MIPMIPA, Vol. 12, No. 1, Februari 2013 : 64
advertisement
64 PENUMBUHAN LAPISAN TIPIS FeZn DENGAN TEKNIK ELECTROPLATING Erniwati, Ida Usman, dan Suratman Jurusan PMIPA/Fisika FKIP Unhalu Kampus Bumi Tridharma Kendari 93232 Abstrak : Tujuan penelitian untuk mengetahui pengaruh variasi waktu pada pendeposisian lapisan tipis FeZn dengan teknik electroplating terhadap nilai konduktivitas listriknya. Penelitian ini di bagi dalam dua tahap yaitu tahap pendeposisian lapisan tipis FeZn dengan teknik electroplating, dan tahap karakterisasi konduktivitas lapisan tipis FeZn listriknya dengan menggunakan four-point probe ( FPP). Hasil deposisi lapisan FeZn diperoleh sebanyak tiga sampel dengan variasi waktu deposisi selama 5 menit (sampel 1), 10 menit (sampel 2) dan waktu 15 menit (sampel 3) dengan perubahan fisik dari material besi (Fe) yang berubah menjadi putih keabu-abuan. Dari hasil karakterisasi diperoleh hubungan Nilai konduktivitas material FeZn semakin besar seiring dengan bertambahnya waktu elektoplating. Yaitu sebesar (1,983 + 0,000144) x1003 (Ω ) untuk sampel hasil deposisi selama 5 menit dan konduktivitas listrik sampel hasil deposisi selama 10 menit sebesar (3,594 + 0,000115) x1003 (Ω ) serta konduktivitas listrik sampel hasil deposisi selama 15 menit sebesar (4,170 + 0,000037) x1003 (Ω ) . Kata Kunci : Deposisi, electroplating ,konduktivitas PENDAHULUAN Logam mempunyai banyak keunggulan seperti keras,kuat dan daya hantar listriknya yang tinggi serta dapat digunakan sebagai bahan dekoratif. Salah satu jenis logam yang banyak digunakan adalah besi (Fe). Besi (Fe) banyak digunakan karena besi merupakan logam yang banyak ditemukan di alam, mempunyai harga yang murah, dan mempunyai sifat yang kokoh, tidak berbahaya erta mudah diolah, sehingga logam ini paling banyak digunakan diberbagai bidang. Namun demikian, besi juga memiliki kekurangan yakni mudah teroksidasi terhadap oksigen atau mengalami korosi. Kendala ini biasanya diatasi dengan pelapisan logam lain yang tidak mudah teroksidasi. Seiring dengan perkembangan teknologi dewasa ini yang semakin pesat maka teknik deposisi lapisan tipis merupakan salah satu cara yang dapat dilakukan sehingga sifat material yang ingin diperoleh dapat sesuai dengan spesifikasi aplikasi. Untuk mengatasi atau mencegah terjadinya kerusakan pada besi salah satu cara yang dapat dilakukan, diantaranya adalah dengan mendeposisi atau melapisi besi dengan material yang lain. Salah satu material yang dapat dilakukan untuk pelapisan besi adalah seng (Zn). Seng memiliki sifat ketahanan korosi terhadap udara luar. Oleh karena itu seng banyak dipakai untuk melindungi logam-logam lainnya terhadap korosi, atau seng dipakai sebagai bahan murni (Van Vliet dan Both, 1983).Seng termasuk unsur transisi dan MIPMIPA, Vol. 12, No. 1, Februari 2013 : 64 - 70 65 mempunyai sifat fisik logam yaitu bersifat keras dan daya hantar yang tinggi dimana sifat ini berhubungan dengan struktur logam dan ikatan antar atom pada logam tersebut. Pembentukan lapisan tipis FeZn dapat dilakukan dengan beberapa teknik diantaranya, electrodeposisi, evaporation, sputtering, ion plating, Physical vapour deposition (PDV ),dan Chemical vapor deposition ( CVD ). Pada proses pelapisan logam dengan electroplating ini banyak faktor yang mempengaruhi pembentukan lapisan, yaitu tegangan yang digunakan pada saat proses electroplating, waktu deposisi, suhu larutan, dan konsentrasi larutan, sehingga sifat material yang dihasilkan dapat sesuai dengan spesifikasi aplikasi. Namun pada penelitian ini hanya dilakukan pendeposisian lapisan tipis FeZn dengan teknik electroplating, untuk melihat pengaruh parameter waktu proses electroplating terhadap konduktivitas listriknya. KERANGKA TEORITIK 1. Penumbuhan Lapisan Tipis Penumbuhan lapisan tipis dengan cara deposisi melibatkan tiga tahapan utama, yaitu: Pembentukan ion/atom/ molekul, pemindahan jenis ion/atom/ molekul ke substrat melalui medium, dan kondensasi lapisan tipis pada substrat secara langsung atau melalui reaksi kimia dan reaksi elektroda untuk membentuk endapan padat. 