BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Piezoelektrik

BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Piezoelektrik
Jacques dan Currie menemukan fenomena piezoelektrik pada tahun 1880,
yang mana piezoelektrik merupakan katagori material yang mempunyai sifat unik.
Penerapan stress pada kristal piezoelektrik akan membangkitkan listrik karena
terjadi polarisasi muatannya (Purwasih, 2010).
Gambar 2.1. Piezoelektrik dalam Menghasilkan Energi Listrik (Purwasih, 2012)
Piezoelektrik didefenisikan sebagai suatu kemampuan yang dimiliki sebagian
kristal maupun bahan-bahan tertentu lainnya yang dapat menghasilkan tegangan
listrik jika mendapatkan perlakuan tekanan atau regangan. Piezoelektrik adalah
suatu efek yang reversibel, dimana terdapat efek piezoelektrik langsung (direct
piezoelectric effect) yaitu produksi potensial listrik akibat adanya tekanan
mekanik dan efek piezoelektrik balikan (converse piezoelectric effect) yaitu
produksi tekanan akibat pemberian tegangan listrik yang menghasilkan perubahan
dimensi (Triwahyuni, 2010).
Sifat reversibel yang dimiliki oleh piezoelektrik dapat dijelaskan sebagai
berikut. Di dalam sebuah kristal piezoelektrik, muatan listrik positif dan muatan
listrik negatif terpisah namun terdistribusi simetris, sehingga kristal keseluruhan
secara elektris bersifat netral. Ketika diterapkan stress (tekanan), maka distribusi
muatan yang simetris akan terganggu, sehingga muatan menjadi tidak simetris
lagi, dan muatan yang tidak simetris inilah yang menimbulkan medan listrik.
Universitas Sumatera Utara
Sebaliknya, ketika medan listrik diterapkan pada material piezoelektrik akan
terjadi deformasi mekanik yang menyebabkan material berubah dimensi (struktur
kristalnya dari kubik menjadi tetragonal atau rombohedral). Peristiwa ini karena
pada saat medan listrik, dihasilkan dipol yang terinduksi dengan molekul atau
struktur kristal materi. Penyesuaian molekul ini mengakibatkan materi berubah
dimensi. Sifat reversibel dari material piezoelektrik dapat dimanfaatkan untuk
berbagai macam aplikasi, antara lain sumber tegangan, sensor, aktuator,
transduser, dan peralatan elektronik lainnya.
2.2. Struktur Kristal
Susunan khas atom-atom dalam kristal disebut sistem kristal atau struktur
kristal. Struktur kristal dibangun oleh sel satuan (unit cell) yang merupakan
sekumpulan atom yang tersusun secara khusus dan secara periodik berulang
dalam tiga dimensi dalam suatu kisi kristal (crystal lattice). Suatu kristal yang
terdiri dari jutaan atom dapat dinyatakan dengan ukuran, bentuk, dan susunan sel
satuan yang berulang dengan pola pengulangan yang menjadi ciri khas dari suatu
kristal (Istiyono, 2000).
Dalam telaah mengenai geometri kristal setiap dalam kristal sempurna
dianggap sebagai suatu titik, tepat pada kedudukan setimbang setiap atom dalam
ruang. Pola geometrik yang diperoleh dinamakan kisi kristal, seperti Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Struktur Kristal Menunjukkan Sudut hkl (Darmawan, 2011)
Kisi kristal merupakan jarak antar atom pada kristal atau sering juga disebut
dengan konstanta kisi. Suatu konstanta kisi kristal yang terbentuk dalam bentuk
tiga dimensi diberi simbol dengan a, b, dan c. Sudut antara ketiga konstanta kisi
tersebut diberi simbol dengan α, β, dan γ. Misalnya, untuk kristal yang berbentuk
kubik, konstanta kisinya sama dalam ketiga arah koordinat (a = b = c), dan sudut
antara ketiga sisinya sama besar yaitu 900 (α = β = γ = 900), sedangkan untuk
kristal yang bukan kubik konstanta kisinya berbeda dalam ketiga arah koordinat.
Universitas Sumatera Utara
Volume sel satuan ditetapkan oleh 3 kisi (a, b, dan c) dan 3 sudut (α, β, dan γ).
