan atau elektrolit padatan,
daD merupakan bahan anorganik yang
menunjukkan konduktivitas ion tinggi pada temperatur di atas temperatur ruang daD jauh di bawah titik leleh. Pada temperatur ruang, bahan konduktor AgzS memiliki konduktivitas ion sebesar 10.z 0-1 cm-l, dan konduktivitas elektronik yang sangat rendah (10-8 O-lcm-l) apabila dibandingkan dengan konduktivitas ion. Oleh sebab itu konduktor
AgzS dianggap ideal sebagai bahan
komponen baterai padatan [3]. Walaupun penelitian sifat fisis ( bulk measurements) bahan AgzS telah banyak dilakukan,
informasi mengenai perilaku tidak-ideal (non-Debye) sifat dielektrik masih langka, sehingga perIn dilakukan pengukuran tambahan dan analisis mendalam, terutama dari perspektif teori universal yang dikemukakan oleh Jonscher [4,5]. Tehnik tanggapan frekuensi I Disajikan pada Pertemuan llmiah Sains Materi '96, 22&23 Oktober 1996, di Gedung DRN, PUSPIPTEK, Serpong Tanggerang 15314
(frequency response technique) atau tehnik domain frekuensi (frequency domain technique) membutuhkan infonnasi lengkap
yang dapat diperoleh dengan mengukur 2
jenis besaran fisis sebagai fungsi frekuensi: misalnya bagian riil dan imajiner impedansi , atau kapasitansi suatu bahan [6]. Biasanya infonnasi diperoleh melalui tehnik eksperimen penguat lock-in. jembatan impedansi atau analisator tanggapan frekuensi.
Tanggapan terhadap sinyal kecil AC bergantung frekuensi untuk sebuah
konduktor biasanya akan berbentuk sebuah
semi-lingkaran. Pada konduktor ion, semi-lingkaran yang diamati umumnya berbentuk tidak ideal atau tidak sempuma, misalnya pada plot pennitivitas listrik, plot impedansi kompleks dan admitansi kompleks. Analisis tanggapan dielektrik model Jonscher [7,8] menunjukkan bahwa tanggapan a.c. bahan konduktor ion disebabkan oleh dua sumber polarisasi, yaitu (i) lapisan ganda yang terbentuk pada antannuka elektroda logam-elektrolit dan (ii) pergeseran muatan-muatan terikat didalam bulk elektrolit.
BAHAN DAN TAT A KERJA
Pengukuran data impedansi kompleks bahan dilakukan dengan peralatan DELICA high precision LCR meter mini Wien-Bridge model DI5 berfrekuensi tetap 1 kHz pada modus rangkaian jembatan komparasi serio Osilator rangkaian merupakan jembatan Wien dengan komponen AC.
Sebagai sumber frekuensi luar digunakan wide band function generator tipe FG 161, dengan berbagai frekuensi AC, mulai dari 0,25 -30,0 kHz. Cuplikan berbentuk serbuk yang dipres menjadi pelet dengan tebal 0,31 cm dan garis tengah 1,15 cm. Sebagai elektroda dioleskan pasta perak yang dikeringkan di udara. Sel cuplikan merupakan pengumpul muatan tembaga. Untuk menghindarkan oksidasi seluruh sel diletakkan di dalam tabung pyrex yang divakumkan. Sebagai pemanas digunakan furnace tubular Linn-Elektrotherm, temperatur diukur oleh termokopel digital tipe Cr-Al. Pengamatan impedansi dilakukan pada rasa di bawah temperatur transisi 13 (70 °C) dan pada rasa di atas temperatur transisi a (290 °C).
Pada Gambar I. disajikan diagram kerja pengukuran tanggapan frekuensi pada frekuensi-frekuensi rendah (audio dan radio).
Gambar 1. Prinsip pengukuran tanggapan frekuensi pada frekuensi audio daD radio V(t) sinyal kecil A.C., Z(t) impedansi bahan daD I(t) arus A.C. sebagai output.
Tabell. Sampel
data basil
pengukuran
impedansi
kompleks Ag2S
pada 70 °c.
Tanggapan frekuensi dicocokan (fitting) pada model umum tanggapan dielektrik Jonscher (persamaan (2)), yaitu pada keadaan khusus (X = 0, atau model Davidson-Cole (D-C), dan keadaan khusus 13= I, atau model Cole-Cole (C-C) [7].
HASIL DAN PEMBAHASAN
Impedansi riil ZR = Rs, impedansi imajiner Zc = (27tfC)-I. Konstanta dielektrik relatif kompleks bahan fungsi frekuensi
ER * [0)] dihitung menggunakan hubungan Z*[o}]=ER*[o}]EoA/I (I) dimana :
E*R = fungsi kompleks E*R = E'R -jE", Z* = fungsi kompleks ZR -j Zc, j = -./-1 (bil. imajiner), Rs = tahanan d.c. cuplikan, C = kapasitansi cuplikan, A = luas penampang efektif cuplikan, I = panjang cuplikan, Z*[O}] = impedansi kompleks cuplikan clan Eo = konstanta permitivitas dielektrik ruang hampa. Data-data yang diperoleh terbagi dalam dua bagian. Yaitu data-data untuk
temperatur di bawah temperatur transisi
superionik clan untuk temperatur di atas temperatur transisi superionik. Pada Tabel I disajikan contoh data impedansi bahan clan besaran impedansi riil clan imajiner clan pada Tabel 2 disajikan be saran konstanta permitivitas listrik relatif riil clan imajiner pada temperatur 70 °c (fasa ("3).
