Sisntesis Silikon Karbida (SiC) dari Silika Sekam

4 TINJAUAN PUSTAKA
Pendahuluan
Salah satu produk pertanian yang tersedia cukup melimpah adalah sekam
padi. Sekam padi adalah bagian terluar dari butir padi yang merupakan hasil
sampingan saat proses penggilingan padi. Sekitar 20% dari bobot butir padi
adalah sekam padi dan kurang lebih 15% dari komposisi sekam adalah abu sekam
yang selalu dihasilkan setiap kali pembakaran sekam padi (Harsono H, 2002) .
Abu sekam mengandung sekitar 94% - 96% silika. Silika yang terdapat dalam
sekam ada dalam bentuk amorf terhidrat. Tapi jika pembakaran dilakukan secara
terus-menerus pada suhu di atas 650°C akan menaikkan kristalinitasnya dan
akhirnya akan terbentuk fasa kristobalit dan tridimit dari silika sekam. Silika
merupakan bahan kimia yang pemanfaatan dan aplikasinya sangat luas, mulai
bidang elektronik, mekanik, medis, seni dan bidang lainnya (Harsono H, 2002).
Sementara itu karbon banyak di temukan dalam bentuk arang baik arang
tempurung kelapa maupun arang kayu sebagai hasil pembakaran tempurung dan
kayu. Carbon black, grafit dan batu bara adalah bentuk lain dari karbon. Karbon
kayu dapat dibuat dengan mudah dan dalam jumlah yang banyak dengan
melakukan pembakaran pada kayu.
Silikon karbida (SiC) merupakan satu-satunya material keramik non-oksida
paling penting, dihasilkan pada skala besar dalam bentuk bubuk (powder), bentuk
cetakan, dan lapisan tipis. Aplikasi silikon karbida (SiC) dalam industri karena
sifat mekaniknya yang sangat baik, konduktivitas listrik dan termal tinggi,
ketahanan terhadap oksidasi kimia sangat baik, dan SiC berpotensi untuk fungsi
keramik atau semikonduktor temperatur tinggi (Niyomwas S. 2008). Silika sekam
padi dan karbon kayu adalah dua material yang akan digunakan untuk mensintesis
silikon karbida (SiC).
Kombinasi atau persenyawaan antara dua atau lebih unsur atau bahan
(material) dapat menghasilkan bahan atau material fungsional. Persenyawaan
antara silikon dan karbon misalnya dapat menghasilkan atau membentuk bahan
semikonduktor silikon karbida (SiC). Sintesis SiC telah banyak dilakukan diluar
5 negeri tapi di Indonesia masih kurang . Hal ini disebabkan sintesis SiC dilakukan
pada suhu tinggi ( ≥ 1000°C) sehingga membutuhkan biaya yang besar. Selain itu
untuk mendapatkan bahan baku silikon (Si) murni relatif sulit, silika (SiO2)
diperoleh setelah melalui proses yang panjang. Dalam penelitian ini silika
diperoleh dari sekam padi melalui pengeringan, pembakaran, pengabuan dan
pemurnian.
Bubuk silika yang diperoleh dari sekam padi direaksikan dengan bubuk
karbon yang berasal dari kayu dengan metode sintering. Reaksi berlangsung pada
suhu tinggi kisaran 1300°C - 1500°C dalam reaktor Spark Plasma Sintering (SPS).
Karena reaksi terjadi dalam kondisi padat pada suhu tinggi sehingga disebut
metode solid state sintering.
Silikon Karbida
Silkon karbida terbentuk melalui ikatan kovalen antara unsur Si dan C.
Unsur C memiliki nomor atom 6 dengan jari-jari atom 0,078 nm. Nomor atom
unsur Si adalah 14 dengan jari-jari atom 0,117 nm (Pierson, 1996).