Jarak bidang kristal merupakan panjang garis yang diambil secara tegak lurus
antara 2 bidang kristal yang sama dalam sebuah kristal. Penentuan jarak antara
bidang kristal tergantung pada sistem kristal, karena setiap sistem kristal memiliki
rumus jarak bidang kristal yang berbeda.
Tabel 2.1. Sel Satuan Konvensional dan 14 Kisi Bravais
Sistem
Kristalografi
Triklinik
Monoklinik
Panjang Sumbu dan
Sudut
a≠b≠c
α ≠ β ≠ γ = 90o
a≠b≠c
α = β = 90o ≠ γ
atau
a≠b≠c
α = γ = 90o ≠ β
Ortorombik
a≠b≠c
α = β = γ = 90o
Tetragonal
a=b≠c
α = β = γ = 90o
Trigonal
Rombohedral
Kisi Bravais
Simbol
Kisi
-Simple
P
-Simple
-Basecentered
P
C
-Simple
-Basecentered
-Facecentered
-Bodycentered
-Simple
-Bodycentered
P
C
-Simple
P
-Simple
P
-Simple
-Facecentered
-Bodycentered
P
F
Skema Tiga
Dimensi
Simple
F
I
P
I
a=b=c
α = β = γ ≠ 90o<120o
Hexagonal
a=b≠c
α = β = 90o, γ =120o
Kubus
a=b=c
α = β = γ = 90o
I
Sumber: (Kittel, 2002)
Universitas Sumatera Utara
2.3. Struktur Bahan Piezoelektrik
Kristal bahan ferroelektrik, secara umum terdiri dari bahan pyroelektrik dan
piezoelektrik. Bentuk sistem kristalnya dapat berbentuk simetris atau asimetris
dan berpengaruh juga pada sifat-sifat fisik bahan, sebagaimana dikenal dengan
prinsip Neuman. Pada sistem kristalografi ditemukan juga 20 dari 32 point groups
yang termasuk dalam kelompok non-centrosymetrik/asimetris serta dapat
menunjukkan efek piezoelektrik. Ada 10 kelompok non-centrosymetrik/asimetris
yang dapat mengembangkan polarisasi spontan dan dipol permanen dalam
struktur kristal (Heartling, 1999). Sistem kristal non-centrosymetrik tersebut di
antaranya adalah triklinik, m monoklinik, 2mm ortorombik, 3m rombohedral,
4mm tetragonal, dan 6mm hexagonal (Rodel et al. 2009).
Perovskit merupakan oksida logam yang memiliki struktur umum ABO3,
dimana A adalah ion–ion logam blok s, d, atau f yang berukuran lebih besar
sedangkan B merupakan ion–ion logam transisi (Tien-Thao et al. 2008).
Rodel (2009) telah mencoba mengklasifikasikan bahan-bahan ferroelektrik
(terpolarisasi spontan dan reversibel) yakni Tungsten Bronze PbNb6O7, Perovskit
ABO3, Pyrochlore Cd2Nb2O7, Layer Structur Bi4Ti3O12. Hanya tipe Perovskit
ABO3 yang merupakan tipe terpenting dan banyak digunakan pada bahan keramik
ferroelektrik dewasa ini, seperti BiTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, dan (Na,K)NbO3.
Sel satuan perovskit terdiri dari delapan ion besar Aa+, satu ion kecil Bb+, dan
enam ion O2-. Sel satuan perovskit dapat digambarkan sebagai gabungan struktur
FCC (Face Center Cubic) dan BCC (Body Center Cubic), dimana Aa+ berada
pada sudut sel satuan, ion O2- berada pada permukaan sel satuan dan ion Bb+
menduduki lokasi interstitial octahedral (Jones & Thomas, 2002).
Pada umumnya bahan piezoelektrik memiliki sistem kristal berupa
ortorombik, tetragonal, dan rombohedral. Ketiganya memilikinya parameter kisi
yang sangat dekat dengan parameter kisi kubik (Takafumi et al. 2012).
Timbal zirkonat titanat adalah material keramik dengan struktur kimia
(Pb(ZrxTi1-x)O3) yang dikembangkan dalam teknologi mikroelektrik. PZT
memiliki struktur kimia dengan formula ABO3. A sebagai kation Pb yang
menempati salah satu sudut dari kubus dan B sebagai ion Zr4+ mengisi pusat
Universitas Sumatera Utara
kubus. Oksigen akan mengisi pusat muka dari kubus, lalu posisi Ti4+ dan Zr4+
dapat dipertukarkan (Cherdhirunkorn, 2008).
