Sintesis Bahan Piezoelektrik Ramah Lingkungan Berbasis Bi0,5 Na0,5 TiO3 Menggunakan Metode Solid State Reaction Dengan Penambahan Dopan Ta2O5

(1)

SINTESIS BAHAN PIEZOELEKTRIK RAMAH

LINGKUNGAN BERBASIS Bi

0,5

Na

0,5

TiO

3

MENGGUNAKAN

METODE

SOLID STATE REACTION

DENGAN

PENAMBAHAN DOPAN Ta

2

O

5

SKRIPSI

DEWI SURYANI

120801027

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(2)

SINTESIS BAHAN PIEZOELEKTRIK RAMAH

LINGKUNGAN BERBASIS Bi

0,5

Na

0,5

TiO

3

MENGGUNAKAN

METODE

SOLID STATE REACTION

DENGAN

PENAMBAHAN DOPAN Ta

2

O

5

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat

mencapai gelar Sarjana Sains

DEWI SURYANI

120801027

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(3)

LEMBAR PENGESAHAN

SINTESIS BAHAN PIEZOELEKTRIK RAMAH

LINGKUNGAN BERBASIS Bi

0,5

Na

0,5

TiO

3

MENGGUNAKAN

METODE

SOLID STATE REACTION

DENGAN

PENAMBAHAN DOPAN Ta

2

O

5

OLEH:

DEWI SURYANI NIM : 120801027

DISETUJUI OLEH: Komisi Pembimbing

Drs, Syahrul Humaidi, M.Sc Drs. Syahfandi Ahda, MT NIP.196505171993031009 NIP.196002021987021001

Diketahui Oleh:

Departemen Fisika FMIPA USU Kepala Pusat Sains dan Teknologi

Ketua, Bahan Maju-BATAN

(4)

PERSETUJUAN

Judul : Sintesis Bahan Piezoelektrik Ramah Lingkungan Berbasis Bi0,5 Na0,5 TiO3 Menggunakan Metode

Solid State Reaction Dengan Penambahan Dopan Ta2O5

Kategori : Skripsi

Nama : Dewi Suryani

Nomor Induk Mahasiswa : 120801027

Program studi : Sarjana (S1) Fisika

Departemen : Fisika

Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sumatera Utara

Disetujui di Medan, Juli 2016

Disetujui Oleh

Pembimbing 1, Pembimbing 2,

Drs.Syahrul Humaidi, M.sc Drs. Syahfandi Ahda, MT

NIP : 196506171993031009 NIP: 196002021987021001

Departemen Fisika FMIPA USU

Ketua,

Dr. Marhaposan Situmorang

(5)

PERNYATAAN

SINTESIS BAHAN PIEZOELEKTRIK RAMAH

LINGKUNGAN BERBASIS Bi

0,5

Na

0,5

TiO

3

MENGGUNAKAN

METODE

SOLID STATE REACTION

DENGAN

PENAMBAHAN DOPAN Ta

2

O

5

SKRIPSI

Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa

kutipan dan ringkasan yang masing- masing disebutkan sumbernya.

Medan,

Juli 2016

DEWI SURYANI

(6)

PENGHARGAAN

Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas segala berkat dan

anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan studi selama perkuliahan

dengan lancar dan dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “SINTESIS BAHAN PIEZOELEKTRIK RAMAH LINGKUNGAN BERBASIS Bi0,5

Na0,5 TiO3 MENGGUNAKAN METODE SOLID STATE REACTION

DENGAN PENAMBAHAN DOPAN Ta2O5”. Yang dilaksanakan di Lab. Pusat Sains dan Teknologi Bahan Maju (PSTBM–BATAN), Serpong, Tangerang

Selatan sesuai dengan waktu yang ditetapkan. Skripsi ini disusun sebagai syarat

akademis dalam menyelesaikan studi program sarjana (S1) Jurusan Fisika,

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara,

Medan.

Penulis menyadari bahwa selama proses penulisan skripsi ini hingga

terselesaikannya penyusunan skripsi ini banyak sekali bimbingan dan bantuan dari

berbagai pihak. Dalam kesempatan ini saya ucapkan terimakasih dan penghargaan

yang sebesar-besarnya kepada:

1. Kedua orang tua tercinta, Ayahanda Mahmudin Lubis dan Ibunda Nur

Baidah Nasution atas cinta dan kasih sayang, doa yang tiada hentinya,

memberikan nasehat, memotivasi, serta dorongan materi maupun moril

terhadap penulis. Kepada kedua adik tersayang Iwan Abdul Jalil Lubis dan

Indri Suryani Lubis yang selalu memberikan semangat dan dukungan.

2. Bapak Dr. Kerista Sebayang M.S selaku Dekan Departemen Fisika

Fakultas Matematika dan ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera

Utara, Medan.

3. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang selaku ketua Departemen Fisika

Fakultas Matematika dan Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara

Medan.

