pendahuluan tinjauan pustaka

1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Sejak lama telah dilakukan penelitian
mengenai material secara intensif untuk
aplikasi teknologi. Berbagai macam sifat
material diantaranya material optik dan
elektronik banyak digunakan sebagai device
semikonduktor. Salah satu kelas material yang
banyak diteliti adalah material yang berbasis
titanat. Contoh dari material berbasis titanat
adalah kalsium titanat (CaTiO3).
Kalsium titanat (CaTiO3) sebagai bahan
berbasis titanat memiliki sifat-sifat fisis yang
hampir sama dengan bahan-bahan seperti
BaTiO3, SrTiO3, PbTiO3 dan sebagainya.
Secara
umum
bahan-bahan
tersebut
merupakan bahan dielektrik dan bahan
feroelektrik. Namun demikian, bahan-bahan
berbasis
titanat
ini
dapat
pula
ditransformasikan menjadi bahan dengan
karakteristik lain seperti bahan semikonduktor
melalui proses doping misalnya dengan
Niobydium (Nb), transformasi ini dilakukan
tentunya disesuaikan dengan aplikasi yang
diinginkan.
Material kalsium titanat (CaTiO3)
merupakan bahan keramik oksida yang
memiliki struktur perovskite dan merupakan
bahan feroelektrik konvensional. CaTiO3 juga
dikenal sebagai keramik dielektrik dengan
konstanta dielektrik tinggi yaitu 170 [1].
Selain itu, kalsium titanat juga memiliki celah
pita energi (band gap) sebesar 3,5 eV.
Saat ini pembuatan CaTiO3 berbasis
bahan organik sedang giat-giatnya diteliti.
Pembuatan kalsium titanat (CaTiO3) berbasis
bahan organik ini diharapkan dapat
menghasilkan bahan fungsional yang nantinya
dapat dikarakterisasi struktur kristal dan
konduktivitasnya.
Untuk
meminimalkan
biaya, penggunaan bahan organik sangatlah
diperlukan. Demikian juga dengan metode
yang digunakan pada penelitian ini relatif
lebih sederhana sehingga secara keseluruhan
mengurangi biaya sintesis bahan.
Bahan organik yang digunakan dalam
penelitian ini adalah cangkang telur itik,
mengingat selama ini cangkang telur itik
hanya menjadi limbah tanpa adanya
pemanfaatan lebih lanjut. Cangkang telur itik
mengandung kalsium karbonat yang lebih
tinggi daripada cangkang telur yang berasal
dari ayam. Tingginya kandungan kalsium
karbonat (CaCO3) menjadikan cangkang telur
itik sebagai komoditas yang berpotensi
sebagai starting material biokompatibel
biomaterial. Hydroxyapatite (HAp) yang salah
satu perkursor atau komponennya berasal dari
ekstrak cangkang telur itik.
Pada pembuatan CaTiO3 ini sumber
kalsium (Ca) diambil dari cangkang telur itik
karena kaya akan kalsium karbonat sebesar
94% dari total bobot keseluruhan cangkang
telur itik [2]. Proses pembuatan material
CaTiO3 pada penelitian ini melalui metode
hidrotermal dan annealing, kemudian menguji
sifat optik dan listriknya.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan membuat material
CaTiO3 melalui metode hidrotermal dan
annealing dari bahan organik berdasarkan
karakteristiknya (struktur kristal, morfologi
optik dan listriknya).
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberi
informasi bagi masyarakat tentang metode
pembuatan material CaTiO3 yang berbasis
bahan organik dan aplikasinya dalam bidang
teknologi optik dan elektronik.
TINJAUAN PUSTAKA
Material CaTiO3 (Kalsium Titanat)
Material kalsium titanat sebagai bahan
feroelektrik yang berstruktur perovskite
memiliki rumus kimia ABO3 (Gambar 1a).
Unsur A dapat berupa logam monovalen,
divalen atau trivalen dan unsur B dapat berupa
pentavalen, tetravalen atau trivalen serta unsur
O berupa oksigen [3]. Struktur CaTiO3
diperlihatkan pada Gambar 1b.