Konfigurasi elektron atom karbon adalah 1s2 2s2 2p2, dimana dua elektron di
kulit K (1s) dan empat elektron di kulit L (dua elektron di orbital 2s dan dua di
orbital 2p). Notasi 1s2 (atau 2s2, atau 2p2) mewakili bilangan-bilangan kuantum,
penting untuk menjelaskan suatu orbital. Angka 1 mewakili kulit K atau kulit
pertama (bilangan kuantum utama) dan huruf s mewakili subkulit s (bilangan
kuantum momentum sudut) dan angka 2 atas mewakili jumlah elektron dalam
subkulit. Kulit K memiliki hanya satu orbital (orbital s) dan tidak dapat memiliki
lebih dari dua elektron. Selanjutnya, 2s2 dan 2p2, mewakili empat elektron di kulit
L. Elektron-elektron kulit L mengisi dua subkulit yang berbeda yaitu subkulit s
dan p, dimana elektron 2s dan 2p mempunyai tingkat-tingkat energi yang berbeda
(angka 2 mewakili kulit L dan huruf s atau p mewakili orbital). Dua elektron 2s
mempunyai spin berlawanan, sedangkan dua elektron 2p mempunyai spin parallel
(Gambar 1). Ground state adalah suatu keadaan dimana elektron-elektron berada
dalam orbit-orbit minimum mereka, makin dekat dengan inti tingkat energi
elektron paling rendah.
6 Gambar 1 Diagram atom karbon dalam keadaan dasar (ground state)
Orbital-orbital atom karbon dalam keadaan dasar dapat digambarkan
sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Orbital-orbital s dan p
Perhitungan fungsi gelombang menggambarkan orbital s sebagai sebuah lingkaran
dengan tepi tidak jelas atau kabur yang mewakili karakteristik semua orbital.
Karena berbentuk lingkaran, orbital s tanpa arah. Orbital 2p diwakili oleh sebuah
barbell memanjang yang simetri sekitar sumbunya dan sebagai akibatnya
mempunyai arah tertentu.
Elektron-elektron yang berada pada orbital bagian luar hanya satu-satunya
tersedia untuk mengikat pada atom-atom lain. Elektron ini dikatakan elektron
valensi. Dalam kasus atom karbon yang berada pada keadaan dasar, elektronelektron valensi ada dua orbital 2p. Karbon dalam keadaan ini dikatakan divalent,
karena hanya dua elektron ini yang tersedia untuk mengikat. Ikatan kovalen dapat
7 terbentuk karena atom karbon mengalami hibridisasi membentuk konfigurasi sp3
karena terbentuk dari satu orbital s dan tiga orbital p. Keadaan valensi meningkat
dari dua menjadi empat dan dapat menerima empat elektron dari atom lain.
Kebutuhan energi untuk menyempurnakan hibridisasi sp3 dan menaikkan
atom karbon dari keadaan dasar ke keadaan valensi empat V4 adalah 230 kJ mol-1.
Pembentukan ikatan sp3 dilukiskan pada Gambar 3. Arah orbital misalnya sp3
disebut orbital sigma (σ) dan ikatannya disebut ikatan sigma. Arah empat ikatan
menghasilkan simetri tetrahedral yang ditemukan dalam struktur silikon karbida
dimana empat atom karbon terikat pada empat atom silikon. Ikatan kovalen kuat
karena atom karbon kecil dan empat diantara enam elektron membentuk ikatan.
Konfigurasi elektron atom silikon adalah 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 , dimana dua
elektron di kulit K (1s), delapan elektron di kulit L dan empat elektron di kulit M
(dua elektron di orbital 3s dan dua di orbital 3p). Sebagaimana atom karbon, atom
silikon membentuk konfigurasi empat orbital 3sp3 yang juga tersusun dalam
tetrahedron teratur.
Gambar 3 Awan ikatan orbital hybrid sp3 menunjukkan ikatan kovalen
Setiap unsur membagi pasangan elektron dengan unsur lain (empat orbital
3
2sp karbon dan empat orbital 3sp3 silikon). Skema Kristal SiC diperlihatkan pada
Gambar 4.
Atom karbon
Atom silikon
Gambar 4 Struktur β-SiC
8 Gambar 5 Unit sel silikon karbida
Setiap unit sel memiliki delapan atom yang ditempatkan sebagai berikut :
1/8 x 8 (silikon) pada sudut-sudut, ½ x 6 (silikon) pada bagian muka dan 4
(karbon) di bagian dalam unit kubik sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 5.