4. Bapak Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku dosen pembimbing I yang telah

meluangkan waktu disela-sela kesibukannya untuk membimbing dan

(7)

5. Bapak Drs. Syahfandi Ahda, MT selaku dosen pembimbing II yang telah

banyak memberikan bantuan selama di BATAN Serpong, baik itu

bimbingan, masukan dan arahan, serta kesabaran dalam membimbing

penulis hingga selesainya proses penelitian ini. Terimakasih juga kepada

seluruh staff BATAN atas ilmu yang sangat bermanfaat, nasehat yang

membangun, atas motivasi dan arahan yang telah diberikan selama

melakukan proses penelitian di BATAN Serpong, serta semua pihak yang

langsung/tak langsung telah membantu hingga selesainya proses penelitian

ini.

6. Ibu Dra. Sudiati, M.Si selaku dosen wali penulis selama mengikuti

perkuliahan serta kepala Lab. Fisika Inti yang telah banyak memberikan

do’a dan semangat kepada penulis.

7. Kakak tercinta Endang Aryanthi Lubis dan suami abang Arfanuddin

Pulungan, serta keponakan tersayang Reifwan Arya Putra Pulungan

terimakasih banyak karena telah memberikan semangat dan dorongan

kepada penulis selama perkuliahan hingga selesainya penulisan skripsi ini.

8. Tulang Sarfawi Nasution, Ahmad Syukri Nasution, Uak Darlia Nasution,

Nur Liana Nasution, Rosiah Nasution, Zubaidah Nasution, Agus Salim

Siregar, Yahya Tanjung atas semangat dan nasehat yang diberikan kepada

penulis.

9. Sepupu-sepupu tersayang bang Mauli, bang Irfan, bang Iwan, bang Sofyan,

bang Rizki, kak Liza, kak Reni, Kak Laila, Farez, Luthfi, dll.

10.Yani Permata Sari sahabat seperjuangan dalam berbagi ilmu selama

penelitian di PSTBM-BATAN, Serpong. Teman-teman mahasiswa TA

PSTBM BATAN, Serpong (kak Henni, Uni Wynda, Uni Enny, Mbak Ayu,

Nida, Hanif, Bayu, Riko, Cipta, Mardianto, Rio, Fauza, Ilwan, Dwi, Irma,

dll) yang telah banyak membantu dan senantiasa menyemangati dalam suka

maupun duka. Senang sekali diberi kesempatan oleh Allah mengenal

kalian.

11.Teman-teman seperjuangan di “PHYSICS ON FIRE” β01β (Riris, Cyndi,

Sulis, Santa, Marta, Elisabeth, Mutia, Tania, Melpa, Ilhamsyah, Sabran,

(8)

Wils, Andrianus, Fransisco, Marez, Iqbal, Rudi, Franki, Adin, dll) yang

memberikan kesan dan kenangan selama perkuliahan.

12.Teman-teman asisten di Laboratorium Fisika Inti (Cut Hani Safira, Rahmad

Saleh Nasution, Lyana Amirani, dan Risuliniko Saragih).

13.Kak Layla, Kak Putri, Kak Sri Handika, Bang Dosni, Bang Juan, adik-adik

FISIKA USU stambuk 2013 (Yara, dkk), stambuk 2014 (Fauzy, dkk),

stambuk 2015 (Ira, Pardom, Indra, dkk).

14.Sahabat-sahabat tersayang yang telah banyak memberikan semangat dan

dorongan kepada penulis (Fajar Siddik Nasution, May Safitri, Yusnina,

Nora, Abdi, Aswan, Malini, Irfan, Asiyah, dll) mudah-mudahan

persahabatan kita sampai syurganya Allah SWT.

15.Serta semua pihak yang sudah membantu selama penyelesaian skripsi ini.

Penulis menyadari dalam penulisan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan

dan terdapat banyak kekurangan. Oleh karena itu kritik dan saran yang sifatnya

membangun sangat diharapkan untuk penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata

semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis maupun bagi orang lain yang

membacanya.

Medan, Juni 2016

(9)

SINTESIS BAHAN PIEZOELEKTRIK RAMAH

LINGKUNGAN BERBASIS Bi

0,5

Na

0,5

TiO

3

MENGGUNAKAN

METODE

SOLID STATE REACTION

DENGAN

PENAMBAHAN DOPAN Ta

2

O

5

ABSTRAK

Telah dilakukan sintesis bahan piezoelektrik BNT dengan penambahan dopan Ta2O5 menggunakan metode solid state reaction. Pada metode ini dilakukan

penggerusan selama 4 jam, kompaksi dengan tekanan 5000 psi, kalsinasi selama 1 jam pada suhu 200oC dan sintering pada suhu 950oC selama 4 jam. Pada penelitian ini, dilakukan variasi terhadap penambahan dopan Ta2O5 sebesar 0%,

1.5%, 3%, 4.5%, 6% dan 15%. Sampel dikarakterisasi menggunakan XRD, LCR dan BET. Berdasarkan XRD, LCR, dan BET diperoleh bahwa bahan BNT-Ta2O5

memiliki unjuk kerja optimal berada pada saat 3% penambahan dopan Ta2O5.