CaTiO3 telah banyak dikaji berbagai sifat
fisiknya oleh sejumlah peneliti. Sifat-sifat
fisik CaTiO3 yang telah diteliti meliputi sifat
listriknya
seperti
konduktivitas
dan
resistivitas, sifat optik baik dengan
menggunakan metode absorpsi UV-Vis
maupun studi fotoluminesen, uji sifat
termolistrik, studi sifat dielektrik dan sifat
ferolistriknya. Selain itu juga, telah dikaji
mengenai strukturnya yaitu struktur kristal
dan struktur elektronik, baik secara teoritis
maupun eksperimen [4].
Berbagai metode yang digunakan dalam
pembuatan CaTiO3 meliputi: metode teknik
keramik konvensional, organometalik, metode
hidrotermal, metode mix liquid, metode
presipitasi kimia, metode pembakaran, teknik
solusi organik-inorganik. Diantara metode itu,
2
teknik keramik konvensional merupakan
metode yang memerlukan panas tinggi untuk
menghasilkan sebuah produk material.
Beberapa metode lain lebih menyertakan
aktivasi mekanik dari komponen reaktan
untuk mengurangi temperatur dari reaksi.
Kalsium titanat memiliki aplikasi penting
dalam immobilisasi limbah nuklir tingkat
tinggi. Selain dari aplikasi nuklir, kalsium
titanat juga ditemukan di beberapa alat
elektronik yang beroperasi pada gelombang
mikro.
Kalsium titanat sering digunakan sebagai
bahan keramik elektronik, sebagai bahan
ferolisktrik dan bahan dielektrik
untuk
kapasitor. Disamping itu, kalsium titanat juga
berfungsi sebagai katalis pada proses
fotokatalisis, fotovoltaik, fotoluminesens, dan
sebagainya [5].
Cangkang Telur Itik
Cangkang telur itik tersusun atas lapisan
kutikula, lapisan spong dan lapisan lamelar.
Pada lapisan kutikula merepresentasikan
permukaan terluar dan terdiri dari sejumlah
protein. Sedangkan lapisan spong dan lamelar
membentuk matriks yang tersusun oleh seratserat protein yang terikat dengan kristal
kalsium karbonat (CaCO3).
Cangkang telur itik memiliki bobot
sebesar 11% dari bobot total seluruh telur.
Komposisi utama dalam cangkang ini adalah
kalsium karbonat (CaCO3) sebesar 94% dari
total bobot keseluruhan cangkang, kalsium
fosfat (1%), bahan-bahan organik (4%) dan
magnesium karbonat (1%), hal ini dapat
dilihat pada tabel 1.
Tabel 1 Komposisi utama cangkang telur itik
Bobot
Komposisi Utama Cangkang
Telur Itik
(%)
Kalsium karbonat
94%
Kalsium fosfat
1%
Magnesium karbonat
1%
Bahan-bahan organik
4%
Kalsium karbonat sebagai kandungan
utama di dalam cangkang telur dapat
ditransformasikan menjadi kalsium oksida
(CaO) melalui pemanasan pada suhu yang
sangat tinggi mencapai 8500C-10000C. Reaksi
kimia yang terjadi akibat pemanasan ini
diberikan oleh persamaan :
(a)
Ca
Ti
O
3
CaCO3
Heat
CaO + CO2
Persamaan reaksi diatas tampak bahwa
dengan pemanasan hingga suhu tertentu,
CaCO3 terdekomposisi menjadi CaO dengan
cara membebaskan gas karbondioksida [6].
Kalsium oksida (CaO) yang dihasilkan dalam
proses ini nantinya digunakan sebagai
perkusor untuk pembuatan material CaTiO3
melalui hidrotermal..