Kedua jenis data dianalisa dengan cara analisis yang sarna. Model empiris Jonscher mengasumsikan bahwa tanggapan dielektrik cuplikan konduktor superionik
dapat direpresentasikan dengan sebuah
rangkaian ekuivalen yang terdiri dari suatu besaran CPE (unsur berfasa konstan) yakni C.." yang sebenarnya merupakan harga kapasitansi C pada sa'at frekuensi 0} ;: 00, yang paralel dengan sebuah impedansi kompleks fungsi frekuensi Z*[O}]. Kurva tanggapan frekuensi untuk temperatur 70 °c clan 290 °c menunjukkan anomali tanggapan dielektrik pada daerah frekuensi tertentu, yang secara kualitatif merupakan verifikasi konduksi ion cepat dalam bahan Ag2S [8]. Anomali konstanta dielektrik narnpak jelas pada temperatur 290 °c (fasa-a) , terjadi pada frekuensi sekitar 10kHz, sedangkan pada temperatur 70 °c anomali yang teramati tidak setajam anomali pada rasa-a temperatur tinggi. Tanggapan frekuensi bahan Ag2S
disajikan pada gambar 2.
&s -&'"
Tabel 2. Contoh hasil perhitungan bagian riil clan imajiner impedansi kompleks clan permitivitas kompleks Ag2S pada 70 DC. gs = Konstanta dielektrik statis. Yaitu harga g
pada sa'at 0) ~ O.
g", = Konstanta dielektrik pada frekuensi tinggi ( 0) == 00)
tp = Waktu hopping ion Ag+. a,1} = parameter konstan.
Parameter-parameter gs, g"" tp' a, I} diperoleh dengan metode pencocokan kurva tidak-linier Marquardt-Levenberg [9]. Pada Tabel 3. disajikan parameter hasilleast-squares fitting model tanggapan dielektrik bahanAg2S. Harga tp yaitu waktu hopping (Ioncatan) yang dibutuhkan oleh ion Ag'" dari keadaan stasioner ke modus konduksi, dapat dianalisis melalui fitting least-squares model D-C dan C-C. Harga tp basil analisis fitting pada rasa B hampir sarna untuk model D-C dan C-C (pada orde besaran 10.4 s), namun pada rasa a, model D-C memberikan basil yang lebih mendekati harga tp teoritis (kurang lebih mendekati periode vibrasi fonon pada kisi ~ 10.12 s). Hasil ini menunjukkan bahwa efek hopping ion mobil Ag + amat dominan pada proses relaksasi dielektrik untuk bahan konduktor super ion Ag2S, yang memang menjadi ciri khas suatu konduktor superion.
I Frekuensl Zc ZR ER" ER' (kHz) (0.) (0.) (imajiner) (riil) 90,S 18,2 1,45xI0' 1,7xI0' 0,500 71,2 18,0 3,9xI0' 7,2xI0' 1,000 52,5 24,7 l,3xIO' 2,5xIO' 1,500 75,3 17,9 l7l 2,000 82,0 22,2 b~ 2,500 56,3 21,8 I 73 ! 3,000 50,5 I 3.500
Tabel 3. Parameter basil/east-squares fitting model tanggapan dielektrik Ag2S
70°C.
~o~el ~
D-C 0 0,025-~- -Ae~.
3,9 x 10AI
,e~-:oo
6,95 x 10."I
"t~ -~s~
9,7 x 10-,,-lU
4 7 -4
C-C 0,49 1,0 3,1 x 10 1,4x 10 1,4 x 10
~--~-
,,-~ ~ ...~
., ., ... >" :;§
.. """
",-.'-I.:
'"'~
.,
~ '"'~
§
.. ., Q.Gambar 2. Permitivitas relatifkompleks E*R bahan konduktor superion Ag2S rasa monoklinik 13 (kiri) dan rasa kubik a (kanan). Plot terdiri atas bagian riil dan
imajiner bilangan kompleks E*R = E' R -jE"Ro Garis malar dan garis terputus merupakan hasil fitting model Cole-Cole dan Davidson-Cole
KESIMPULAN DAN SARAN
Secara umum dari basil kecocokan profil yang cukup bagus dapat disimpulkan bahwa metode analisis Jonscher mampu untuk menjelaskan fenomena tanggapan dielektrik tidak ideal pacta konduktor ion Ag2S. Hasil least-squares jitting umumnya menunjukkan bahwa mekanisme hopping ion-ion mobil Ag+ pacta bahan Ag2S mempengaruhi tanggapan dielektrik bahan. Hasil ini juga menunjukkan bahwa analisis umum metode Jonscher mampu untuk mendeteksi besaran mikroskopis waktu hopping tp. Masalah penting yang akan diteliti lebih lanjut ialah pemahaman yang lebih mendalam akan fenomena ini. Untuk itu akan dibahas beberapa model-model yang lebih rinci pacta laporan ilmiah mendatang.
UCAP AN TERIMA KASIH
Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada Pak Yohanes , tehnisi bengkel ISN yang telah membantu dalam pembuatan pelet Ag2S clan modifikasi sel elektroda untuk pengukuran impedansi. Selain itu juga penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdr. Yuliedi Firdaus yang telah membantu dalam pengukuran impedansi kompleks.