Gambar 2.3. Kristal perovskit pada paraelektrik kubik (kiri), ferroelektrik
tetragonal (tengah), dan rombohedral (kanan). PbTiO3, yang merupakan kubik
dalam fasa paraelektrik dan tetragonal dalam fasaferroelektrik, dapat
mengadoN/m2 struktur rombohedral ketika dimodifikasi oleh sekitar 50 persen Zr
(Damjanovic, 2005).
2.4. Kurva Hysteresis Bahan Ferroelektrik
Sebagaimana bahan ferromagnetik, maka kurva hysteresis ferroelektrik
(terlihat pada gambar 2.4) terjadi antara polarisasi dengan perubahan medan listrik
yang diaplikasikan pada bahan.
Gambar 2.4. Kurva hysteresis bahan ferroelektrik BaTiO3 pada suhu kamar
(Moulson & Herbert, 2003)
Polarisasi spontan (Ps) didefinisikan dari kurva di atas berupa ekstrapolasi
linier di daerah saturasi ke arah sumbu polarisasi. Sisa polarisasi ketika medan
listrik kembali ke nol, dikenal sebagai polarisasi tetap (Pr). Sementara itu, medan
listrik dimana polarisasi kembali ke nol dikenal sebagai medan koersif (Ec)
(Moulson & Herbert, 2003). Fenomena ferroelektrik seperti ini pertama kali
ditemukan pada garam Rochelle (NaKC4H4O6.4H2O) pada tahun 1921 (Jaffe et al.
1971).
Universitas Sumatera Utara
Polarisasi spontan merupakan sifat dasar dari semua kristal piezoelektrik dan
reversibel, hanya berlaku dalam bahan ferroelektrik. Fase terbanyak ferroelektrik
berasal dari fase non-polar dan semua polarisasi bersifat reorientationable.
Besarnya Ps dalam kristal tunggal secara langsung berkaitan dengan pergeseran
atom-atom serta pembalikannya kembali (ferroelektrik) dan dapat dihitung dari
posisi atom dalam sel satuan jika diketahui. Adapun untuk bahan dielektrik kurva
hysteresis akan menjadi terbalik, karena tidak dapat menghasilkan polarisasi
spontan, sehingga kurva PE-nya menjadi sebuah garis lurus tanpa hysteresis
(Moulson & Herbert, 2003).
Material piezoelektrik yang banyak diproduksi dan diaplikasikan pada saat ini
adalah PZT, karena material ini memiliki sifat-sifat piezoelektrik yang sangat baik
(Hussain dkk. 2009). Semakin baik sifat piezoelektriknya maka akan semakin
baik pula pengaplikasiannya. Hanya saja, PZT mengandung timbal (Pb) lebih dari
60% (Cross, 2004). PZT juga mempunyai nilai konstanta piezoeletrik d33 = 460
pC/N, faktor kopling Kp = 5,56, Pr = 39,2 µC/cm2, medan koersif Ec = 14,9
kV/cm, dan suhu Curie yang tinggi yaitu 450oC (Donnelly et al. 2008).
2.5. Metode Solid State Reaction
Metode reaksi padatan Solid State Reaction disebut juga denga metode kering
atau metode konvensional. Solid State Reaction merupakan reaksi padatan yang
terjadi antar partikel yang bereaksi di atas permukaan yang dipengaruhi oleh sifat
kehomogenan bahan, tekanan saat kompaksi, suhu sintering, dan lamanya waktu
pemanasan. Metode padat merupakan metode yang paling banyak digunakan
untuk sintesa bahan anorganik mengikuti rute yang hampir universal yaitu
melibatkan pemanasan komponen-komponen pada suhu tinggi dengan periode
yang relatif lama. Reaksi ini melibatkan pemanasan campuran dua atau lebih
padatan untuk membentuk produk yang juga berupa padatan (Calton, 2009).
