perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id commit to user

perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Material Feroelektrik
Pada tahun 1920 Valasek menemukan fenomena feroelektrik dengan
meneliti sifat garam Rochelle (NaKC4H4O6.4H2O) (Rizky, 2012). Feroelektrik
adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara spontan pada material
tanpa adanya gangguan medan listrik dari luar. Material feroelektrik merupakan
kelompok material dielektrik yang mempunyai kemampuan untuk mengubah sifat
polarisasinya di dalam medan listrik yang sesuai (Sunandar, 2006). Pada tahun
1944 Von Hippel menemukan kapasitor berbahan dasar barium titanat (BaTiO3)
yang mempunyai konstanta dielektrik tinggi (Rizky, 2012). Partikel keramik
feroelektrik banyak digunakan dengan alasan konstanta dielektriknya tinggi dan
loss dielektriknya rendah (Wang et.al., 2012). Penemuan keramik feroelektrik
sebagai elemen aktif dikembangkan dalam berbagai ukuran dan tergantung dari
karakteristiknya untuk aplikasi perangkat mikro elektronik (Frey, 1996). Ketika
tegangan listrik dihilangkan, bahan yang bersifat feroelektrik mempunyai
kemampuan untuk menahan polarisasi elektrik (Mikrianto et.al., 2007).
Gambar 2.1. Kurva histerisis
(Anggraini dan Hikam, 2006)
Material feroelektrik ditandai dengan terbentuknya kurva histerisis. Gambar
2.1 adalah kurva histerisis yang commit
menunjukkan
to userkurva hubungan antara polarisasi
5
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
6
listrik (P) dengan kuat medan listrik eksternal (E). Apabila kuat medan listrik
pada daerah E positif dan P positif ditingkatkan, maka polarisasi listrik akan ikut
meningkat secara cepat yang ditunjukkan oleh garis OA. Polarisasi akan naik
secara perlahan hingga pada akhirnya tetap atau tidak berubah lagi ditunjukkan
oleh garis AB, keadaan seperti ini disebut dengan keadaan saturasi. Apabila kuat
medan listrik diturunkan hingga O maka polarisasi listriknya mengikuti garis BC,
bukan kembali lagi ke titik O. Pada saat medan listrik mengalami reduksi menjadi
nol, maka material akan memiliki polarisasi remanan (Pr) yang ditunjukkan oleh
garis OC. Nilai polarisasi material tersebut dapat dihapus dengan cara
menggunakan sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga
medan listrik yang digunakan untuk mereduksi nilai polarisasi hingga bernilai nol
disebut dengan medan koersif (Ec). Apabila pemberian kuat medan listrik
dilanjutkan hingga E negatif, maka material akan kembali mengalami keadaaan
saturasi, namun bernilai negatif yang ditunjukkan oleh garis EF. Apabila medan
listrik kembali dinaikkan lagi sehingga kurva mengalami satu putaran, maka
diperoleh kurva hubungan antara polarisasi (P) dengan medan koersif (Ec) yang
ditunjukkan oleh loop histerisis (Sunandar, 2006).
Pergeseran muatan yang terjadi di dalam suatu bahan dielektrik disebut
dengan polarisasi. Polarisasi terjadi ketika suatu material dielektrik dipengaruhi
oleh medan listrik dari luar. Pergeseran muatan tersebut akan mengakibatkan
timbulnya dipol-dipol listrik (Anggraini dan Hikam, 2006). Dipol listrik
merupakan susunan muatan yang terpisah dengan jarak yang sangat pendek
(Raharjo, 2008). Besarnya momen dipol dapat dituliskan dalam persamaan
sebagai berikut:
j=
(2.1)
di mana :
p = momen dipol listrik (Coulomb meter)
q = muatan listrik (Coulomb)
r = jarak antarpusat muatan (meter)
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
7
Besarnya polarisasi listrik spontan (Ps) adalah banyaknya jumlah momen
dipol per satuan volume (V) sehingga dapat dituliskan dalam persamaan sebagai
berikut:
R
∑
(2.2)
Suatu kristal dapat dikatakan terpolarisasi apabila memiliki dipol listrik yang
permanen karena pusat muatannya positif dan muatan negatifnya tidak berada
pada pusat sel satuan (Anggraini dan Hikam, 2006).
2.2. Struktur Perovskite (ABO3)
Struktur perovskite merupakan salah satu struktur yang menunjukkan
adanya polarisasi spontan pada temperatur tertentu (Aksel, 2012). Bahan yang
berstruktur perovskite mempunyai sifat tertentu mengenai struktur kristal, fase
transisi sebagai fungsi temperatur, dan ukuran ion dalam sel satuan (Kota, 2006).
