bab i pendahuluan

BAB I
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Nanopartikel magnetik telah banyak menarik minat banyak peneliti karena
sifat fisika maupun kimianya yang unik dibanding dengan partikel ukuran besar
(bulk) (Setiadi, 2013). Nanopartikel banyak digunakan dalam berbagai aplikasi
seperti biosensor, biomedis, teknologi perekam, pelumas dan solar sel (Setiadi,
2013). Nanopartikel ferrite merupakan material magnetik yang memiliki peran
penting dengan sifat magnetik dan elektriknya yang spesifik, diantaranya dengan
pemanfaatannya pada teknologi perekaman dan piranti gelombang mikro (Kumar
dkk, 2013). Bahan ferrite dapat diterapkan pada aplikasi frekuensi audio (20 Hz –
20 KHz), frekuensi radio (0,1 – 1000) MHz, dan gelombang mikro ( >1 GHz).
Misalkan dalam aplikasi yang menggunakan ferrite yang merupakan bahan
magnetik halus (soft magnetic) pada rentang frekuensi-radio (misal: induktor) dan
gelombang mikro (misal: isolator gelombang mikro), bahan ini diperlukan untuk
menghindari hilangnya arus-pusar (eddy-current) (Coey, 2009).
Meskipun terdapat banyak metode yang telah dikembangkan dalam
sintesis nanopartikel magnetik, misalnya metode kopresipitasi, dekomposisi
termal, mikroemulsi dan hidrotermal, namun tingkat keberhasilan sintesis partikel
tersebut dalam suatu aplikasi sangat bergantung pada stabilitas ketika ia
diperlakukan pada beragam keadaan. Pada banyak aplikasi teramati bahwa
nanopartikel akan berfungsi dengan baik di bawah ukuran kritisnya, yang
biasanya di kisaran 10-20 nm. Dua persoalan penting yang mendominasi sifat
magnetik nanopartikel adalah pengaruh ukuran dan pengaruh permukaan. Dari
metode yang ada, metode kopresipitasi merupakan metode yang cukup efektif dan
sederhana. Metode ini menghasilkan distribusi ukuran butir yang relatif merata
dan dapat dilakukan pada kondisi lingkungan normal (Lu dkk, 2007).
Perilaku dielektrik adalah salah satu karakter penting dari bahan ferrite, ia
sangat berkaitan erat dengan kondisi penyiapan bahan, suhu sintering, komposisi
dan ukuran butir partikel. Selain ukuran butir partikel, faktor lain yang juga
1
2
penting untuk diteliti terkait dengan sifat dielektrik adalah bagaimana struktur
kristal bahan ini. Dengan mengetahui kaitan sifat dielektrik dengan struktur
kristal, maka diharapkan akan dapat diketahui metode yang sesuai dalam proses
preparasi bahan, sehingga diharapkan akan diperoleh bahan dengan struktur
kristal tertentu yang memiliki sifat dielektrik paling sesuai untuk suatu aplikasi
tertentu. Cobalt ferrite (CoFe2O4) adalah bahan yang sangat potensial dalam
aplikasi media perekaman magnetik (Surendra dkk, 2011). Konstanta anisotropi
yang relatif tinggi (290 kJ/m3), radius block superparamagnetik yang relatif besar
(13 nm pada suhu 300 K), dan ukuran partikel domain tunggal setimbang
maksimum yang relatif besar (160 nm) yang dimiliki CoFe2O4 (Coey, 2009) akan
memberikan peluang bagi pengembangan aplikasi perekaman magnetik.
Kekhasan sifat elektrik yang dimiliki bahan ini ditunjukkan dengan resistivitasnya
yang tinggi dan arus pusar yang rendah (Kumar dkk, 2013).
Sifat dielektrik CoFe2O4 yang bergantung dengan perlakuan preparasi,
ukuran butir, dan struktur kristalnya akan memberikan peluang dalam
pengembangan untuk berbagai aplikasi lainnya. Terkait dengan struktrur kristal,
misalnya Kim dkk (2003) melaporkan bahwa dengan semakin meningkatnya
kristalinitas suatu bahan, maka akan dapat meningkatkan konstanta dielektriknya.
Dengan demikian akan dapat disintesis dengan perlakuan berbeda bahan-bahan
dengan sifat dielektrik tertentu sesuai dengan aplikasi yang akan dikembangkan,
misalkan disesuaikan dengan frekuensi kerja suatu aplikasi sebagaimana
dijabarkan pada paragraf pertama di atas.
Studi tentang dielektrik akan
memberikan informasi penting tentang perilaku pembawa muatan listrik lokal,
yang akan memberikan pemahaman tentang mekanisme polarisasi dielektrik
(Surendra dkk, 2011).
Penelitian tentang sifat dielektrik telah dilakukan di Laboratorium Fisika
Material dan Instrumentasi, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada diantaranya untuk bahan Fe3O4.
Pada perkembangan selanjutnya, di laboratirum yang sama juga telah dibuat
sistem spektroskopi impedansi terkomputerisasi untuk mengukur konstanta
dielektrik, impedansi dan rugi tangen dari berbagai material. Sistem ini telah
3
digunakan dalam penentuan konstanta dielektrik material Barium Calcium
Titanate Ba1-xCaxTiO3 (BCTO-x). Penelitian tentang sintesis material CoFe2O4
telah dilakukan oleh Setiadi (2013) dengan sejumlah perlakuan berbeda sehingga
menghasilkan nanopartikel CoFe2O4 dengan ukuran butir partikel yang bervariasi.