Tahapan dari metode Solid State Reaction, yaitu:
a. Blending/penggerusan
Bertujuan untuk menghomogenisasi bahan dan disertai juga
dengan pengecilan butiran agar permukaan kontak antar partikel dapat
lebih maksimal.
Universitas Sumatera Utara
b. Compacting/kompaksi
Bertujuan agar jarak antar butiran seminimal mungkin, sehingga
memungkinkan terjadi proses difusi yang lebih cepat.
c. Sintering/pemanasan
Proses kalsinasi didefinisikan sebagai pengerjaan sampel pada
temperatur tinggi tetapi masih dibawah titik leleh tanpa disertai
penambahan reagen dengan maksud untuk mengubah bentuk senyawa
dalam konsentrat. Temperatur kalsinasi berpengaruh terhadap fasa suatu
zat, dimana fasa adalah bagian dalam suatu material yang berbeda dengan
bagian-bagian lainnya dalam hal struktur atau komposisi (Van Vlack,
1995). Berubahnya fasa dan struktur dari material akibat temperatur
karena ketika suatu material dipanaskan maka akan terjadi peningkatan
energi memungkinkan atom-atom bergetar pada jarak antar atom yang
lebih besar (Zeffry, 2015).
Selain
temperatur
berpengaruh
terhadap
perubahan
fasa,
temperatur juga berpengaruh terhadap ukuran butir. Akibat meningkatnya
temperatur maka difusi atom juga semakin meningkat, sehingga
meningkat pula pembentukan nukleus-nukleus fasa baru yang sama.
Antara nukleus-nukleus ini terdapat batas butir yang memisahkannya serta
dipisahkan dengan pori-pori. Temperatur yang dinaikkan secara terus
menerus, menyebabkan terjadi pengecilan/penghilangan pori-pori tesebut.
Apabila pori-pori sangat mengecil maka mereka tidak mampu lagi
mengunci batas butir terhadap pengaruh gaya pertumbuhan butir
(Smallman & Bishop, 2000).
Kalsinasi merupakan proses pemanasan suatu objek dengan tujuan
membersihkan objek tersebut dari pengotor-pengotor organik. Kalsinasi
perlu dilakukan karena dalam pembuatan kristal sering kali terdapat
pengotor-pengotor, terutama pengotor organik (Sumari et al.2008).
Proses sintering adalah proses penggabungan partikel- partikel
serbuk melalui peristiwa difusi pada saat suhu meningkat (Callister, 1994).
Pada dasarnya sintering adalah peristiwa pengecilan pori-pori antara
partikel bahan, pada saat yang sama terjadi penyusutan komponen, dan
Universitas Sumatera Utara
diikuti oleh pertumbuhan grain serta peningkatan ikatan antar partikel
yang
berdekatan,
sehingga
menghasilkan
bahan
yang
lebih
mampat/kompak (Richerson, 1982). Peristiwa sintering dapat dilukiskan
seperti pada Gambar 2.5 (Callister, 1994). Suhu sintering mempengaruhi
proses penyusutan, sedangkan pengaruh waktu sintering tidak banyak.
Sintering umumnya dapat terjadi di dalam produk pada suhu tidak
melebihi dari setengah sampai dua pertiga dari suhu meltingnya, suhu
yang membuat atom cukup mampu untuk berdifusi (Ramlan, 2001).
Gambar 2.5. Perubahan Struktur Mikro pada Saat Sintering (Callister, 1994)
2.6. Morphotropic Phase Boundary (MPB)
Studi sintesa dan pengembangan bahan piezoelektrik sangat ditentukan
komposisi/kandungan dari penyusunannya, agar dapat menghasilkan sifat
kepiezoelektrikan yang lebih optimal dan berakibat pada unjuk kerja dari
aplikasinya lebih maksimal. Para peneliti mengambil komposisi bahan dasarnya
berada pada daerah batas dua sistem kristal perovskit, lebih dikenal dengan
Morphotropic Phase Boundary (MPB) (Basetet al. 2010).