(b)
Gambar 1 (a) Struktur kristal perovskite
ABO3 (b) Stuktur perovskite
CaTiO3
Gambar 2 Cangkang telur itik
3
Metode Hidrotermal
Sifat Optik
Metode penumbuhan material (kristal) di
dalam air pada tekanan tinggi disebut
hidrotermal. Pada Gambar 2 memperlihatkan
reaktor hidrotermal. Penumbuhan kristal
dilakukan di dalam autoclave dari bahan
stainless steell dan steroform. Jika temperatur
meningkat, maka tekanan akan meningkat
dalam autoclave.
Metode hidrotermal merupakan salah satu
cara untuk mengatasi beberapa kelemahan
dari metode basah, seperti konsumsi waktu
panjang dan kontaminasi kimia. Metode
hidrotermal merupakan metode yang sesuai
untuk mempersiapkan kristal yang baik,
bentuk dan komposisi yang dapat dicapai pada
temperatur rendah.
Metode hidrotermal sangat cocok
digunakan dalam pembuatan CaTiO3 agar
nantinya terbentuk kristal dengan tingkat
kemurnian yang tinggi dalam jangka waktu
yang singkat. Metode hidrotermal dipilih
karena relatif sederhana tanpa menggunakan
peralatan yang rumit dan mahal [7].
Metode hidrotermal memiliki beberapa
keuntungan seperti pemanasan menyeluruh
pada sampel, pemanasan cepat, hasil yang
lebih bagus, kemurnian tinggi, reaksi cepat,
dan efisiensi transformasi energi tinggi [8].
Dalam penelitian ini, Metode hidrotermal
menggunakan prekursor kalsium (Ca) dari
cangkang telur. Kalsium karbonat (CaCO3)
diekstraksi dari cangkang telur itik kemudian
ditransformasikan menjadi CaO melalui
proses pemanasan hingga 9000C di dalam
furnace.
Radiasi elektromagnetik memancar pada
suatu materi dan pada materi tersebut terjadi
absorpsi selektif, maka materi akan menyerap
komponen radiasi panjang gelombang tertentu
dan dalam jumlah tertentu pula. Perubahan
tingkat serapan sebagai fungsi panjang
gelombang disebut sebagai spektrum absorpsi.
Spektrum absorpsi merupakan karakteristik
kualitas suatu bahan. Dasar penentuan dengan
menggunakan Hukum Beer Lambert:
   0 e Lc ..........................(1)
I
A = log o ………...........................(2)
I
dimana A merupakan serapan cahaya
(absorbansi) sampel, Io merupakan intensitas
radiasi datang, I merupakan intensitas radiasi
yang diteruskan, 𝐿 merupakan tebal medium
penyerap(cm),
adalah koefisien absorpsi
(absorbtivitas), dan c merupakan konsentrasi/
kadar penyerap.
Dari persamaan (1) dan (2) didapatkan
persamaan:
I0
 e . L .........................…....(3)
I
Ukuran lebar celah energi menunjukkan
besarnya energi yang diperlukan untuk
melepaskan elektron valensi dari ikatan
kovalennya yang kemudian tereksitasi menuju
pita konduksi. Dari persamaan energi foton:
E 
Dari persamaan diatas, terlihat adanya
hubungan antara energi foton dan panjang
gelombang cahaya yang diserap oleh suatu
bahan sehingga untuk bahan semikonduktor
berlaku:
Eg 
Gambar 3 Reaktor Hidrotermal
hc
………………………....(4)

hc
……………...….……....(5)

Pengukuran
sifat
optik
dengan
menggunakan alat yang disebut dengan
spektrofotometer UV-VIS. Bagian-bagian
spektrofotometer UV-VIS adalah sumber
cahaya,
monokromator
dan
detektor.
Monokromator bekerja seperti kisi difraksi
untuk membagi cahaya kedalam bermacam
panjang gelombang. Peran detektor adalah
untuk merekam intensitas cahaya yang
ditransmisikan atau dipantulkan.