2. Pelapisan Logam dengan Electroplating Electroplating adalah proses pelapisan logam yang menggunakan prinsip eletrokimia.Dalam metode ini komponen bersama dengan batangan atau lempengan logam yang akan dilapisi, direndam dalam suatu larutan elektrolit yang mengandung garamgaram logam pelapis (Chamberlain, 1991). Prinsip dasar elektroplating adalah penempatan ion-ion logam pelapis di atas substrat yang akan dilapisi melalui metode elektrolisis yakni menguraikan senyawa kimia dalam larutan elektrolit dengan mengalirkan arus searah. Arus listrik yang mengalir dalam larutan menyebabkan terjadinya reaksi kimia, yaitu peruraian ion-ion dalam larutan.Ion-ion positif akan bergerak ke katoda dan ion-ion negatif bergerak ke anoda sehingga terjadi pelapisan pada substrat. Anoda merupakan elektroda yang menghasilkan elektron sedangkan katoda adalah elektroda yang menerima elektron yang merupakan tempat pengendapan saat proses electroplating. Penumbuhan Lapisan Tipis FeZn dengan Teknik Electroplating (Erniwati, Ida Usman, dan Suratman) 66 Gambar 1. Skema rangkaian proses electroplating 3. Parameter Deposisi Parameter yang sangat berpengaruh adalah: suhu larutan, konsentrasi, dan waktu deposisi. Alat juga dilengkapi dengan pengatur jarak elektroda, pengatur potensial elektroda, serta pengukur suhu. 4. Electroplating Besi ( Fe) dengan Seng ( Zn) Logam Fe ditemukan dalam inti bumi berupa hematit. Fe hampir tidak dapat ditemukan sebagai unsur bebas. Fe diperoleh dalam bentuk tidak murni sehingga harus melalui reaksi reduksi guna mendapatkan Fe murni. Fe ditemukan terutama sebagai mineral hematit (Fe2O3); magnetit (Fe3O4); mineral lain yang merupakan sumber Fe adalah limonit (FeO(OH)nH2O), siderite (FeCO3), dan takonit. Inti bumi sebagian besar terdiri dari alloy besi-nikel (Fe-Ni) dan kira-kira 5% meteorit yang mengandung alloy FeNi. Seng (Zn) adalah komponen alam yang terdapat di kerak bumi. Zn adalah logam yang memiliki karakteristik cukup reaktif, berwarna putih kebiruan, pudar bila terkena uap udara, dan terbakar bila terkena udara dengan api hijau terang. Zn dapat bereaksi dengan asam, basa, dan senyawa non-logam. Zn memiliki nomor atom 30 dan memiliki titik lebur 419,73 oC Logam Zn memiliki banyak keunggulan, antara lain memiliki daya energi tinggi, bisa didaur ulang, aman, dan tidak menyisakan emisi (zero emission) sehingga Zn bisa digunakan sebagai baterai habis pakai. Kegunaan seng pada berbagai jenis industri, yaitu: melapisi besi atau baja guna mencegah korosi, bahan tabung baterai, bahan alloy seperti kuningan, nikel-perak, logam mesin ketik, dan penyepuhan listrik (Widowati dkk., 2008). MIPMIPA, Vol. 12, No. 1, Februari 2013 : 64 - 70 67 Seng ( Zn) sudah lama dikenal sebagai pelapis besi yang tahan korosi ,murah harganya,dan mempunyai tampak permukaan yang cerah.Pelapisan seng pada besi dilaksanakan dengan beberapa cara seperti galvanising,sherardising,atau metal sprying .Namun pelapisan secara listrik (electroplating) lebih disukai karena mempunyai beberapa keuntungan diantaranya lapisan lebih merata, daya rekat lapisan lebih baik,tampak permukaan lebih baik. Fungsi pelapisan seng adalah sebagai anoda terhadap logam ferro merupakan cara untuk melindungi logam terhadap serangan korosi dan menambah keindahan permukaan logam.Adapun logam ferro yang dilindungi dengan logam seng mempunyai keuntungan antara lain sebagai pelindung terhadap korosi, mendapat sifat permukaan benda yang lebih menarik daripada permukaan logam dasar,dan memperbaiki permukaan benda yang dilapisi. 