(10)

THE SYNTHETHESIS OF ENVIRONMENTALLY FRIENDLY

PIEZOELECTRIC MATERIALS BASED ON Bi

0,5

Na

0,5

TiO

3

USING SOLID STATE REACTION METHOD WITH THE

ADDITION OF DOPANT Ta

2

O

5

ABSTRACT

The research on synthesis of BNT piezoelectric material with addition dopant Ta2O5have been carried out by using solid state reaction method. In this research,

samples were made by using these parameters, 4 hours millings, compaction on 5000 psi, calcination on 200oC and sintering on 950oC for 4 hours. Samples were performed into four variations by doped 0%, 1.5%, 3%, 4.5%, 6% dan 15% of Ta2O5. Every sample was characterized by XRD, LCR, and BET. Based on

characterized XRD, LCR, and BET it is obtained that BNT-Ta2O5 have optimals

work method at the moment of adding 3% of Ta2O5.

(11)

DAFTAR ISI

Halaman

Persetujuan i

Pernyataan ii

Lembar Pengesahan iii

Penghargaan

Daftar Gambar xii

Datrar Lampiran

BAB 1. PENDAHULUAN 1

1.1Latar Belakang 1

1.2Rumusan Masalah 3

1.3Batasan Masalah 3

1.4Tujuan Penelitian 3

1.5Manfaat Penelitian 4

1.6Sistematika Penulisan 4

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 5

2.1 Struktur Kristal 5

2.2 Bahan Dielektrik 7

2.3 Piezoelektrik 8

2.4 Bismut Natrium Titanium (BNT) 9

2.5 Struktur Bismut Natrium Titanat

10

2.6 Metode Padatan (solid state reaction)

10

2.7 Temperatur Curie

11

2.8 Difraksi Sinar-X

(12)

2.9 Metode Hanawalt (JCPDS)

13

2.10 LCR meter

15

2.11 BET (Brunauer-Emmet-Teller)

15

BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN

16

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

16

3.2 Peralatan dan Bahan Penelitian

16

3.2.1 Peralatan

16

3.2.2 Bahan Penelitian

17

3.3 Prosedur Penelitian

17

3.4 Sintesis Bahan

20

3.5 Karakterisasi Sampel

20

BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

21

4.1 Bahan-Bahan Dasar

21

4.1.1 Hasil Reaksi Bahan Dasar Bi2O3

21

4.1.2 Hasil Reaksi Bahan Dasar Na2CO3

(13)

4.1.3 Hasil Reaksi Bahan Dasar TiO2

23

4.1.4 Hasil Reaksi Bahan Dasar Ta2O5

24

4.2 Sintesa BNT Menggunakan XRD

25

4.3 Sintesa BNT Dengan Penambahan Dopan Ta2O5 Menggunakan XRD

27

4.4 Sintesis dan Karakterisasi LCR

30

4.5 Hasil Sintesa Menggunakan Karakterisasi BET 32

4.6 Hasil dan Sintesis Gabungan dari Semua Karakterisasi

32

BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN

33

5.1 Kesimpulan

33

5.2 Saran

34

DAFTAR PUSTAKA

35

(14)

DAFTAR TABEL

Sel satuan konvensional dan 14 kisi Bravais

Salah satu contoh kartu Hanawalt (JCPDS) dari

Data JCPDS Bahan Na2CO3(Nomor 19-1130)

Data JCPDS Bahan TiO2 (Nomor 21-1272)

Data JCPDS BahanTa2O5 (Nomor 25-0922) 4.5 Nilai titik leleh dan titik didih bahan-bahan dasar 27 4.6 Hasil perhitungan parameter kisi untuk

rhombohedral

(15)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Gambar

Judul Halaman

1.1 Penggunaan bahan piezoelektrik pada alat kesehatan USG

2

2.1 Skema tentang struktur kristal 5

2.2 Efek piezoelektrik langsung dan efek balikan 8

2.3 Struktur perovskite BNT 10

2.4 Difraksi sinar-X oleh bidang kristal 12 3.1

4.1

Tahapan Penelitian

Pola difraksi sinar-X dan data JCPDS bahan Bi2O3

19 21 4.2 Pola Diffraksi sinar-X dan data JCPDS bahan Na2CO3 22

4.3 Pola Diffraksi sinar-X dan data JCPDS bahan TiO2 23

4.4 Pola Diffraksi sinar-X dan data JCPDS bahanTa2O5 25

4.7 Pergeseran Pola Diffraksi sinar-X bahan BNT dengan Penambahan Dopan Ta2O5 pada bidang (200)

30

4.8 Perubahan parameter kisi pada struktur Rhomhedral dengan fraksi mol Ta2O5

4.11 Grafik perbandingan penambahan Ta2O5 dengan

Temperatur Curie

33

4.12 Grafik perbandingan antara BNT-Ta % dengan volume total pori