Gambar 2.6. MPB pada Pb(Zr(1-x)Tix)O3(a) diagram fase Pb(Zr(1-x)Tix)O3. HT
menunjukkan suhu tinggi dan LT-suhu rendah fase rombohedral. AF adalah
fase antiferroelektrik, dan M menunjukkan daerahantara fasa monoklinik
(Gupta & Viehland, 1998) (b) konstanta dielektrik εr dan faktor
kopling kdari PZT yang optimalpada MPB (Chen et al. 2009)
Universitas Sumatera Utara
Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), bahan keramik piezoelektrik dengan unjuk kerja yang
tertinggi, terbentuk dari larutan padat oleh fasa ortorombik pada PbZrO3 (PZ) dan
fasa tetragonal pada PbTiO3 (PT). Diagram fasa pada gambar 2.6a menunjukkan
bahwa dua perovskit dengan berbagai jenis struktur kristal yang dibatasi pada
daerah sempit dengan komposisi Zr:Ti sekitar 52:48. Daerah batas ini
memisahkan fasa rhomboheral dan tetragonal PZT. Beberapa fasa di daerah ini
sama, sehingga disebut Morphotropic Phase Boundary (MPB). Komposisi pada
Zr:Ti dapat direpresentasikan dengan kandungan PbZrO3 : PbTiO3 = 52% : 48%
yang berada pada daerah MPB(Gupta & Viehland, 1998). Spekulasi dari
pemilihan MPB tersebut (campuran binary dan ternary suatu bahan piezoelektrik)
dapat menjawab bahwa sifat piezoelektrik tinggi dan didukung dari konstanta
dielektrik ԑr dan faktor kopling kp tertinggi. Unjuk kerja dari MPB dapat
mengoptimalkan konstanta dielektrik, konstanta piezoelektrik, dan hal terkait
lainnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6b (Chen et al. 2009).
2.7. Prinsip Efek Piezoelektrik (Proses Poling)
Bahan dielektrik adalah suatu bahan yang secara kelistrikan bersifat isolator
dan dapat memperlihatkan struktur dipol listrik, yaitu adanya pemisahan antara
muatan listrik positif dan listrik negatif pada tingkatan molekuler atau atomik
(Callister, 1994). Bahan dielektrik ini memiliki muatan yang terikat dalam dipol.
Pembangkit listrik magnetik dan piezoelektrik mempunyai prinsip kerja yang
hampir sama (Kim, 2002). Pembangkit listrik dari magnet menggunakan energi
mekanik untuk diubah menjadi magnet. Perubahan medan magnet menghasilkan
gaya untuk menggerakkan elektron bebas. Dalam pembangkit listrik piezoelektrik,
elektron bebas bergerak dengan mengubah medan listrik yang berada di dalam
kristal.
Gambar 2.7. Prinsip Kerja Pembangkit Listrik dari Magnet dan Pembangkit dari
Piezoelektrik (Kim, 2002)
Universitas Sumatera Utara
Pada piezoelektrik keramik, adanya properti dielektrik menjadi sesuatu yang
penting. Posisi muatan tidak berada di tengah kristal, membuat perubahan kutub.
Arah dari tengah ke muatan positif dinamakan arah pengutuban (poling direction)
dan secara umum ialah distribusi keseluruhan secara acak dari polikristal
piezoelektrik, yang ditunjukkan pada Gambar 2.8 arah pengutuban ini dapat
dimodifikasi dengan panas dan kondisi tegangan. Kristal piezoelektrik
mempunyai karakteristik suhu, yang dikenal dengan suhu Curie. Biasanya bahan
piezoelektrik mempunyai spesifikasi suhu Curie masing-masing. Sesekali ada
bahan piezoelektrik yang dipanaskan di atas suhu Curie, sehingga akan
kehilangan polarisasinya dan arah pengutuban baru akan muncul sebagai aplikasi
dari tegangan yang dihasilkan material piezoelektrik. Arah pengutuban muncul
kemudian menghasilkan tegangan (Kim, 2002).
Bahan piezoelektrik terbentuk oleh keramik terpolarisasi, sehingga beberapa
bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negatif
membentuk elektroda-elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan
dan menghasilkan medan listrik material yang dapat berubah akibat gaya
mekanik. Pemisahan muatan ini disebut dengan dipol. Pada monokristal, dipol
berada pada satu titik sumbu simetris, sedangkan untuk polikristal dipol memiliki
daerah sumbu kutub yang berbeda (McLaunghin, 2008).
Gambar 2.8. Proses pengutuban, (a) sebelum pengutuban, (b) menghasilkan
tegangan meskipun elektroda berada di atas suhu Curie, (c) menghilangkan
tegangan dan mendingin (cold down) (Kim, 2002).