4
Celah Pita Energi ( Energy Band Gap)
Celah energi yang memisahkan antara
pita valensi dengan pita koduksi yaitu pita
terlarang atau disebut juga sebagai band gap
(Eg). Celah energi juga dapat diartikan sebagai
energi minimal yang harus dimiliki oleh
elektron agar dapat berpindah dari pita valensi
ke pita konduksi. Elektron pada pita valensi
ini dapat berpindah ke pita konduksi dengan
penambahan energi eksternal yang dapat
berasal dari medan listrik eksternal, energi
termal, dan energi foton.
Dari persamaan (7) dan (8) didapatkan
hubungan antara konduktivitas dan resistivitas
yang dinyatakan dalam persamaan 4
1
𝜎 = 𝜌 ........................................(9)
dimana σ merupakan konduktivitas listrik
(Ω.m)-1 dan ρ resistivitas bahan (Ω.m).
METODOLOGI
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan mulai dari Bulan
Januari sampai Juli 2009. Tempat penelitian di
Laboratorium Biofisika, Departemen Fisika
Intitut Pertanian Bogor. Karakterisasi XRD di
Litbang Kehutanan dan SEM di Laboratorium
PPGL Bandung. Pembuatan pelet di Pusat
Studi Biofarmaka LPPM IPB
Gambar 4 Perpindahan elektron dari pita
valensi menuju pita konduksi [9]
Sifat Listrik
Sifat daya hantar listrik suatu material
dinyatakan dengan konduktivitas listrik. Pada
konduktivitas listrik, jika suatu beda potensial
listrik ditempatkan pada ujung-ujung sebuah
konduktor, muatan-muatan akan berpindah
dan menghasilkan arus listrik. Konduktivitas
listrik σ didefinisikan sebagai rasio dari rapat
arus j terhadap kuat medan listrik E :
𝜎=
𝑗
𝐸
.....................................(6)
dimana σ merupakan konduktivitas listrik
(Ω.m)-1, j adalah Rapat arus (A/m2) dan
E adalah medan listrik (V/m).
Resistansi suatu material bergantung pada
panjang, luas penampang, tipe material dan
temperatur. Hubungan empiris ini disebut
dengan hukum ohm yang dinyatakan oleh
persamaan :
𝑉 = 𝐼𝑅...................................(7)
Resistansi (R) dapat berhubungan dengan
ρ yang dapat dilihat pada persamaan :
𝐿
𝑅 = 𝜌 ..................................(8)
𝐴
dimana R adalah Resistansi (Ω), L merupakan
panjang penghantar dan A Luas penampang
penghantar (m2).
Alat dan Bahan
Alat-alat
yang
digunakan
dalam
penelitian ini adalah hot plate, furnace, cawan
petri, crussible (cawan keramik), reaktor
hidrotermal, aluminium foil, kertas saring,
tissue, pipet tetes, gelas ukur, gelas kimia,
mortar, penumbuk, magnetic stirrer, neraca
digital, logam (tembaga dan aluminium),
spektrofotometer UV-VIS dan I-V meter.
Bahan yang digunakan dalam penelitian
ini adalah cangkang telur, Titanium dioksida
(TiO2), ethanol, amonia dan aquades.
Karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction
(XRD), Scanning Electron Microscopy
(SEM), Uji optik (refleksi, absorpsi dan band
gap). Uji listrik (resistansi, resistivitas dan
konduktivitas).
Metode Penelitian
Persiapan Sampel
Persiapan sampel diawali dengan
pembersihan cangkang telur dari kotoran
makro, eliminasi membran dari cangkang
telur, pencucian dengan aquades dan
pengeringan di udara terbuka. Cangkang telur
yang telah kering kemudian dikalsinasi pada
suhu 9000C selama 5 jam di dalam furnace.
Laju pemanasan yang dipakai adalah
50C/menit.
Hasil yang diperoleh dari perlakuan
kalsinasi ini adalah berupa kalsium oksida
(CaO) dalam bentuk bongkahan yang
kemudian digerus menjadi bubuk (powder)
yang siap untuk dikarakterisasi XRD.