Tabel 1 Politipe umum SiC
Gambar 6 Urutan lapisan ABCABC
Struktur β-SiC sepanjang bidang (112)
Gambar 7 Urutan lapisan struktur
6H αSiC sepanjang bidang (112)
9 Gambar 8 Struktur α-SiC (2H)
Tabel 2 Data struktur silikon karbida pada temperatur 298°K
Tabel 3 Hubungan struktur antara SiC, Si dan C
Pada kondisi normal, proses kompaksi SiC sulit dilakukan karena ikatan
kovalennya. Partikel nano SiC dapat disinter pada kondisi temperatur dan atmosfir
sintering yang sesuai. Pola difraksi sinar-X sampel dari peneliti terdahulu pada
temperatur 1400°C, puncak-puncak difraksi pada 2θ~35,8°; 42°; 60,5°; 76°
memperlihatkan fase kristal β-SiC struktur kubik secara berturut-turut
10 berhubungan dengan bidang-bidang (111), (200), (220), (311) (Vyshnyakova K,
2006). Struktur kristal lain SiC adalah heksagonal dan rhombohedral. Secara
umum, 3C-SiC dikenal sebagai politipe temperatur rendah. Sebaliknya, 4H-SiC
dan 6H-SiC dikenal sebagai politipe temperatur tinggi (Feng ZC, Zhao JH. 2004).
Foto SEM memperlihatkan pori-pori berbentuk tabung dengan diameter 5-20μm,
macrochannel bervariasi dari bentuk bulat panjang hingga mendekati bentuk
empat persegi panjang. Ketebalan dinding antara 1μm hingga 5μm, menunjukkan
struktur nanokristalin porous dengan ukuran butir 20-200nm (Vyshnyakova K,
2006).
SiC merupakan calon ideal khususnya untuk aplikasi-aplikasi berdayaguna
tinggi, seperti mesin-mesin keramik dan lebih banyak
aplikasi-aplikasi
keteknikan, termasuk aplikasi struktural temperatur tinggi (Bandyopadhyay AK.
2008). SiC digunakan secara intensif dalam piranti elektronik dan optoelektronik,
seperti sel surya, detektor, modulator dan laser semikonduktor secara khusus pada
kondisi frekuensi tinggi, radiasi intensif, atau temperatur tinggi. α-SiC murni
adalah semikonduktor intrinsik dengan energi celah pita (band gap) cukup besar
(1,90±0,1eV) membuatnya sebagai konduktor listrik sangat jelek (~10-13Ω-1.cm-1).
Kehadiran ketakmurnian membuatnya semikonduktor ekstrinsik berharga (0,01313Ω-1.cm-1) dengan koefisien temperatur positif. Kombinasi mekanik dan
stabilitas kimia membuat SiC digunakan dalam kelistrikan unsur-unsur panas. βSiC murni diterima sebagai semikonduktor temperatur tinggi dengan aplikasi
dalam transistor, dioda penyearah, dioda electro-luminescent (Hamadi, et al,
2005)
Terdapat peningkatan permintaan material-material berdayaguna tinggi yang
dapat bertahan terhadap beberapa kondisi seperti abrasi, temperatur tinggi,
tekanan dan atmosphere pada bermacam-macam aplikasi sebagai berikut : mesinmesin panas temperatur tinggi, reaktor-reaktor fusi nuklir, industri pengolahan
kimia, dan industri penerbangan dan angkasa.
SiC memiliki sifat-sifat penting sebagai berikut : unggul tahan oksidasi,
unggul tahan rayapan, kekerasan tinggi, kekuatan mekanik baik, Modulus Young
sangat tinggi, karatan baik dan tahan erosi, dan berat relatif rendah. Materialmaterial mentah SiC relatif murah, dan dapat dibuat dalam bentuk-bentuk
11 kompleks, dimana memungkinkan disiasati melalui proses fabrikasi konvensional
seperti dry pressing, extrusion and injection moulding. Hasil akhir mempunyai
harga kompetitif disamping menawarkan keuntungan-keuntungan teknis yang
unggul berdayaguna lebih dari material-material lainnya (Bandyopadhyay AK.
