l'ro,\"iding l'ertemuan llmiah Sains Materi 1997 ISSN 1410-2897

EFEK RADIASI SINAR GAMMA DAN PEMANASAN TERBADAP SIFA TDIELEKTRIK KERAMIK STRONTIUM TITANAT1 .!

tJD?PYUNASFI2

ABSTRAKEFEt( RADIASI SINAR GAMMA DAN PEMANASAN TERHADAP SIFAT DlELEKTRIK KERAMIK

STRONTIUM TITANAT: Telah dilakukan penelitian tentang efek iradiasi sinar gamma dan pemanasan terhadap sifat dielektrik

keramik strontium titanat (SrTiO3). Keramik ini diiradiasi dengan sinar gamma (sampai dosis 6,67 x 105 Gy) dari kobal 60 (Iaju dosis6,95 kGy) sebagai sumber radiasi dan kemudian dipanaskan sampai temperatur 800 °c selama 3 jam. Didapatkan basil bahwa irtadiasisinar gamma dapat menurunkan nilai konstanta dielektrik yaitu dari 316 menjadi 269 dan "dielectric loss" dari 68,3 % menjadi 38,9 %.Sedangkan pemanasan kembali terhadap keramik ini dapat meningkatkan nilai konstanta dielektrik menjadi 308 dan "dielekcric loss"menjadi 49,2 %. Dapat disimpulkan bahwa, irradiasi sinar gamma dan kemudian diikuti dengan pemanasan dapat meningkatkan sifat

dielektrik keramik SrTiO3.

ABSTRACTGAMMA IRRADIATION AND ANNEALING EFFECTS ON THE DIELECTRIC CHARACTERS OF

STRONTItTM TIT ANA TE CERAMICS: A study of gamma irradiation and annealing effects on the dielectric characters of strontium

titanate (SrTiO3) has been carried out. A sample of this ceramics was irradiated with '{-ray (dose up to 6.67 X 10' Gy) from Co-60 source

(dose rate of6.95 kGy/h). This sample was then annealed to 800 °c for 3 hours. In this study, it was found that '{-irradiation could reducethe value of dielectric constants from 316 down to 294 and dielectric loss from 68,3 % down to 38,9 %. Meanwhile, reannealing of thisceramics could increase the value of dielectric constants up to 308 and dielectric loss up to 49,2 %. This study concluded that '{-irradiation followed by annealing could improve to dielectric characters of this ceramics.

KE:Y WORD

Gamma-ray Radiation, Dielectric Properties, Dielectric Constanta, Dielectric Loss.

PENDAHULUANbahwa nilai konstanta dielektrik dari suatu keramikmerupakan sl1atu fungsi daTi temperatur.

Untuk meningkatkan nilai konstantadielektrik dari suatu bahan, akan diikuti juga denganpeningkatan nilai "dielectric loss "nya, karenakonstanta dielektrik berbading turns dengan"dielectric loss". Sedangkan dari suatu keramikyang digunakan di bidang elektronik adalah keramikyang memp11Dyai nilai konstanta dielektrik besartetapi nilai "dielectric toss" nya kecil. Untuk itu.dalam penelitian ini dicoba untuk meningkatkansifat dielektrik daTi keramik SffiO3 ini, sertamengembangkan penggunaan radiasi sinar gammadi bidang elektronik. Penelitian ini dilakukan diKanazawa Institute of Technology clan NagoyaUniversity, Japan. Keramik SffiOJ dipilih sebagaisampel dalam penelitian ini adalah karena keramikSrTiO3 banyak digunakan di dalam industrielektronika seperti : sebagai bahan folD kromik,katodokromik, datalll peralatan memori, pro5csoroptik dan lain-lain [4]. Dari penclitian inidiharapkan bahwa basil yang diperoleh dapatmemberikan informasi tentang penggunaan radiasisinar-y di bidang elektronik.

Strontium titanat (SrTiO]) mernpakan suatubahan yang bersifat ferroelektrik daD mempunyaistmktut kristal Petvoskite [1], yang sampai saat inimasih banyak diteliti secara luas. Keramik inimempunyai nilai konstanta dielektrik dan "dielectricloss" yang cUkup besar pada temperatur mango Nilaikonstanta dielektrik keramik ini akan meningkat ternssesuai dengan penumnan temperatur. Menumtpenelitian yang dilakUkan oleh Smolenskii [2] dariRusia, didapatkan bahwa nilai konstanta dielektrik

keramik SrTiOj pada temperatur mang adalah sekitar250, sedangkan nilai puncaknya adalah 2000 yang

terjadi pada temperatur sekitar 20 °c -30 DC.Menurnt hasi.! penelitian yang dilaporkan olehGranicher [3] juga dari Rusia, nilai konstantadielektrik menunjrikkan bahwa hUkum Curie -Weiss

-= C/(T-To) terpenuhi pada temperatur 95 "K,4 0 .1 kdengan C = 8,3 x 10 daD To = 38 K. Dl apor an

juga bahwa pada temperatur rendah, nilai konstantadielektrik daTi keramik ini akan meningkat terns

sampai pada temperatur 20 oK. Ha.1 ini dapat terlihat

Dipresentasikan pada Pertemuan nmiah gains materi 1997Pusat Pengkajian Teknologi Nuklir (pPkTN)-BA TAN JI. Kuningan Barat, Mampang Prapatan, Kotak Pos4390, Jakartll12710

