ii
LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI
Skripsi dengan judul: Fabrikasi dan Karakterisasi Kaca TZBN yang didadah Ion Nd3+
Yang ditulis oleh:
Nama : Evi Nurliana NIM : M0209023
Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada Hari : Rabu
Tanggal : 28 Agustus 2013 Anggota Tim Penguji:
1. Dra. Riyatun, M.Si
NIP.19680226 199402 2 001
2. Lita Rahmasari, S.Si., M.Sc NIP.19800707 201012 2 001 3. Mohtar Yunianto, S.Si., M.Si
NIP. 19800630 200501 1 001 4. Drs. Hery Purwanto, M.Sc. NIP. 19590518 198703 1 002 ... ... ... ... Disahkan Oleh Ketua Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta
Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D NIP. 19680508 199702 1 001 commit to user
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “Fabrikasi dan Karakterisasi Kaca TZBN yang didadah Ion Nd3+ “ belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis dan diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Surakarta, Agustus 2013
Penulis
iv
FABRIKASI DAN KARAKTERISASI KACA TZBN YANG DIDADAH ION Nd3+
EVI NURLIANA
Jurusan Fisika, Fakultas Matematia dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan parameter-parameter dalam melakukan fabrikasi kaca TZBN: Nd dan mengetahui karakteristik sifat optis dari kaca TZBN: Nd3+. Kaca tellurite yang digunakan adalah TZBN (Tellurium Zinc Bismuth Natrium Oksida) dengan komposisi (%mol) 60TeO2-(34-x)ZnO-2Bi2O3-4Na2O-xNd2O3 dengan variasi dadah x= 0,5; 1; 1,5; dan 2. Fabrikasi telah berhasil dilakukan dengan menggunakan metode melt quenching. Karakterisasi dari kaca tellurite meliputi rapat massa kaca, indeks bias, energi band gap optis pengukuran absorpsi dan transmitansi kaca. Rapat massa kaca telah diukur menggunakan metode Archimedes. Indeks bias kaca diukur menggunakan metode Brewster angle pada panjang gelombang 746,191 nm. Absorpsi diukur menggunakan UV-Vis-NIR spektrofotometer Perkin Elmer Lambda 25 dengan panjang gelombang 200 nm sampai dengan 1100 nm. Hasil dari karakterisasi menunjukkan bahwa rapat massa kaca tidak mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan konsentrasi dadah ion Nd3+. Indeks bias dan energi band gap optis mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan konsentrasi dari ion Nd3+ pada kaca TZBN:Nd. Melalui pengukuran spektrum UV-VIS menunjukkan bahwa terjadi penyerapan dengan intensitas yang tinggi pada panjang gelombang 431 nm, 473 nm, 514 nm, 527 nm, 585 nm, 626 nm, 684 nm, 749 nm, 805 nm, dan 878 nm dan penyerapan tertinggi berada pada panjang gelombang 585 nm.
Kata kunci : TZBN:Nd, rapat massa kaca, indeks bias, Spektroskopi UV-VIS
v
FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF TZBN GLASS DOPED Nd3+ IONS
EVI NURLIANA
Department of Physics, Faculty of Mathematics and Natural Sciences University of Sebelas Maret Surakarta
ABSTRACT
This study aims to determine the parameters in the fabrication of TZBN:Nd glass and to identify the optical properties of TZBN:Ndglass. Tellurite glass was TZBN (Sodium Bismuth Tellurium Oxide Zinc) with the composition are (mol%) 60TeO2-(34-x) ZnO-2Bi2O3-4Na2O by variation of xNd2O3 with x = 0.5, 1, 1.5, and 2. Fabrication has been successfully performed using melt quenching method. Characterization of tellurite glass include glass density, refractive index, optical band gap, absorption and transmitation of glass. Glass density had measured using Archimedes method. Refractive index of glass had measured using Brewster angle method at 746,191 nm wavelength. Absorption was measured using a UV-Vis-NIR spectrophotometer Perkin Elmer Lambda 25 with a wavelength 200 nm up to 1100 nm. The results of characterization show that the glass density did not increase along with the increase of the ions Nd3+ concentration. Refractive index and optical band gap increased along with the increase of the ions Nd3+ concentration. UV-VIS spectra measurements indicate that absorption occurs with high intensity at wavelength of 431 nm, 473 nm, 514 nm, 527 nm, 585 nm, 626 nm, 684 nm, 749 nm, 805 nm, and 878 nm and the highest absorption at 585 nm wavelength .
