PENGARUH TEMPERA TUR SINTERING TERHADAP KONDUKTIVITAS LISTRIK IONIK AgIl

Pros;d;ng Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; /997 /SSN /4/0 -2897

PENGARUH TEMPERA TUR SINTERING TERHADAP

KONDUKTIVITAS

LISTRIK IONIK AgIl

b

Arie Widowati2, Azis K.Jahya2, daD Johanes A.M2,

ABSTRAK

PENGARUH TEMPERATUR SINTERING TERHADAP KONDUKTIVITAS LISTRIK IONIK AgI. Telah dilakukan pengukuran konduktivitas AgI sebagai fungsi temperatur untuk cuplikan-cuplikan yang telah disinter terlebih dahulu dengan dengan temperatur sintering yang berbeda-beda yaitu pacta temperatur kamar (25°C), 144°C, dan 300°C. Konduktivitas ionik yang terbaik terjadi pacta temperatur sintering 300°C. Harga konduktivitas a-AgI maksimum O,894/Ocm.

ABSTRACT

THE INFLUENCE OF SINTERING TEMPERATURE TO IONIC ELECTRIC CONDUCTIVITY OF Agi. The measuremence of AgI ionic conductivity as a function of temperatures have been performed to some samples which sintered at various sintering temperature of 25°C, 144°C and 300°C. The optimum conductivity is achieved at 3000C with the maximum conductivity of Agi was found to be O,894/Qcm.

KEY WORD

Sintering, Ionic conductivity, AgI

PENDAHULUAN

temperatur transisi rasa namun lebih rendah daTi temperatur leleh bahan.

Pada penelitian ini, digunakan metoda AC bridge dengan prinsip kerja jembatan Wheatstone. Pada teknik jembatan Wheatstone, tahanan listrik (R) dan kapasitansi (C) cuplikan disetimbangkan (balanced) dengan R dan C variabel. Pada jembatan impendance, R dan C dirangkai secara seri, sedangkan pada jembatan admittance, R dan C dirangkai secara paralel. Sewaktu menyetimbangkan (balancing) jembatan admittance pada frekuensi tertentu, nilai R dan C diperoleh pada titik Dol (null

point).

Dengan mengukur tahanan listriknya (R), kemudian menggunakan persamaan (11) clan (12) dapat ditentukan harga konduktivitas listriknya.

Dalam makalah ini akan disampaikan hasil penelitian tentang pengaruh temperatur sintering cuplikan terhadap konduktivitas listrik ionik bahan superionik Agl.

TEORI

Superionik merupakan suatu bahan yang

mempunyai konduktivitas listrik tinggi (10-4 -10-I) Q -lcm-l, sebanding dengan konduktivitas listrik elektrolit cairo Sedangkan konduktivitas elektronnya umumnya rendah (bilangan transfer elektronnya, te < 10-4), karena pembawa muatan utamanya adalah ion. Bahan superionik ini mempunyai struktur clan sifat fisis diantara zat kristalin normal dengan struktur kristal teratur yang ion-ionnya tidak mobil dengan elektrolit cair tanpa struktur, tetapi ion-ionnya mobil.

Konduktivitas listrik ionik sangat dekat hila _dihubungkan dengan jenis ketidaksempurnaan kisi. Pada beberapa tahun terakhir ini,

perkembangan penelitian material maju telah demikian pesatnya, diantaranya adalah bahan superionik. Salah satu bahan superionik dasar dari keluarga Perak yaitu AgI. Dari penelitian-penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti terdahulu, konduktivitas AgI pada temperatur ruang berorde 10-4, kemudian pada temperatur transisi rasa meningkat secara spontan sebanyak :t 4 orde (dari 10-4ke 10°)1)

Pengukuran konduktivitas listrik bahan superionik tersebut sangat bergantung pada keadaan kontak dari bahan tersebut. Oleh karena itu bahan superionik yang akan diukur konduktivitasnya, sebaiknya dibentuk relet yang homogen sehingga transfer panas yang terjadi akibat pengukuran konduktivitas fungsi temperatur dilakukan dapat merata. Untuk itu dilakukan proses sintering terlebih

dahulu mengingat kondisi saat pembentukan relet tidak dilakukan dalam kondisi vakum.

Temperatur sintering haruslah terletak di atas temperatur transisi rasa namun dibawah temperatur leleh bahan. Hal ini dilakukan karena pada temperatur di atas temperatur transisi rasa AgI telah berfasa a dan berstruktur BCC. Di samping itu konduktivitas listrik ionik bahan superionik pada temperatur transisi rasa naik secara tiba-tiba sebanyak :t 3 orde dan meningkat terns seiring dengan naiknya temperatur sampai pada temperatur lelehnya. Untuk itu dipilih temperatur sintering yang lebih rendah dari temperatur transisi rasa dan temperatur ~~~~g ~ang lebih tinggi dari ; Dipres*ikan pada Pertemua.:;-:ilmiahSainsMateri 1997 2 Pusat Penelitian Sains Materi -BAT AN

Prosidin Pertemuan llmiah Sains Materi 1997 ISSN 1410 -2897

~k

=ZeD

dan persamaan

(1), maka diperoleh :

2

(

)

n Ze -E

a = -~a

_kT

d2 v exp -!!.