Struktur perovskite memiliki rumus ABO3 seperti pada Gambar 2.2 dengan A
merupakan logam monovalen, divalen, atau trivalen, sedangkan B berupa unsur
trivalen, pentavalen, ataupun tetravalen, serta O merupakan unsur oksigen
(Sulistyo, 2006).
Gambar 2.2. Struktur perovskite material ferroelektrik
(Yoon, 2006)
Atom yang menempati pusat struktur perovskite tersebut akan berada dalam
commit to user
keadaan setimbang apabila tidak dipengaruhi oleh medan listrik dari luar dengan
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
8
distribusi muatan yang tersebar merata. Apabila dipengaruhi oleh medan listrik
dari luar maka atom yang semula tepat berada di pusat akan mengalami
pergeseran, sehingga akan condong ke atas atau ke bawah mengikuti arah medan
listrik yang diberikan. Peristiwa ini mengakibatkan distribusi muatan pada kristal
tidak merata (Rizky, 2012).
2.3. Barium Titanat (BaTiO3)
Barium titanat (BaTiO3) merupakan keramik piezoelektrik pertama yang
dikembangkan dengan penggunaan yang sangat luas dan aplikasi material ini
sebagai material kapasitor sangat dikenal. Barium titanat yang merupakan bahan
feroelektrik banyak dimanfaatkan untuk pembuatan komponen elektronik bebagai
macam aplikasi elektrokeramik karena mempunyai konstanta dielektrik yang
tinggi (Syahril, 2012). BaTiO3 sampai saat ini disintesis menggunakan metode
solid state reaction. Metode solid state reaction mempunyai beberapa kelemahan,
diantaranya suhu sintering yang sangat tinggi, yaitu 1400°C hingga 1450°C,
masih terdapat pengotor yang berasal dari proses ball milling, serta ukuran
partikelnya masih belum bisa mencapai ukuran nano (Sunendar et.al., 2010).
Apabila material dielektrik BaTiO3 diberi medan listrik, maka ion-ion oksigen
akan bergeser ke arah elektroda positif, sementara itu ion-ion titanium akan
bergeser ke arah elektroda negatif (Syahril, 2012).
Ukuran butir barium titanat yang lebih besar dari 0,5 µm biasanya
ditunjukkan pada peralihan dari fase tetragonal ke fase kubik pada temperatur
Curie (120-130)oC. Titik Curie akan mengalami penurunan disertai dengan
adanya penurunan ukuran butir BaTiO3. Fase tetragonal menunjukkan sifat
feroelektrik, sedangkan fase kubik menunjukkan sifat paraelektrik dengan
konstanta dielektrik yang kecil. Sifat feroelektrik pada fase tetragonal mempunyai
konstanta dielektrik yang tinggi. Pada temperatur di atas titik Curie untuk fase
kubik mempunyai struktur perovskite ideal dan sel unit yang stabil. Pada
temperatur antara 0oC dan titik Curie, struktur perovskite barium titanat
terdistorsi, dimana ion-ion Ti4+ dan O2- berpindah dari arah yang berlawanan
committidak
to user
menjadi posisi asli, di mana ion barium
berubah posisinya (Yoon, 2006).
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
9
Tabel 2.1. Sifat Bahan Feroelektrik BaTiO3
(Bhattacharya dan Ravichandran, 2003)
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2.3. (a) Berbagai fase kristal BaTiO3, (b) struktur kristal BaTiO3 dalam
fase kubik dan fase tetragonal, (c) enam variasi tetragonal, dan (d) pola domain
kristal BaTiO3 tunggal yang divisualisasikan menggunakan mikroskop cahaya
terpolarisasi
commit
to user
(Bhattacharya dan Ravichandran, 2003)
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
10
2.4. Konstanta Dielektrik
Kapasitor terbuat dari dua plat sejajar yang berfungsi sebagai elektroda dan
keduanya dipisahkan oleh suatu bahan yang dinamakan dengan bahan dielektrik.
Ukuran elektroda dan keadaan bahan dielektrik sangat mempengaruhi besarnya
tegangan yang dihasilkan. Besarnya kapasitansi suatu kapasitor dapat dinyatakan
dengan persamaan berikut:
æ=
(2.3)
Dengan C adalah besarnya kapasitansi (F), Ɛ merupakan permitivitas bahan (F/m),
A merupakan luas penampang elektroda (m2), dan d adalah jarak antar elektroda
(m).