Keywords: TZBN: Nd, glass density, refractive index, UV-VIS Spectroscopy
vi MOTTO
Sesungguhnya Alloh tidak akan mengubah nasib suatu kaum hingga mereka mengubah diri mereka sendiri ( Q.S. Ar-Ra’d:11)
Apabila kamu bersyukur niscahya akan Aku tambahkan nikmat-Ku, dan apabila kamu kufur maka adzab-Ku sungguh pedih ( Q.S. Ibrahim: 7)
Keberhasilan meraih tujuan bergantung pada bagaimana anda memandang dirimu sendiri dan apa yang anda rasakan tentang dirimu.
vii
PERSEMBAHAN
Karya ini kupersembahkan kepada : Ibu dan Bapak Tercinta, Simbah dan adekku Yuan tersayang.
FISIKA FMIPA UNS INDONESIA
viii
KATA PENGANTAR
Assalamualaikum Wr. Wb.
Alhamdulillahirobbil’alamin, Puji syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-Nya, sehinga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi yang berjudul “Fabrikasi dan Karakterisasi Kaca TZBN yang didadah Ion Nd3+” tanpa halangan suatu apapun.
Skripsi ini tidak akan selesai tanpa adanya bantuan dari banyak pihak, oleh sebab itu penulis menyampaikan terimakasih kepada :
1. Ibu Dra. Riyatun, M.Si, selaku pembimbing I yang telah membimbing, memfasilitasi, memotivasi dan memberikan ide dan saran dalam penyusunan skripsi ini.
2. Ibu Lita Rahmasari, S.Si, M.Sc, selaku pembimbing II yang telah membimbing, mengingatkan dalam menulis, memberikan masukan serta motivasi dalam penyusunan skripsi ini.
3. Bapak Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D selaku Ketua Jurusan Fisika FMIPA UNS yang telah memfasilitasi, memberikan ide dan saran dalam penyusunan skripsi ini.
4. Bapak dan ibu dosen serta staff di Jurusan FMIPA UNS.
5. Ibu, bapak, simbah dan adekku tercinta yang telah memberikan do’a, perhatian, dan motivasi yang luar biasa.
6. Teman-teman lab Optics & Photonics. Kusnanto, Heri, Ajeng, Fatimah, dan Egyn yang telah membantu dalam penyusunan skripsi ini, memberikan dukungan, motivasi, dan saran.
7. Eki, Rian, wachid, Yudha, A’in, Silvia, Erna dan Elyas yang telah membantu dalam pengambilan data.
8. Rekan-rekan Angkatan 2009 Jurusan Fisika FMIPA UNS, terima kasih atas dukungannya selama ini, bantuan moril dan spirituilnya.
9. Kakak tingkat 2008 dan adek tingkat 2010 dan 2011 terimakasih atas do’a dan dukungannya.
10.Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, terima kasih atas dukungan dan bantuannya selama ini.
Akhirnya penulis berharap semoga Allah memberikan imbalan yang lebih baik kepada mereka yang telah memberikan bantuan, dan dapat menjadikan semua bantuan ini sebagai ibadah, Amiin Yaa Robbal ‘Alamiin.
Wassalamu’alaikum Wr. Wb.