_{0 kT}

Untuk bahan ionik, jumlah pembawa muatan (cacat

Frenkel atau Schottky) hanya ditentukan oleh

temperatur

bahan tersebut

:

n=noexp

(~)

no dan Ef masing-masing jumlah ion dan energi pembentukan cacat.

Maka konduktivitas untuk bahan ionik normal: 0" = a no (Ze)2 Vo d2 (kT)-1 exp

(':~ki-~ £1)

dimana Em + E = E

f .

Untuk bahan superionik, karena struktur kristalnya mempunyai banyak kekosongan (vacancy), maka jumlah pembawa muatan, n = Bno sehingga :

0" = a 13 flu (Ze)2 Vo d2 (ff)-1 exp

I' -E

--!!L

kT,

Hal ini pertama kali diungkapkan oleh Frenkel clan telah dilanjutkan oleh Schottky clan Wagner. Secara urn urn ada dua cara ion-ion bergerak di dalarn kristal yaitu (I) Ion-ion tersebut dapat bergerak pada posisi aurora (interstisi) yang tidak terisi di dalarn snafu kristal sernpuma (disebut cacatFrenkel) clan (2) lon-ion tersebut bergerak dengan rnelornpat ke dalarn posisi yang kosong (vacancy) atau dapat dikatakan bahwa kekosongan (vacancy) bergerak rnelalui kisi clan rnernbawa arus (cacat Schootky). Pergerakan ion-ion kisi tersebut rnenyebabkan terjadinya konduksi listrik.

Menurut

cara

konduksinya

bahan

superionik terdiri dari dua kelornpok yaitu (1) bahan jenis cacat titik (point defect type) clan (2) bahan jenis subkisi lebur (molten sub lattice). Padajenis (I),

konduksi ion dilakukan rnelalui cacat Frenkel atau Schottky sehingga dengan rneningkatnya ternperatur rnaka sernakinn banyak cacat yang terjadi. Pada jenis

(2), teori rnenggunakan cacat Frenkel, tetapi jurnlah ternpat yang rnungkin ditempati dalarn sub kisinya jauh lebih besar daripada jurnlah ionnya, sehingga sernua ion dapat loncat (hopping) atau bergerak seperti ion bebas. Kondtiktivitas listrik pada bahan berfasa tunggal dapat dituliskan sebagai :

cr = L n. z. II._{I "'"}

dimana ni adalah konsentrasi pernbawa rnuatan (ion clan elektron) dengan rnuatan Z clan rnobilitas It-Pada bahan superionik kontribusi elektron terhadap cr dapat diabaikan karena t. « 10-4. Persamaan Arrhenius untuk konduktor superionik adalah :

(9)

dimana Em = E.

Konduktivitas listrik bahan merupakan

perbandingan

antara kerapatan arus listrik dengan

kuat medan listrik atau dinyatakan

sebagai:

cr = liE (2)

(10)

dengan : 0' = konduktivitas listrik J = kerapatan arus listrik E = kuat medan listrik

Bila pada suatu kawat yang panjangnya L clan luas penampangnya A dialiri arus listrik, maka

J = If A clan E = V/L E adalah energi aktivasi untuk konduksi clan 0"

.0

adalah konstanta preeksponensial. Difusi ion terjadi apabila energinya dapat mengatasi energi ambang (barrier) untuk migrasi, Em. Apabila V adalah

0

frekuensi vibrasi atomik, maka kebolehjadian terjadinya loncatan per detik adalah :

(II)

-E ' --!!!-kT"

dimana

~

= v 0 exp I = arus listrik

V = beda potensia'i~strik

sehingga

R=p

(12)

Vo dinamakan attemptfrequency.

Konstanta difusi D tergantung pada jarak d clan

faktor geometrik a melalui persamaan : dimana (J = lip

(~J

TATA KERJA

0 = a d2v = a d2 Vo exp

₍₄₎

, kT"

Dengan

menggunakan

persamaan

Nemst-Einstein,

ProsidinJ! Pertemuan I/miah Sains Mater; J 997 ISSN J 4 J 0 -2897

6. Hasil endapan B-AgI ini yang digunakan pada pengukuran kondQktivitas listrik ionik.

Pengukuran Konduktivitas Listrik

Pengukuran konduktivitas listrik AgI, menggunakan metoda AC-Bridge. Cuplikan berupa pelet silindris berukuran panjang :I: 5,5 mm dan diameter :I: 10 mm.. Cuplikan tersebut kemudian dibagi menjadi tiga macam, masing-masing cuplikan yang pada temperatur ruang (T=25°C), cuplikan yang disinter pada temperatur 144°C (T=144°C) dan cuplikan yang disinter pada temperatur 300°C (T=300°C).