Sedangkan kuat dielektrik suatu bahan dinyatakan dalam persamaan berikut:
=
(2.4)
Dengan ke merupakan kuat dielektrik bahan dan Ɛ0 adalah permitivitas hampa
(F/m). Kuat dielektrik bahan ke juga sering disebut dengan permitivitas relatif
yang disimbolkan dengan Ɛr dengan satuan farad per meter. Hasil eksperimen
Faraday pada tahun 1837 dalam efek pengisian ruang antarplat dengan keadaan
vakum menggunakan sebuah dielektrik mengatakan bahwa muatan pada kapasitor
yang mengandung dielektrik akan lebih besar dari pada muatan pada kapasitor
yang lainnya (Halliday dan Resnick, 1992). Jika ruang antarplat tidak terisi oleh
bahan tertentu atau kosong maka besarnya Ɛ adalah satu. Kapasitansi suatu
kapasitor bergantung pada luas penampang, bentuk, jarak antarplat, dan sifat
bahan dielektriknya (Suyamto, 2008). Kapasitor memiliki fungsi sebagai
pembatas arus DC dan sebagai penyimpan energi dalam bentuk medan listrik
(Ramdhani, 2008).
Konstanta dielektrik merupakan suatu kemampuan bahan dielektrik untuk
membangkitkan medan listrik yang disebabkan oleh polarisasi muatan yang
timbul karena pengaruh bahan dielektrik tersebut (Van Vlack, 2004).
Karakteristik penting yang dimiliki oleh suatu bahan dielektrik adalah
kemampuan bahan untuk menyimpan energi. Terjadinya penyimpanan energi
melalui proses pergeseran posisi relatif dari muatan-muatan terikat di dalam
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
11
molekul bahan untuk melawan gaya-gaya molekuler normalnya yang disebabkan
oleh adanya pengaruh dari medan luar (Hayt dan Buck, 2006).
Bagus atau tidaknya suatu bahan dielektrik dipengaruhi oleh konstanta
dielektrik dan disipasi bahan. Disipasi adalah hilangnya energi suatu bahan
dielektrik (Van Vlack, 2004), sehingga disipasi sering disebut dengan loss
dielektrik.
Material-material dielektrik tidak dapat menghantarkan arus listrik karena
dalam keadaaan yang paling sederhana dielektrik termasuk ke dalam bahan
isolator. Di dalam rangkaian listrik, bahan dielektrik memainkan peran inert,
namun tidak sepenuhnya inert terhadap medan listrik. Medan listrik menyebabkan
terjadinya polarisasi elektron, polarisasi ionik, dan dapat mengorientasi molekul
yang terpolarisasi permanen. Polarisasi akan menyebabkan terjadinya kenaikan
densitas muatan pada suatu kapasitor (Van Vlack, 2004).
2.5. Metode Solid State Reaction
Metode solid state reaction atau reaksi padatan digunakan karena mempuyai
beberapa keuntungan yaitu mudah dalam pembuatannya, cukup sederhana, dan
tidak membutuhkan biaya besar dalam mensintesa bahan. Proses sintesa
menggunakan reaksi padatan diharapkan hasil homogenitasnya tinggi (Yuliati,
2010). Kehomogenan campuran dalam produksi besar sangat berperan penting
untuk mendapatkan mutu yang baik (Rachmawati et.al., 2010).
Proses sintesa metode solid state reaction diawali dengan penimbangan
bahan, penggerusan dalam mortar dengan permukaan licin agar bahan tidak
menempel pada mortar, penghalusan, homogenisasi, dan reaksi padatan yang
menghasilkan pelet, kemudian dilanjutkan dengan proses kalsinasi untuk
menghilangkan kontaminasi. Reaksi padatan diharapkan terjadi pada saat proses
sintering dilakukan, di mana terbentuk senyawa baru dari bahan dasar (Ahda,
2009; Yuliati, 2010). Suatu padatan dapat berupa kristal dan dapat berupa amorf.
Padatan berupa kristal apabila atom-atomnya tersusun pada posisi periodik
sedangkan padatan bersifat amorf apabila atom-atomnya tersusun secara tidak
commit to user
periodik (Ramelan, 2004).