Surakarta, 22 Agustus 2013
Penulis commit to user
ix DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL... i
HALAMAN PENGESAHAN... ii
HALAMAN PERNYATAAN... iii
HALAMAN ABSTRAK... iv
HALAMAN ABSTRACT... v
HALAMAN MOTTO... vi
HALAMAN PERSEMBAHAN... vii
KATA PENGANTAR... viii
DAFTAR ISI... ix
DAFTAR TABEL... xi
DAFTAR GAMBAR... xii
DAFTAR SIMBOL... xiii
DAFTAR LAMPIRAN... xv
BAB I PENDAHULUAN... 1
1.1. Latar Belakang Masalah... 1
1.2. Batasan Masalah... 3
1.3. Perumusan Masalah... 4
1.4. Tujuan Penelitian... 4
1.5. Manfaat Penelitian... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1. Pembentukan Kaca... 5
2.2. Metode Fabrikasi Kaca ... 9
2.2.1. Melt quenching technique ... 9
2.2.2. Chemical vapor deposition ... 11
2.2.3. Sol-gel Proscess... 11
2.3. Kaca Tellurite... 12
2.4. Energi Fonon dalam Kaca ... 2.5. Sifat Optis Kaca... 15 16 2.5.1. Indeks Bias Kaca... 16
2.5.2. Absorbansi dan Transmitansi... 22
2.5.3. Energi Band Gap Optis... 24
2.5.4. Kerapatan Massa Kaca... 24
2.6. Ion Tanah Jarang... 25
2.7. Spektroskopi Ion Nd3+... 28
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 30
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian... 30
3.2. Alat dan Bahan ... 30
3.2.1. Alat yang Digunakan dalam Penelitian ... 30
3.2.1.1. Alat Fabrikasi... 30
3.2.1.2. Alat Karakterisasi... 31 3.2.2. Bahan yang Digunakan dalam Penelitian ... commit to user 31
x
3.3. Metode Penelitian ... 31
3.3.1. Persiapan Alat dan Bahan ... 32
3.3.2. Fabrikasi Kaca ... 33
3.3.3. Karakterisasi Kaca... 34
3.3.3.1. Indeks Bias Kaca ... 34
3.3.3.2. Absorbansi dan Transmitansi ... 35
3.3.3.3. Kerapatan Massa Kaca ... 36
3.3.4. Analisa ... 36
3.3.5. Kesimpulan ... 37
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 38
4.1. Hasil... 38
4.1.1. Fabrikasi Kaca ... 38
4.1.2. Kerapatan Massa Kaca ... 40
4.1.3. Indeks Bias Kaca ... 41
4.1.4. Spektrum Absorpsi ... 45
4.2. Pembahasan ... 47
4.2.1. Fabrikasi Kaca TZBN:Nd ... 47
4.2.2. Karakterisasi Kaca TZBN:Nd ... 49
BAB V SIMPULAN DAN SARAN ... 56
5.1. Simpulan ... 56
5.2. Saran ... 56
DAFTAR PUSTAKA... 58
LAMPIRAN ... 63
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Sifat dan Karakteristik dari Berbagai Bahan Kaca ... 14 Tabel 2.2. Energi Fonon untuk Berbagai Jenis Host Kaca ... 16 Tabel 2.3. Unsur Tanah Jarang ... 26 Tabel 2.4. Panjang Gelombang Emisi dari Ion Tanah Jarang
dalam Kaca ... 27 Tabel 4.1. Komposisi kaca Tellurite yang didadah Ion Nd3+
dalam mol % ... 38 Tabel 4.2. Komposisi Kaca Tellurite yang didadah Ion Nd3+
dalam massa (gr) ... 39 Tabel 4.3. Data Pengukuran Kerapatan Massa Kaca TZBN yang
didadah Ion Nd3+ ... 40 Tabel 4.4. Perbandingan antara Hasil Pengukuran Kerapatan
Massa dengan Prediksi Teori ... 41 Tabel 4.5. Indeks Bias Sampel Kaca K4 ... 44 Tabel 4.6. Indeks Bias Kaca TZBN:Nd ... 44 Tabel 4.7. Validasi Panjang Gelombang Puncak Penyerapan
Kaca TZBN:Nd dengan Kaca TPbLi:Nd ... 47 Tabel 4.8. Hasil Karakterisasi Sifat Optis Kaca TZBN:Nd ... 50 Tabel 4.9. Transmitansi dari Sampel Kaca K4 pada Jangkauan
Panjang Gelombang (400-1000) nm ... 53 Tabel 4.10. Energi Band Gap Optis Kaca TZBN:Nd ... 55
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Struktur Ikatan Kristal dan Amorf...……… 5 Gambar 2.2. Pengaruh Suhu pada Volum Pembentukan Kaca ... 6 Gambar 2.3. Thermogram DTA dari Kaca dengan Komposisi