262

/SSN /4/0-2897Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Maten' 1997

PERCOBAAN

Bahan daD Alat

Keramik SrTiO3 yang digunakan dalampenelitian ini adalah pemberian dari Prof. K. Takadayaitu pimpinan laboratorium "electronic devices", diKanazawa Institute of Technology, Japan. Keramikini berbentuk bulat dengan diameter 20 mm daD tebal0,5 mm, yang siap untuk dianalisis. Alat yangdigUIjakan untuk peogukuran koostanta dielektrik daD"dielectric loss" adalah rangkaian "Sawyer Tower".

"dielectric loss" keramik SrTiOJ sebagai fungsifrekuensi, yang masing-masingnya ditunjukkanpada gambar 1 daD gambar 2. Didapatkan bahwakeramik SrTiO3 yang diiradiasi dengan sinar-ysampai dosis 6,67 x 105 Gy dapat menirnbulkanpenurunan nilai konstanta dielektrik dan "dielectricloss". Gambar 1 menunjukkan hubungan antara nilaikonstanta dielektrik dari keramik SrTiO3 denganvariasi frekuensi pengukuran pada temperatur ruang(30 °C), sedangkan gambar 2 menunjukkanhubungan antara nilai "dielectric loss" darikeramik ini dengan variasi frekuensi pengukuranpada temperatur ruang (30 °C). Pada gambar terlihatbahawa tanda prisma (.) menunjukkan nilaikonstanta dielektrik dan "dielectric loss" sebelumdiiradiasi, segi empat (.) menunjukkan nilaikonstanta dielektrik dan "dielectric loss" sesudahdiiradiasi, sedangkan segi tiga (A)menunjukkannilai konstanta dielektrik dan dielectric loss"sesudah dipanaskan.

Pada gambar 1 ter1ihat bahwa nilaikonstanta die1ektrik dari keramik SrTiO3 pada 100Hz sebelum diiradiasi adalah 316 dan sesudahdiiradiasi menjadi 269. lni berarti bahwa iradiasisinar-y dapat menunmkan nilai konstantadielektriknya sekitar 15 %. Pemanasan terhadapkeramik yang sudah diiradiasi ini dapatmeningkatkan kemba1i nilai konstanta dielektriknya(tetapi nilainya masih kecil dibanding dengan nilaisebelum "diiradiasi) yaitu menjadi 294. lni berartibahwa pemanasan dapat meningkatkan ni1aikonstanta dielektriknya menjadi 93 % daTi nilaisebelum diiradiasi. Pada gambar 2 terlihat bahwanilai "dielectric loss" daTi keramik SrTiOJ pada 100Hz sebelum diiradiasi adalah 68,3 % daD sesudahdiiradiasi menjadi 38,9%. Ini berarti bahwa iradiasisinar-y dapat menunmkan nilai "dielectric loss"nyasekitar 40 %. Sedangkan pemanaS<tfi terhadapkeramik yang sudah diiradiasi ini dapatmeningkatkan kembali nilai "dielectric losS" nya(tetapi nilainya masih kecil dibanding dengan nilaisebelum diiradiasi) yaitu menjadi 49,2 %. lni berartibahwa pemanasan dapat meningkatkan nilai"dielectric loss" nya menjadi 72 % dari nitaisebelum diiradiasi. Sampai saat ini, alasatl yangtepat untuk menjelaskan penurunan kedua nilai inibelum diketahui. Penurunan kedua nilai ini didugakarena adanya elektron yang dihasilkan oleh radiasisinar-y terperangkap didalam struktur kristalnya(diduga terperangkap di dalam atom oksigen) [4).Hal ini menyebabkan daya tarik antara ion titaniumdengan ion oksigen berkurang sehingga mengurangipc!:lrisasi bahan [5J. Akibat dari penguranganpolarisasi ini maka nilai konstanta die1ektrikberkurang daD juga dikuti dengan penurunan nilai

Tata KerjaPengukuran sampel sebelum diiradiasi

Nilai konstanta dielektrik dan "dielecricloss" daTi sampel ini diukur pacta variasi temperaturdaD variasi frekuensi. Untuk mengamati sifatdielektrik sebagai fungsi dari temperatur makadilakukan pacta temperatur antara 30 °c sampai 360DC, sedangkan sifat dielektrik sebagai fungsi dari

frekuensi diamati pacta frekuensi antara 102 sampai

107 Hz, yang dilakukan di Kanazawa Institute of

Technology, JapanIradiasi sinar-y

Sampel yang sudah diukur kedua nilaidielektriknya ini, dirnasukkan kedalam tabung kwarsa

daD divakum sampai tekanan 10-5 Torr. Kemudian

diiradiasi sampai dosis 6,67 x 105 Gy daTi kobal 60(laju dosis 6,95 kGy) sebagai sumber radiasi ~datemperatur ruang, yang dilakukan di NagoyaUniversity, Japan. Setelah diiradiasi, kemudiandilakukan kembali pengukuran kedua nilai dielektrikdaTi sampel ini untuk mengamati efek radiasinya pacta