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
12
Gambar 2.4. Diagram reaksi padatan pembentukan BaTiO3 dari BaCO3 dan TiO2
(Yoon, 2006)
Butiran homogen BaTiO3 dapat diperoleh secara bertahap oleh reaksi antara
BaTiO4 dan TiO2 yang dikarenakan oleh difusi kontinu. Mekanismenya
ditunjukkan oleh Gambar 2.3. sedangkan persamaan reaksinya dapat dituliskan
sebagai berikut:
BaCO3 → BaO+CO2
(2.5)
BaO+TiO2 → BaTiO3
(2.6)
BaTiO3+BaO → Ba2TiO4
(2.7)
Ba2TiO4+TiO2 → 2 BaTiO3
(2.8)
Reaksi secara keseluruhannya adalah:
BaCO3+TiO2 → BaTiO3+CO2
(2.9)
Densitas redah seperti fase anatase meningkatkan formasi BaTiO3 dengan
mereduksi keduanya dan mendifusi energi aktivasinya (Yoon, 2006).
2.6. X-Ray Difraction (XRD)
Metode difraksi sinar-X digunakan untuk menganalisa padatan yang
memiliki struktur kristalin atau amorf. Struktur kristalin dan amorf sangat sulit
dibedakan apabila dilihat secara kasat mata. Apabila dilihat dengan menggunakan
mikroskoppun keduanya tidak dapat dibedakan karena keduanya sama-sama
terlihat sebagai medium yang malar (Safitri et.al., 2009).
Ciri utama struktur dapat diketahui melalui besarnya parameter kisi dan tipe
struktur tersebut. Selain digunakan untuk meneliti ciri utama struktur, difraksi
sinar-X juga digunakan untuk mengetahui susunan berbagai jenis atom di dalam
kristal, adanya cacat kristal, orientasi kristal, ukuran sub-butir kristal, mengetahui
kerapatan fasa kristal serta material
yangtoterkandung
di dalam suatu bahan (Sari,
commit
user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
13
2011). Kristal dapat diidentifikasi dengan cara mengukur pola difraksi pada
daerah sudut difraksi (2") tertentu sehingga dapat diperoleh keterangan mengenai
kristal tersebut secara spesifik (Hermintoyo et.al., 2010). Kristal dapat
didifraksikan dengan difraksi sinar-X karena jarak antaratom pada kristal hampir
sama dengan panjang gelombang sinar-X (Sueta, 2008). Analisis difraksi sinar-X
dapat digunakan untuk membuktikan banyak pengetahuan di bidang kristalografi
(Iswardhani et.al., 2003).
Gambar 2.5. Difraksi Sinar-X pada Kristal
(Suryanarayana, 1998)
Gambar 2.4 menunjukkan adanya pemantulan dan interferensi sehingga
membentuk sudut difraksi tertentu dan berlaku persamaan Bragg:
ú
di mana :
2 sin "
(2.10)
n = orde difraksi
ú = panjang gelombang
= jarak antara dua bidang pantul yang berdekatan
" = sudut antara sinar datang dan bidang pantul
Besarnya n = 1, 2, 3, .... yang berturut-turut menunjukkan orde pertama, orde
kedua, orde ketiga, dan seterusnya. Hukum Bragg digunakan untuk mempelajari
struktur kristal (Ramelan, 2004).
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
14
Hasil dari XRD adalah banyaknya foton yang diterima oleh detektor pada
saat foton mengenai kristal pada bidang tertentu, sehingga geometri kristal dari
material yang diuji dapat diketahui. Hasil konversinya berupa grafik hubungan
antara intensitas dengan 2", di mana intensitas sebagai sumbu y dan 2" sebagai
sumbu x (Rizky, 2012).
2.8. General Structure Analysis System (GSAS)
GSAS merupakan sebuah software yang digunakan untuk mengolah data
hasil XRD. Software GSAS-XPGUI ini digunakan untuk melakukan analisis
puncak-puncak yang bertumpukan serta memberikan informasi yang dibutuhkan,
baik secara kualitatif maupun secara kuantitatif, seperti nilai parameter kisi dan
sebagainya (Widiyanto, 2010).
Analisa hasil difraksi sinar-X menggunakan software GSAS ini berbasis
pada metode Rietveld (Moto et.al., 2003). Metode Rietveld merupakan suatu
proses analisis dengan cara mengasumsikan suatu model dengan struktur. Metode
ini diawali dengan proses identifikasi fasa, kemudian dilanjutkan dengan proses
penghalusan (refinement) parameter-parameter struktur kristal sehingga akan
diperoleh suatu kecocokan antara pola difraksi hasil pengamatan dengan pola
difraksi hasil perhitungan. Parameter-parameter masukan berupa space grup,
komposisi atom pembentuk fasa, parameter kisi, sudut α, sudut β, sudut γ, serta
posisi atom dari struktur kristal yang telah direkomendasikan (Suminta dan
Kartini, 2006).
commit to user