70TeO2-10Bi2O3-20ZnO... 9 Gambar 2.4. Spektrum Transmisi dari Kaca TZN... 13 Gambar 2.5. Daerah Pembentukan Kaca untuk Sistem TeO2
-Bi2O3-ZnO... 15 Gambar 2.6. Diagram Pemantulan dan Pembiasan pada saat Sudut
Brewster ... 17 Gambar 2.7. Polarisasi dengan Medan Listrik (E) Tegak Lurus
Bidang Datang Transverse Electric (TE) ... 18 Gambar 2.8. Polarisasi dengan Medan Magnet (B) Tegak Lurus
Bidang Datang Transverse Magnetic (TM) ... 18 Gambar 2.9. Reflektansi dari Transverse Magnetic (TM) dan
Transverse Electric (TE) pada n1 = 1 dan n2 = 1,5 .... 19
Gambar 2.10. Skema Spektrofotometer UV-VIS Berkas Ganda ... 23 Gambar 2.11. Posisi dari Unsur Tanah Jarang dalam Tabel Periodik
Unsur ... 28 Gambar 3.1. Diagram Alir Tahap-tahap Penelitian ... 32 Gambar 3.2. Sampel Kaca TZBN:Nd ... 33 Gambar 3.3. Skema Pengukuran Indeks Bias dengan Sudut
Brewster ... 34 Gambar 4.1. Sampel Kaca TZBN yang didadah Ion Nd3+ ... 40 Gambar 4.2. Hasil Pengukuran Reflektansi pada Sampel K4 ... 42 Gambar 4.3. Hasil Pengukuran Reflektansi pada Sampel K4
dengan Skala Pengukuran Kelipatan 1° ... 43 Gambar 4.4. Hasil Pengukuran Reflektansi pada Sampel K4
dengan Skala Pengukuran (1/60)°... 43 Gambar 4.5. Spektrum Absorpsi Kaca TZBN dan TZBN:Nd ... 45 Gambar 4.6. Karakteristik Puncak Penyerapan Kaca TZBN yang
didadah ion Nd3+ ... 46 Gambar 4.7. Energi Band Gap Optis Kaca TZBN:Nd ... 54
xiii
DAFTAR SIMBOL
Simbol Satuan
Tg suhu transisi kaca (°C)
Tm suhu peleburan (°C)
Tf suhu fictive (°C)
Tp suhu kristalisasi (°C)
Tx suhu permulaan puncak kristalisasi (°C)
sudut datang (°)
sudut bias (°)
sudut polarisasi (Brewster Angle) (°)
n1 indeks bias di udara
n2 indeks bias di medium
n indeks bias materi yang dilalui berkas cahaya Rm refraksi molar
Vm volum molar (cc3/mol)
polarisabilitas dari kation dan anion polarisabilitas dari kation
polarisabilitas dari anion
c kecepatan perambatan cahaya pada ruang hampa (m/s) v kecepatan perambatan cahaya pada suatu materi (m/s)
sudut kritis (°)
I0 intensitas berkas cahaya datang
I intensitas berkas cahaya keluar
T transmitansi (%)
A absorbansi
B konstanta transisi elektronik
h konstanta planck ( J.s)
c konsentrasi molar (mol/liter)
ε molar absorbsivitas (1/mol cm)
l panjang atau ketebalan dari bahan (cm)
α(λ) koefisien absorpsi (cm-1)
ρ rapat massa (gr/cm3)
kerapatan massa dari akuades (gr/cm3)
wa berat kaca di udara (gr)
wx berat kaca dalam akuades (gr)
massa pikno kosong (gr)
massa pikno + sampel kaca (gr)
massa pikno + sampel kaca + aquades (gr)
massa pikno + aquades (gr)
massa kaca (gr)
volume kaca (cm3)
xiv TM Transverse Magnetic
I intensitas intensitas cahaya setelah memasuki material I0 intensitas cahaya sebelum memasuki material
λ panjang gelombang (nm)
panjang gelombang rata-rata (nm)
Δλ selisih panjang gelmbang (nm)
d lebar celah kisi (nm)
L jarak layar dengan CD difraksi (cm)
y jarak antara orde pertama dengan terang pusat (cm)
m jumlah orde
e muatan elektron (Q)
N konsentrasi ion Nd3+ (atom)
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A. Gambar Alat dan Bahan ... 63 Lampiran B. Data pengukuran kerapatan massa kaca menggunakan
piknometer ... 66 Lampiran C. Data pengukuran indeks bias menggunakan metode
Brewster Angle ... 67 Lampiran D. Hasil perhitungan rentang transmitansi pada panjang
gelombang (400-1000) nm ... 70 Lampiran E. Energi band gap optis kaca TZBN:Nd... 80 Lampiran F. Pengukuran panjang gelombang laser merah 746,191
nm ... 81