5. Sifat Listrik (Konduktivitas / Resistivitas) Salah satu sifat listrik bahan adalah konduktivitas atau resistivitas listrik. Konduktivitas listrik adalah sesuatu yang dapat dihubungkan dengan hambatan yaitu resistivitas . Konduktivitas kebalikan dari resistivitas , yang merupakan karakteristik (sifat) dari suatu bahan. Alat ukur four-point probe (probe 4 titik disingkat FPP) adalah salah satu jenis alat yang biasa digunakan untuk mengukur nilai kerintangan (resistivity) suatu lapisan bahan elektronika yaitu bahan semikonduktor, bahan logam dalam bentuk thin film (lapisan tipis) yang dipergunakan dalam pembuatan piranti elektronika. METODE PENELITIAN Waktu penelitian ini dilaksanakan bulan Januari hingga Februari 2012, dilakukan di Laboratorium Fisika FMIPA Unhalu. Penelitian ini di bagi dalam dua tahap yaitu tahap pendeposisian lapisan tipis FeZn, dan tahap karakterisasi konduktivitas lapisan tipis FeZn. Alat dan bahan yang digunakan adalah Besi ( Fe) 89,11 % ,seng ( Zn) 85,5 % dengan ukuran 3 cm x 1 cm, larutan Seng Sulfat (ZnSO4) 1 M, dan rangkaian electroplating .Proses deposisi dilakukan dengan waktu pencelupan selama 5 menit,10 menit dan 15 menit dan menjaga suhu larutan agar stabil pada suhu kamar.Sedangkan tegangan yang digunakan adalah dari 4 -12 Volt. Hasil deposisi lapisan FeZn selanjutnya dikarakterisasi konduktivitas listriknya dengan Probe Empat Titik (Four-Point Probe/FPP). Dari hasil pengukuran diperoleh data nilai tegangan V dan arus I yang selanjutnya dapat digunakan untuk menentukan nilai resistivitas dan konduktivitasnya. Penumbuhan Lapisan Tipis FeZn dengan Teknik Electroplating (Erniwati, Ida Usman, dan Suratman) 68 HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Hasil deposisi lapisan FeZn diperoleh sebanyak tiga sampel dengan variasi waktu deposisi selama 5 menit (sampel 1),10 menit (sampel 2) dan waktu 15 menit (sampel 3).Sampel tersebut selanjutnya dikarakterisasi konduktivitas listriknya menggunakan probe empat titik (Four-Point Probe). Hasil pendeposisian lapisan FeZn dengan nilai konduktivitas lapisan hubungannya dengan variasi waktu selengkapnya dapat dilihat pada gambar 2. berikut: Konduktivitas x1003(Ωm)-01 5 4 3 Konduktivi… 2 1 0 0 5 10 15 waktu deposisi t (menit) 20 Gambar 2. Grafik hubungan konduktivitas listrik rata-rata terhadap waktu pendeposisian material FeZn Pelapisan pelat besi (Fe) dengan pelapis seng (Zn) yang dilakukan dengan teknik electroplating dikatakan berhasil dengan melihat perubahan fisik dari material besi (Fe) yang berubah menjadi putih keabu-abuan. Selain perubahan fisik, keberhasilan pelapisan juga dapat teramati dari ketebalan lapisan yang dapat diketahui dengan bertambahnya massa katoda dan berkurangnya massa anoda selama proses electroplating. Hal ini terjadi karena seng yang tereduksi selama proses electroplating tidak seluruhnya terplating pada material katoda,melainkan larut ke dalam larutan ZnSO4. Hal ini disebabkan energi aktivasi yang mendorong ion-ion tersebut terdeposisi pada katoda tidak cukup kuat untuk melawan potensial yang terdapat pada permukaan katoda. Selain itu dapat mengakibatkan kurang maksimalnya tegangan yang tersupply pada bak palting. Dengan melihat perbedaan massa tersebut menunjukkan bahwa semakin besar tegangan listrik yang digunakan maka akan semakin tebal katoda terlapisi oleh pelapis (anoda). Hal ini sesuai dengan hukum Faraday I yang menyatakan bahwa jumlah zat yang terbentuk pada elektroda pada cell sebanding dengan jumlah arus yang mengalir. Artinya semakin tinggi tegangan listrik sumber yang digunakan memungkinkan jumlah arus yang semakin besar mengalir pada bak plating yang menyebabkan jumlah zat yang terbentuk pada katoda akan semakin besar. MIPMIPA, Vol. 12, No. 1, Februari 2013 : 64 - 70 69 Peningkatan nilai konduktivitas material FeZn seiring dengan bertambahnya waktu elektoplating yakni dari (1,983 + 0,000144) x1003 (Ω ) sampai (4,170 + 0,000037) x1003 (Ω ) . Hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya waktu deposisi maka semakin banyak partikel Zn yang terdeposisi pada permukaan Fe. Peningkatan