Penelitian kali ini merupakan kelanjutan dari penelitian Setiadi (2013) yang
memfokuskan pada bagaimana pengaruh ukuran butir partikel yang berbeda serta
struktur kristal yang mencakup derajat kristalinitas, tingkat kemurnian bahan, dan
kesesuaian prameter kisi nanopartikel CoFe2O4 dengan parameter kisi bulk
CoFe2O4, terhadap sifat dielektrik bahan nanopartikel CoFe2O4. Sampel yang
diteliti terdiri dari lima sampel dengan ukuran butir partikel yang berbeda secara
signifikan.
Selain pengaruh perbedaan ukuran butir dan struktur kristal, dengan
metode pengukuran ini akan teramati bagaimana pengaruh perubahan frekuensi
terhadap perilaku dielektrik dari tiap-tiap sampel. Secara umum, pada material
ferrite terdapat kecenderungan terjadinya penurunan konstanta dielektrik dengan
meningkatnya frekuensi yang dikenakan pada bahan. Informasi mengenai
pengaruh perubahan frekuensi ini terkait dengan peluang aplikasi yang
berhubungan dengan sifat dielektrik material CoFe 2O4.
Penelitian ini akan mensintesis material CoFe2O4 menggunakan metode
kopresipitasi dengan sejumlah perlakuan berbeda sehingga menghasilkan bahan
dengan ukuran butir berbeda. Sampel CoFe2 O4 disintesis dengan metode
kopresipitasi sebagaimana yang telah dikembangkan di Laboratorium Fisika
Material dan Instrumentasi, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada oleh Setiadi (2013). Bahan yang
telah disintesis dalam bentuk serbuk kemudian akan dicetak sehingga berbentuk
pellet dengan mengacu pada penelitian Kumar dkk (2013) untuk kemudian
diamati perilaku dielektriknya. Perilaku dielektrik meliputi respon konstanta
dielektrik, rugi dielektrik dan impedansi partikel terhadap perubahan frekuensi,
ukuran butir serta struktur kristal CoFe2O4.
4
1.2.
Rumusan Masalah
Sesuai dengan latar belakang, maka dalam penelitian ini dapat dirumuskan
permasalahan sebagai berikut:
1.
Bagaimana pengaruh perubahan frekuensi terhadap konstanta dielektrik
kompleks, rugi tangen dielektrik dan impedansi CoFe2O4 ?
2.
Bagaimana pengaruh ukuran partikel dan struktur kristal terhadap
konstanta dielektrik kompleks, rugi tangen dielektrik dan impedansi
CoFe2O4?
1.3.
Batasan Masalah
Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan sampel CoFe2O4 dengan
ukuran partikel 4,7 nm, 7,7 nm, 8,7 nm, 9,0 nm, dan 9,7 nm yang dicetak menjadi
keping dielektrik. Pembahasan pada penelitian ini mencakup pada perubahan
karakteristik dielektrik sampel terhadap perubahan frekuensi tegangan masukan
pada jangkau frekuensi (10-120) kHz dan ukuran partikel serta struktur kristal
CoFe2O4.
1.4.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1.
Mengukur pengaruh perubahan frekuensi terhadap konstanta dielektrik
kompleks, terhadap rugi tangen dielektrik dan impedansi CoFe2O4.
2.
Mengetahui pengaruh ukuran partikel dan struktur kristal terhadap
konstanta dielektrik kompleks, rugi tangen dielektrik dan impedansi
CoFe2O4.
1.5.
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dapat diperoleh dari penelitian ini adalah:
1.
Memberikan informasi mengenai variabel preparasi yang optimal untuk
mengatur ukuran butir CoFe2O4.
2.
Memberikan informasi mengenai karakteristik dielektrik keping CoFe 2O4.
5
3.
Memberikan informasi mengenai pengaruh ukuran partikel dan struktur
kristal CoFe2O4 terhadap perilaku dielektrik dari bahan tersebut.
4.
Dapat dipakai sebagai acuan baik dalam penelitian selanjutnya maupun
dalam pengembangan dalam aplikasinya.
1.6.
Sistematika Penulisan
Tesis ini ditulis dalam lima bab, yaitu: pendahuluan, tinjauan pustaka,
dasar teori, metode penelitian, hasil dan pembahasan, kesimpulan dan saran;
ditambahkan dengan daftar pustaka dan lampiran.
Bab I merupakan pendahuluan yang menjelaskan latar belakang
dilakukannya penelitian mengenai karakterisasi dielektrik keping dielektrik
nanopartikel CoFe2O4, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat dan
sistematika penulisan tesis.
Bab II berisi tinjauan pustaka yang menjelaskan tentang penelitian
sebelumnya yang berhubungan dengan karakterisasi dielektrik dari keping
dielektrik nanopartikel CoFe2O4.
Bab III berisi dasar teori yang berkaitan dengan sifat kemagnetan bahan,
karakteristik dielektrik, nanopartikel magnetik dan sifat superparamagnetik,
metode sintesis kopresipitasi, CoFe2O4, karakterisasi material, spektroskpi
impedansi.
Bab IV menjelaskan metode penelitian yang mencakup alat dan bahan
yang digunakan dalam preparasi CoFe2O4, langkah-langkah kerja yang dilakukan
dalam penelitian, serta teknik pengolahan data yang digunakan.
Bab V berisi tentang hasil yang diperoleh dari setiap kegiatan penelitian
berikut pembahasannya.
Bab VI merupakan kesimpulan dari hasil penelitian yang dilakukan dan
saran bagi penelitian lain berikutnya.
Daftar pustaka berisi tentang seluruh pustaka yang diacu dalam penelitian
ini, sedangkan lampiran berisi data-data yang diperoleh dalam penelitian, teknis
analisis data dan dokumentasi penelitian.