Untuk mendapatkan bahan piezoelektrik elemen aktif yang memiliki momen
dipol searah maka diperlukan proses poling. Proses poling adalah pemberian
medan listrik terhadap bahan, sehingga bisa menyearahkan momen dipol pada
bahan piezoelektik. Proses pemanasan yang sebelumnya diberikan medan listrik
pada bahan piezoelektrik akan menghasilkan bahan piezoelektrik di atas. Proses
Universitas Sumatera Utara
pemanasan memberikan pengaruh pada pergerakan molekul untuk lebih bebas dan
pengaruh kekuatan medan listrik mengarahkan semua momen dipol dalam
struktur kristal ke arah yang sama. Dengan adanya pemanasan ini akan
mengurangi besar medan listrik yang digunakan. Proses poling ini sama
prinsipnya dengan proses magnetisasi (McLaunghin, 2008).
Hubungan yang paling penting pada material piezoelektrik dalam
menghasilkan energi listrik ialah antara tekanan (stress) dan muatan (charge) dan
konstanta piezoelektrik (d). Nilai d ialah konstanta yang diberikan pada keadaan
statis. Untuk keadaan statis, rangkaian terbuka pembangkit tegangan berada dalam
hubungan:
Dij = dijk σik
(1)
dengan D ialah muatan listrik per area (C/m2), σ merupakan pemberian tekanan
(stress) (N/m2) dan d ialah konstanta piezoelektrik (C/N). Ketika tekanan (stress)
mengarah secara longitudinal dari sistem, hubungan di atas dapat dituliskan
sebagai berikut:
D3 = d31 σ11
(2)
Untuk indeks pertama menunjukkan permukaan, sedangkan indeks kedua
menunjukkan arah yang ditemukan dalam elastisitas ketentuan umum indeks.
Untuk konstanta piezoelektrik, indeks pertama menunjukkan arah pengutuban (P)
dan indeks yang kedua menunjukkan arah gaya atau medan yang diberikan.
Sehingga, indeks dari D menunjukkan arah permukaan dari elektroda. D3 berarti
muatan mengumpul pada elektroda-elektoda, mereka menutupi permukaan
material piezoelektrik normal pada arah 3 yang dapat ditunjukkan pada Gambar
2.9.
Gambar 2.9. Gaya pada Arah 1 dan Elektroda pada Permukaan 3 (Kim, 2002)
Secara umum material piezoelektrik (4 mm dan 6 mm untuk kelas Kristal)
mempunyai 5 konstanta piezoelektrik yaitu d31, d32, d33, d15, dan d24, semua
Universitas Sumatera Utara
sisanya bernilai nol. Konstanta d31 sama dengan konstanta d32 dan konstanta d15
sama dengan konstanta d24. Sehingga hanya ada 3 distrik konstanta piezoelektrik.
Besar hubungan diantara konstanta ialah d15> d33> d31. Secara umum material
piezoelektrik d33 dua kali lebih besar dibandingkan d31 dan d15 lima kali lebih
besar dari d31. Bahkan, meskipun d15 merupakan jumlah terbesar yang berarti 5
gaya memotong dapat menghasilkan energi lebih daripada pemberian gaya, arah
15 ini ialah memotong tekanan (stress) yang ditunjukkan pada Gambar 2.10 yang
sangat sulit untuk direalisasikan dalam struktur yang sebenarnya.
D3 = d15 σ13
(3)
Gambar 2.10. Arah Elektroda pada Permukaan 1 dan Memotong Tekanan (stress)
(Kim, 2002)
Selanjutnya jumlah yang paling besar ialah pada arah d33. Dalam struktur
yang sebenarnya, keadaan tekanan (stress) konstan yang digambarkan pada
Gambar 2.9 sampai 2.11. Jika distribusi tekanan (stress) tidak konstan, maka
distribusi elektriknya juga tidak akan konstan.