ukuran partikel dan semakin banyaknya seng (Zn) yang terdeposisi menyebabkan elektron dalam partikel tersebut dapat bergerak dengan lebih baik. Semakin baik pergerakan elektron maka penghantaran listrik oleh bahan tersebut juga semakin baik. Ukuran partikel FeZn penting untuk memastikan bahwa elektron konduksi tidak mengalami terlalu banyak hamburan pada batas butir/partikel. Semakin besarnya elektron yang mengalir pada lapisan tipis FeZn menyebabkan semakin besarnya arus listrik yang melewatinya. Hal ini sejalan teori yang menjelaskan bahwa pendeposisian yang dilakukan terus menerus akan meningkatkan ketebalan lapisan dan semakin banyak anoda yang menempel pada katoda (Ohring, 1992 dan Khotimah, 2008) KESIMPULAN Waktu yang dibutuhkan pada saat pendeposisian berpegaruh pada sifat konduktivitas bahan. Nilai konduktivitas material FeZn semakin besar seiring dengan bertambahnya waktu elektoplating. Yaitu sebesar (1,983 + 0,000144) x1003 (Ω ) untuk sampel hasil deposisi selama 5 menit dan konduktivitas listrik sampel hasil deposisi selama 10 menit sebesar (3,594 + 0,000115) x1003 (Ω ) serta konduktivitas listrik sampel hasil deposisi selama 15 menit sebesar (4,170 + 0,000037) x1003 (Ω ) . Namun dalam proses electroplating FeZn sebaiknya memperhatikan parameter-parameter yang lain seperti suhu, konsentrasi larutan elektrolit, jarak antar elektroda karena akan mempengaruhi hasil electroplating, Dalam proses electroplating terjadi penurunan tegangan (dropp tegangan) pada power supply sehingga disarankan agar menggunakan tegangan sumber jangan melebihi 12 Volt. Selain itu pada proses electroplating juga terjadi kenaikan temperatur pada larutan elektrolit (ZnSO 4) hal ini dapat diminimalisir dengan penggunaan waktu electroplating yang tidak terlalu lama dan ideal . DAFTAR PUSTAKA Anonim, 2011. Pengukuran Listrik dengan Probe Empat Titik. http://www.elektroindonesia.com/elektro/elek31a.html. Diakses 08/05/2011. Anton, Hartono, Tomijiro Kaneko. 1992 Mengenal Pelapisan Logam Elektroplating. : Andi Offset : Yogyakarta. Penumbuhan Lapisan Tipis FeZn dengan Teknik Electroplating (Erniwati, Ida Usman, dan Suratman) 70 Ikbal, 2010. Deposisi dan Karakterisasi Konduktivitas Listrik Material Granular FeAg dengan Metode Probe Empat Titik (Four-Point Probe)[Skripsi]. FKIP Unhalu: Kendari. Irzaman, Maddu, A; Syafutra, H dan Ismangil,A, 2010. Uji konduktivitas listrik dan dielektrik film tipis Lithium Tantalate (LiTaO 3) yang didadah niobium penta oksida (Nb2O5) menggunakan metode Chemichal Solution Deposition) Prosiding seminar nasional Fisika 2010. IPB: Bogor. Khotimah, L. 2008. Optimasi Parameter Deposisi Cu (Tembaga) dan Ag (Perak) dengan Teknik Elektroplating Untuk Menghasilkan Bahan Dekoratif Unggul. Lamongan. Ohring, M., 1992. The Material Science of Thin Films. International editionAcademic Press Inc, Harcourt Brace Jovanich, Bestan. Purwanto, S., 2005.Teknologi Industri Elektroplating. Universitas Diponegoro: Semarang. Sholeh dan Azhar.2008. Teknologi Bersih Pada Industri Lapis Listrik (Elektroplating). Balai Besar Pengembangan Industri Logam dan Mesin. Jakarta. Soares, J.M., J.H. de Araujo., F.A.O. Cabral., J.A.P. da Costa.; J.M. Sasaki. 2004. Preparation and Characterization of FeAg Granular Alloys. Departamento de Física Teórica e Experimental, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 59072-970 Natal – RN Departamento de Física, Universidade Federal do Ceará, 60455-970 Fortaleza – CE. Suarsana, I K, 2008. Pengaruh Waktu Pelapisan Nikel pada Tembaga dalam Pelapisan Khrom Dekoratif Terhadap Tingkat Kecerahan dan Ketebalan Lapisan. Udayana. Bali. Van Vlack L.H. ,1992.Ilmu dan teknologi Bahan. Erlangga:Jakarta. Widowati, Astiana, S dan Jusuf R., 2008. Efek Toksik Logam. Andi: Bandung. Young, H.D., Freedman, R.A., 2003. Fisika Universitas Ed.10 Jil. 2. Erlangga: Jakarta. MIPMIPA, Vol. 12, No. 1, Februari 2013 : 64 - 70