2008). Optik fonon energi tinggi, sebesar 100–120 meV, konduktivitas thermal
tinggi (4.9 W/K cm) ( Feng ZC, Zhao JH. 2004). Pengukuran film tipis SiC
diperoleh bahwa spektrum transmisi pada interval panjang gelombang 300900nm. Pada awalnya (interval UV), transmisi meningkat dengan cepat dari
53,1% hingga 80% dengan interval 300-400nm. Selanjutnya, pada interval visible
(400-700nm), peningkatan transmisi menjadi lambat dari 80% hingga 92,5% dan
panjang gelombang terputus dalam interval ini. Hasil pengukuran Seeback
memperjelas bahwa film SiC adalah semikonduktor tipe-n. Sifat resistansi dan
konduktivitas film tipis SiC adalah konstan diatas 70°C dicirikan oleh sifat tetap
jika temperatur dinaikkan. Koefisien absorpsi menurun dengan cepat dengan
interval panjang gelombang foton 300-600nm menentukan panjang gelombang
cut-off (λcut-off) sekitar 448nm, nilai energi band-gap (Eg) SiC sekitar 3 eV,
koefisien absopsi (α) sekitar 3,4395 x 10cm-1 dan koefisien pemadaman (kex)
0,154 pada absorpsi minimum (448nm)(Hamadi, et al, 2005).
Singh, et. al, telah membuat nano kristalin partikel-partikel silikon karbida
dari sekam padi dengan cara thermal melalui proses ‘plasma thermal’, Chen
membuat nano kristalin
deposition’ (CVD), Martin
silikon karbida dengan
sukses
cara ‘chemical vapour
membuat nano kristalin
silikon karbida
melalui ‘carbo-thermal reduction’ dari silica sol dan gula. Pembuatan partikelpartikel silikon karbida dengan butiran berukuran nanometer dibuat dari chlorine
berisi
polysilane/polycarbosilanes
(PS/PCS)
juga
telah
dilaporkan
(Bandyopadhyay AK. 2008). Metode lain yang telah digunakan adalah metode
“sol-gel” (Meng, 2000), “microwave”(Satapathy, 2005), dan “self-propagating
high temperature synthesis (SHS)” pada temperatur 1800ºC hingga 4000ºC(Feng
dan Munir, 1994; Gadzira,1998; Morancais, 2003)(Niyomwas S. 2008).
12 (a)
(b)
Gambar 9 Hubungan struktur rombohedral dengan kubik (a) dan heksagonal (b)
Cacat Kristal
Cacat dalam kristal disebabkan oleh kehilangan atom, atom berada bukan
pada tempatnya, atau kehadiran atom asing. Sifat dan konsentrasi cacat kristal
mempengaruhi struktur kristal dan sifat listrik dalam semikonduktor. Cacat kristal
paling sederhana adalah cacat titik. Cacat titik dapat berupa kekosongan,
interstisial, dan ketidakmurnian (Beiser A, 1982).
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 10 Cacat titik dalam sebuah kristal. (a) Interstisial, (b) Kekosongan
(vakansi), (c) Ketakmurnian Interstisial (d) Ketakmurnian substitusional
13 Cacat kristal lain adalah dislokasi yaitu cacat kristal dimana sebaris atom
tidak berada pada kedudukan yang sebenarnya. Terdapat dua bentuk dislokasi
yaitu dislokasi tepi dan dislokasi skrup.
(a)
(b)
Gambar 11 Cacat kristal dislokasi. (a) Dislokasi tepi, (b) Dislokasi skrup.
Dopant utama ketidakmurnian pada SiC adalah Nitrogen, Aluminium,
Boron, Gallium dan Indium. Tipe lain ketidakmurnian pada SiC yaitu Berryllium,
Magnesium, Scandium, Titanium, Tantalum, Kromium, Molibdenum, Mangan,
Seng, Kadmium, Germanium, Fosfor, Oksigen, Argon, Erbium
Gambar 12 Slip akibat gerak dislokasi melalui kristal yang mengalami tegangan.
(a) Konfigurasi-awal kristal. (b) Dislokasi bergerak ke kanan ketika atom pada
lapisan dibawahnya berturut-turut bergeser ikatannya ke lapisan atas satu baris
setiap kali. (c) Kristal telah mengalami deformasi permanen.
14 Milling
Reaksi milling adalah suatu proses dimana reaksi kimia dan milling terjadi
bersama-sama yang ditempatkan dalam lingkungan energi sangat tinggi. Dapat
dikerjakan dalam planetary mills dimana medan gaya dapat dibuat berubah-ubah
dari satu sampai dua order besarnya dibandingkan dengan ukuran sama ball mills.