Kemudian pengukuran konduktivitas listrik fungsi temperatur (konduktivitas listrik diukur untuk tiap-tiap temperatur dari temperatur ruang (T=25°C) hingga 300°C. Pemanasan cuplikan dilakukan dengan menggunakan tungku LINN High Therm

model VMK

10, dan untuk

pengukuran

temperatumya digunakan alat ukur temperatur

Digital Thermometer model2168A FLUKE 4357004 dengan tennokopel tipe K model SK3002-1S-03000. Sedangkan pengukuran konduktivitas listrik dilakukan dengan menggunakan alat ukur tahanan listrik High Precision LCR Meter DELICA Mini

Penyiapan Cuplikan

Bahan AgI yang digunakan pada penelitian ini adalah bahan AgI yang diperoleh dari AgI dari MERCK, namun dari hasil pengukuran dengan difraksi sinar-x terlihat bahwa pada temperatur ruang AgI memiliki rasa campuran, yaitu rasa B yang berstruktur heksagonal clan rasa y yang berstruktur kubik FCC!) Untuk mendapatkan rasa B-AgI perlu dilakukan proses pemumian 3), sebagai berikut : 1. AgI dilarutkan ke dalam larutan KI pekat

dengan kepekatan minimum 70% (=0,75 g KI/ml air) sampai terlarut sempuma yang ditandai dengan beningnya larutan tersebut. 2. Kemudian ditambahkan air yang telah

didemineralisasi. Untuk setiap 25 gram AgI dibutuhkan air :J: 1 000 ml untuk proses

pengendapan.

3. Endapan tersebut disaring dengan kertas saring. 4. Setelah itu dilakukan proses dekantasi endapan

AgI hingga endapan terbebas dari ekses KI. Unt\lk 25 gram AgI dibutuhkan :1:4000 ml air untuk dekantasi.

5. Kemudian dilakukan pemeriksaan endapan AgI tersebut1elah terbebas dari ekses KI yaitu dengan

Grafik Log Konduktivitas Listrik Ionik AgI vs Invers Temperatur pacta Berbagai Temperatur Pemanasan Cuplikan.

Prosidin Pertemuan IlmiahSains Materi /997 ISSN /4/0 -2897

Dari gambar tersebut dapat ditentukan harga konduktivitas listrik ionik maksimum, minimum clan pada temperatur transisi untuk cuplikan dengan temperatur sintering yang berbeda-hecla seperti terlihat pada tabel 1.

KESIMPULAN

Dari penelitian seperti yang telah diuraikan dl atas, maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Pengukuran konduktivitas listrik ionik bahan Tabel Konduktivitas Listrik Ionik AgI untuk Berrnacam-macam Temperatur Sintering

superionik temyata lebih baik hila bahan disinter terlebih dahulu, karena dengan demikian maka kondisi cuplikan yang sudah dalam bentuk pelet menjadi lebih homogen. Konduktivitas listrik ionik suatu bahan superionik dipengaruhi oleh temperatur Keseluruhan keadaan yang telah diuraikan di

atas menunjukkan bahwa bila cuplikan disinter hingga temperatur di bawah temperatur transisi rasa (= I 47°C), sifat superionik yang ditunjukkan kurang optimal. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh

2.

Gambar 2a. Difraktogram AgI pada Temperatur Ruang

keadaan struktur kristal AgI yang di bawah temperatur transisinya masih berstruktur heksagonal seperti yang terlihat pada difraktogram (gambar 2a). Sedangkan bila cuplikan disinter hingga suhu di alas temperatur transisi fasanya, struktur AgI tersebut sudah berubah menjadi bentuk kubik (seperti difraktogram pada gambar 2b) yang lebih stabil, sehingga pergerakan ion menjadi lebih mudah. Oi samping itu makin besar temperatur sintering, maka cuplikan tersebut menjadi semakin homogen sehingga pergerakan ion dalam mengisj kekosongan

(vacancy) mejadi lebih Ian car.

sinteringnya. Dan temperatur sinter yang baik adalah temperatur yang ~erletak antara temperatur transisi (TIT) dengan temperatur lelehnya (TJ, dalam hal ini 300°C.

/SSN /4/0 -2897

Gambar 2b. Difraktogram AgI pada Temperatur di atas Temperatur Transisi Fasa

2, UCAP AN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada semua pihak yang telah membantu dalam pelaksanaan penelitian ini antara lain kepada Kepala Balai Teknokimia clan Kepala Bidang Fisika Zat Mampat, Pusat Penelitian gains Materi BA TAN atas ijin penggunaan peralatan.

3

4.

DAFTARPUSTAKA

5

WIDOW A TI, A, Anomali Beberapa Sifat Fisis

Konduktor Superionik AgI, Tesis S2, ITB,

Bandung,

(1995).

Handbook of Preparation Inorganic Chemistry,

Vol. 2, 2nd ed., edited by George Brauer,

Academic Press,

NY.

Instruction Manual DEL/CA Mini Bridge model

DIS, Final Document Part-2, BAT AN MPR-SL,

Phase 3, Laddemet Project, Sumitomo

Corporation,

Tokyo, Japan,

(1991).

BLATT, FRANK J., Solid State Physics Source

Book, edited by Sybil P. Parker, Mc Graw Hill

Book Co., New York, (1988).

CHANDRA, S., Superionic Solid, Principples and Application, North Holland Publishing Co., Netherlands, (1961).