Gambar 2.11. Penampang Material Piezoelektrik dalam Arah Gaya pada Arah 3
dan Permukaan 3 (Kim, 2002)
2.8. PVDF (Polyvinylidene Flouride)
Bahan polimer piezoelektrik didominasi oleh polimer ferroelektrik dari
keluarga PVDF yang ditemukan pada tahun 1969.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.12. Struktur PVDF (Dargaville et el. 2005)
Bahan polimer piezoelektrik PVDF(Polyvinylidine Flouride) merupakan
bahan polimer semikristal yang secara komersial dalam bentuk bubuk, pelet, atau
berupa film semi transparan (dengan ketebalan antara range 8 sampai 110 μm).
PVDF mempunyai suhu leleh (melting) pada pendekatan di suhu 170oC dan
termasuk pada lelehan kental sesuai dengan proses leleh tanpa menggunakan
bantuan, bahan tambahan, dan stabilisator. Polimer dapat juga larut diproses
karena daya larutnya biasanya dalam bahan pelarut polar (misalnya, MNP, dan
DMAc). Suhu transisi kaca secara khas berada di kisaran -40oC, sehingga saat
berada pada suhu kamar polimer dapat menyesuaikan dengan properti mekanik
yang baik. PVDF non-piezoelektrik mempunyai banyak kegunaan dalam
coanting, insulasi kabel, tabung fleksibel, dan bagian dari pegangan material
radioaktif. PVDF disintesa dengan penambahan polimerisasi dari monomer
CH2=CF2. Ketika menghasilkan homopolymer (misalnya dari 100% monomer
CH2=CF2) secara umum rantai PVDF mempunyai struktur reguler secara
bergantian kelompok CH2 dan CF2 (Dargavilleet al. 2005).
Gambar 2.13. Struktur rantai PVDF (Dargavilleet al. 2005)
2.9. XRD (X-Ray Diffraction)
Sinar-X merupakan radiasi elektromagnetik berenergi tinggi. Sinar-X
memiliki energi sekitar 200 eV – 1 MeV, berada di antara sinar gamma (γ) dan
sinar ultraviolet (UV) dalam spektrum elektromagnetik. Panjang gelombang sinarX adalah sekitar 0,5 – 2,5 Å. Sinar-X dihasilkan oleh interaksi antara sinar
Universitas Sumatera Utara
eksternal elektron dan elektron dalam kulit atom, sedangkan sinar gamma (γ)
dihasilkan oleh perubahan dalam nukleus atom. Jika elektron yang mempunyai
kecepatan tinggi menumbuk suatu logam target, maka akan dihasilkan sinar-X.
Intensitas transisi Kα lebih tinggi daripada transisi Kβ, sehingga yang
digunakan untuk keperluan difraksi sinar-X adalah radiasi Kα. Proses perlambatan
elektron pada saat menembus logam sasaran juga dapat menghasilkan sinar-X.
Proses perlambatan elektron yang menghasilkan sinar-X ini sering disebut sebagai
radiasi putih.
Difraksi sinar X digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal suatu
padatan dengan membandingkan nilai jarak d (bidang kristal) dan intensitas
puncak difraksi dengan data standar. Difraksi sinar-X oleh sebuah material terjadi
akibat dua fenomena yaitu hamburan oleh tiap atom. Interferensi gelombang–
gelombang oleh tiap atom–atom tersebut. Interferensi ini terjadi karena
gelombang-gelombang yang dihamburkan oleh atom memiliki koherensi dengan
gelombang datang dan demikian pula dengan mereka sendiri (Pratapa, 2004).
Berkas sinar-X yang saling menguatkan disebut sebagai berkas difraksi.
Persyaratan yang harus dipenuhi agar berkas sinar-X yang dihamburkan
merupakan berkas difraksi dikenal sebagai Hukum Bragg. Menurut Bragg berkas
yang terdifraksi oleh kristal terjadi jika pemantulan oleh bidang sejajar atom
menghasilkan interferensi konstruktif. Pemantulan sinar-X oleh sekelompok
bidang paralel dalam kristal pada hakekatnya merupakan gambaran dari difraksi
atom-atom kristal. Difraksi atom-atom kristal sebagai pantulan sinar-X oleh
sekelompok bidang-bidang paralel dalam kristal seperti terlihat pada Gambar 6.
Arah difraksi sangat ditentukan oleh geometri kisi yang bergantung pada orientasi
dan jarak antar bidang kristal.