Reaksi milling menggunakan proses mekanik untuk menyebabkan reaksi kimia.
Proses mekanik kimia dapat digunakan menghasilkan bubuk sangat halus, proses
mineral dan pembuangan, menyuling logam, reaksi-reaksi pembakaran dsb. Ciri
penting pada proses mekanokimia adalah perbaikan mikrostruktur dengan
deformasi unsur atau partikel bersama-sama proses memecah, dan menyambung
yang menyertai terjadinya tumbukan bola atau bubuk. Energi dipancarkan ke
bubuk kristalin selama milling bisa menghasilkan dislokasi struktur sel yang
berkembang menjadi butir-butir nano struktur secara acak dengan menambah
waktu milling.
Planetary milling dapat menyebabkan reaksi-reaksi kimia dalam berbagai
campuran bubuk. Pada faktanya bahwa aktivasi mekanik pada hakekatnya
meningkatkan kinetika reaksi-reaksi kimia kondisi padat (Schwarz et al.,
1989)(Chaira).
Gambar 13 Skema dasar percepatan dalam sebuah planetary mill.
Milling terjadi dalam tabung baja berdiameter dalam 4 cm dan diameter luar 5 cm.
Sedangkan bola-bola alumina yang digunakan berdiameter 4,6 mm dan 5,7 mm
masing-masing sebanyak 16 buah. Milling berlangsung selama 3 jam, 2 jam
15 pertama dengan kecepatan 500 rpm dilanjutkan 600 rpm selama 1 jam untuk
mereduksi ukuran butir arang kayu Lembasung dan silika. Milling campuran
silika dan karbon berukuran ≤ 75μm dengan perbandingan massa 5 : 3 dilakukan
selama 144 jam bertujuan mereduksi ukuran butir sekaligus diharapkan terjadinya
reaksi menghasilkan silikon karbida.
Gambar 14 Milling untuk reduksi ukuran butir partikel abu sekam dan arang.
Milling dengan tingkat energi lebih tinggi disebut HEM dilakukan pada
campuran silika dan karbon dengan perbandingan massa 1 : 3 berlangsung selama
6 jam berkecepatan 1400 rpm. Milling terjadi dalam tabung baja sama tetapi
dengan bola-bola alumina berdiameter 9,8 mm sebanyak 10 buah. Perangkat
HEM dapat dilihat pada Gambar 15.
Gambar 15 Mesin Milling dan kelengkapannya
Sintering
Pemadatan keramik kompak dilakukan dengan berbagai cara, umumnya
dengan cara sintering. Proses sintering mengakibatkan material kompak
16 mempunyai mobilitas cukup untuk membebaskan energi permukaan
bubuk,
sehingga berikatan satu sama lain. Bila terjadi difusi hanya pada kondisi padat,
proses ini disebut solid-state sintering. Bila peningkatan mobilitas dibantu oleh
sedikit material dalam fase cair, maka proses disebut sintering fase cair (liquid
phase). Penggunaan tekanan eksternal selama sintering disebut sintering tekan
atau penekanan-panas (hot pressing).
Sintering dapat mereduksi energi bebas benda. Seringkali reduksi energi
berkaitan dengan penurunan volume, akibat dari ketidakteraturan partikel asal,
dan adanya volume kosong (void) yang dihilangkan (Peng H. 2004).
Gambar 16 Hubungan antara butir-butir partikel pada proses sintering
Solid-state sintering terjadi pada temperatur dibawah titik leleh beberapa
tahap unsur pokok dan melibatkan transport material dengan difusi. Reaksi
sintering memerlukan perlakuan panas pada campuran homogen dua atau lebih
reaktan, memberi struktur padat yang dibentuk melalui hasil reaksi (Peng H.
2004).
Lingkungan sangat berpengaruh pada proses sintering, karena sampel terdiri
dari partikel berukuran kecil dan memiliki daerah permukaan yang luas. Oleh
karena itu, dalam melakukan sintering pada sampel harus dijaga agar tidak
terkontaminasi oleh lingkungan sekitar. Selama proses sintering terjadi perubahan
dimensi baik berupa pemuaian maupun penyusutan, bergantung pada bentuk dan
distribusi ukuran partikel, komposisi bubuk dan proses sintering. Proses sintering
dilakukan dalam spark plasma sintering (SPS) pada kondisi vakum.
17 Gambar 17 Susunan dasar sistem SPS (Peng H, 2004)
Hidrotermal
Hidrotermal adalah proses yang melibatkan air panas atau cairan panas
lainnya yang mudah menguap karena adanya hubungan dengan sebuah sumber
panas. Endapan hidrotermal adalah endapan yang terbentuk karena pengendapan
mineral-mineral dari air panas atau cairan-cairan lainnya secara komparatif
(Rogers, 1966). Reaksi metamorf terjadi karena penambahan komponen cairan
yang mudah menguap seperti air dan karbon dioksida. Metasomatism jenis ini
biasanya dihubungkan dengan aliran air panas. Mineral-mineral yang stabil dalam
lingkungan kimia yang baru mengkristal (Hamblin WK, 2004).
Karakterisasi Silikon Karbida
Karakterisasi material dilakukan sebelum dan sesudah reaksi pembentukan
silikon karbida. Karakterisasi yang dilakukan menggunakan metode, XRD dan
EDS, SEM, UV – Vis Spektrometer serta I - V Meter.
Difraksi sinar-X memberikan informasi tentang satuan asimetris dan kisi
ruang. Satuan asimetris merupakan atom, ion, atau molekul (atau bagian molekul
atau gugusan molekul) yang membentuk sebuah kristal. Kisi ruang yaitu pola
yang dibentuk oleh titik-titik yang merepresentasikan lokasi satuan asimetris. Kisi
ruang merupakan kerangka abstrak bagi struktur kristal. Keseluruhan kristal
dengan pergeseran translasi murni dibentuk oleh satuan dasar yang disebut satuan
sel. Sel satuan digolongkan menjadi satu dari tujuh sistem kristal, berkenaan
dengan unsur simetri rotasi yang dimilikinya. Tujuh sistem kristal yang dikenal
18 yaitu Kubus, Monoklin, Triklin, Ortorhombik, Rhombohedral, Tetragonal,
Heksagonal.
Metode Energy Dispersive Spektroscopy (EDS) digunakan untuk analisis
unsur-unsur kimia penyusun suatu senyawa. Jika energi garis kulit K, L atau M
yang diberikan diukur, maka nomor atom unsur yang menghasilkan garis itu dapat
ditentukan. Sinar-X deretan kulit
K, L dan M meningkat energinya dengan
meningkatnya nomor atom. Jadi unsur dapat direkam secara serempak selama
scan dilakukan.
Scanning Electron Microscopy (SEM) digunakan untuk melihat morfologi
permukaan, ukuran partikel obyek yang diamati, dan keseluruhan perilaku dapat
dipelajari. Ukuran partikel dapat di pakai untuk pengukuran kuantitatif gambar
dalam rekaman fotografis SEM.
UV-Vis spektrometer digunakan untuk mengetahui transisi elektron antara
dua tingkat energi elektron pada molekul, gugus atom yang menyebabkan
terjadinya reflektansi cahaya, dan struktur senyawa dengan pertolongan spektrum
ultraviolet.
I-V meter digunakan untuk mengetahui karakteristik arus tegangan.
Pengukuran sifat listrik dengan menggunakan I-V meter akan memberikan
informasi mengenai nilai arus dan tegangan listrik yang dilewatkan oleh suatu
bahan. Berdasarkan nilai arus dan tegangan dapat diketahui nilai hambatan listrik
bahan sesuai dengan persamaan V = I.R atau R = V/I. Nilai resistivitas bahan
diketahui dengan menggunakan persamaan R = ρ( /A) atau ρ = (R.A)/ . Suatu
bahan tergolong konduktor, isolator atau semikonduktor tergantung pada nilai
resistivitasnya. Nilai resistivitas dari berbagai bahan konduktor, semikonduktor,
dan isolator (Iida M, 1982) dapat dilihat pada Gambar 18.
Ω.cm
1018 1013 SiO2 Intan
108
Bakelit
103
Ce
Si
10‐2 Ge
Gambar 18 Nilai resistivitas berbagai bahan
10‐7
Sn Ag Pb Cu Au