Gambar 2.14. Difraksi Sinar-X oleh Kristal (Yoshioka,1985)
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 menunjukkan seberkas sinar A mengenai atom C pada
bidang pertama dan atom E pada bidang berikutnya. Jarak antara bidang C dengan
bidang E adalah d. Berkas-berkas tersebut mempunyai panjang gelombang λ, dan
jatuh pada bidang kristal dengan jarak d dan sudut θ. Interfernsi konstruktif terjadi
jika selisih lintasan antara dua sinar yang berurutan merupakan kelipatan panjang
gelombangnya (λ), sehingga dapat dinyatakan pada persamaan matematis hukum
Bragg sebagai berikut:
nλ = 2dhkl sinθ
(4)
n adalah bilangan bulat, d merupakan jarak antar bidang, θ adalah sudut antara
sinar datang dengan bidang kristal dan λ adalah panjang gelombang sinar-X.
(Omar, 1975). Pantulan Bragg hanya terjadi untuk gelombang dengan λ ≤ 2d, dan
itu sebabnya cahaya tampak tidak dapat digunakan dalam hal ini. Sudut θ yang
ditentukan persamaan di atas, untuk jarak antar bidang d dan λ tertentu merupakan
sudut unik terjadinya pantulan. Pada sudut yang lain, berkas sinar pantul akan
saling berinterferensi destruktif satu sama lain, sehingga pantulan efektifnya nol.
Data yang diperoleh dari pengukuran difraksi adalah sudut difraksi 2θ dan
intensitasnya I (2θ) pada sudut pantul yang sesuai. Pantulan n = 1, 2, 3, ...
berturut-turut disebut pantulan orde pertama, orde kedua, orde ketiga, ... , dan
seterusnya. Semakin tinggi orde pantulan semakin rendah intensitas pantulannya.
Istilah difraksi lebih banyak dipakai dalam hal ini dari pada pantulan, sehingga
sebutan lazimnya “Difraksi Sinar-X” (Cullity, 1978).
2.10. Metode BET (Brunauer-Emmet-Teller)
Metode BET merupakan metode yang digunakan untuk menentukan luas
permukaan suatu padatan berpori, serta ukuran dan volume pori-porinya dengan
menggunakan alat autosorb 6. Prinsip kerjanya berdasarkan proses adsorb gas N2
pada padatan berpori.
Sampel yang akan dianalisis dengan berat yang diketahui diletakkan dalam
tabung yang sudah diketahui volumenya dan dipanaskan di bawah vakum (10-2
Torr) untuk menghilangkan gas-gas yang terdapat pada sampel. Tabung
didinginkan dalam nitrogen cair dan sejumlah gas nitrogen dimasukkan ke dalam
tabung. Setelah mencapai kesetimbangan, tekanan dalam tabung diukur. Hal ini
Universitas Sumatera Utara
dilakukan berulang kali dengan jumlah-jumlah gas tertentu gas N2. Dengan
mengamati perbedaan tekanan gas terhitung dan tekanan yang diamati pada setiap
penambahan dapat ditentukan jumlah N2 yang teradsorbsi (Nurhayati, 2008).
Luas permukaan menggambarkan permukaan aktif yang dapat terjadi kontak
dengan reaktan dalam proses reaksi atau dapat diartikan sebagai luas permukaan
tiap gram sampel. Menurut teori Bruneur, Emmet, Teller (BET) banyaknya gas
yang dapat teradsorN/m2 pada permukaan padatan berbanding langsung dengan
luas permukaan. Hal ini berarti total volume pori berbanding lurus dengan luas
permukaan spesifik. Sebagai konsekuensinya semakin banyak gas N2 yang
teradsorbsi pada permukaan maka total volume pori akan semakin besar. Berbeda
halnya dengan luas permukaan spesifik yang berbanding lurus dengan total
volume pori, jari-jari pori rata-rata berbeanding terbalik dengan luas permukaan
spesifik dan total volume pori. Hal ini berarti semakin meningkat luas permukaan
spesifik dan total volume pori, maka jari-jari pori rata-rata akan semakin
menurun. Sebaliknya, dengan semakin menurunnya luas permukaan spesifik dan
total volume pori maka, jari-jari pori rata-rata akan semakin meningkat
(Hasanudin & Addy Rachmat, 2010).
Universitas Sumatera Utara