variasi temperatur ( 30 °c -360 °C) dan frekuensi2 7

(10 Hz -10 Hz).Pemanasan

Sampel yang sudah diiradiasi, disimpan pactatemperatur ruang selama sebulan kemudian dilakukankembali pengukuran kedua nilai konstanta dielektrikdaD nilai "dielectric loss"nya. Pengukuran inidilakukan untuk mengamati apakah acta pengaruhpenyimpanan terhadap kedua nilai dielektrik ini,kemudian dipanaskan sampai temperatur 800 ° C

selama 3 jam. Setelah sampel didinginkan, diukurkembali kedua nilai dielektriknya ~da variasitemperatur dan frekuensi, untuk mengamati efekpcmanasan terhadap sampel yang sudah diiradiasi ini.

nASa., DAN PEMBAHASAN

Efek radiasi sinar -y terhadap konstanta dielektrikdaD "dielectric loss" sebagai fungsi frekuensi pada

temperatur mangHasil penelitian dari efek radiasi sinar-y dan

pemanasan terhadap konstanta dielektrik clan

263

350

300

250

200

150

c~ 100

50

01000000 10000000100 1000 10000 100000

Frekuensi (Hz)

Hubungan antara konstanta dielek1rik dengan frekuensipengukuran.

Gambar

0,7

0,6

0,5

M..2 0,4u

I 0,3.D

0,2

0,1

0

100 1000 10000000

Gambar2.

10000 100000 1000000

Fr.ku.ns' (Hz)

Hubungan antara "dielsctric loss" dengan frekuensipeIlgukuran.

dielektrik dari suatu bahan terdapat empatkonstribusi polarisasi yaitu : polarisasi elektronik,ionik dipolar dan muatan ruang (space-chargepolarization) yang aktif pada temperatur rendah [6].Polarisasi muatan ruang sangat tergantung padakemurnian daD kesempurnaan kristal, penganlhnyadapat diabaikan pada temperatur yang sangat rendahdaD memberikan pengaruh yang besar pada daerahfrekuensi rendah. Polarisasi dipolar akanbe~ngaruh pada bahan .sa~p.ai .daerah frekuen.si101 Hz. Sedangkan polarlsaSl 10nik dan elektronikselalu memberikan pengaruh pada daerah frekuensidibawah 1013 Hz. Pada gambar terlihat bahwasemakin tinggi frekuensi maka nilai konstantadielektrik dan "dielectric loss" semakin kecil danbahkan mendekati nilai yang hampir konstan. Ini

"dielectric loss". Pemanasan kembali sampel yangsudah diiradiasi ini dapat melepaskan kembalielektron yang terperangkap di dalam atom oksigen[6). Hal ini menimbulkan daya tarik antara iontitanium dengan ion oksigen meningkat kembalisehingga meningkatkan polarisasi bahan dan nilaikonstanta dielektrik serta nilai "dielectric loss" jugameningkat.

Pacta gmnbar 1 dan gambar 2 juga terlihat bahwasemakin besar Crekuensi pengukuran maka nilaikonstanta dielektrik dan "dielectric loss" semakinkecil, dan bahkan mencapai nilai yang hampirkonstan pacta frekuensi yang lebih tinggi. lni dapatterlihat bahwa Crekuensi dapat pengaruhi polarisasibahan, sehingga juga mempengaruhi nilai konstantadielektrik dan "dielectric loss"nya. Konstanta

264

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN /4/0-2897

berarti bahwa pada frekuensi yang tinggi makakonstribusi polarisasi terhadap konstanta dielektriksemakin berkurnng, sehingga menurunkan nilaikonstanta dielektrik dan diikuti juga denganpenurunan nilai "dielectric loss". Sedangkanpenurunan kedua nilai ini oleh irradiasi sinar-y padatemperatur mang disebabkan karena adanyakerusakan kisi kristal yang berasal daTi polarisasimuatan mang.

pemanasan, kali (x) menunjukkan nilai konstantadielektrik clan "dielectric loss" pada 1000 Hzsebelum diiradiasi, bintang (.) menunjukkan nilaikonstanta dielektrik clan "dielectric loss" pada 1000Hz sesudab diiradiasi clan lingkaran (e)menunjukkan nilai konstanta dielektrik clan"dielectric loss" pada 1000 Hz sesudah pemanasan.

Pada gambar 3 clan gambar 4 telihat bahwanilai konstanta dielektrik clan "dielectric loss" untuksemua perlakuan (baik sebelum diiradiasi, sesudahdiiradiasi, maupun sesudah pemanasan) semakinkecil dengan semakin besamya temperaturpengukuran. Penurunan ini juga terlihat untuksemua variasi frekuensi pengukuran. lnimenunjukkan bahwa konstanta dielektrik (dan juga"dielectric loss") merupakan fungsi dari temperatur.

Efek radiasi sinar-y terhadap konstantadielektrik daD "dielectric loss" sebagai fungsitemperatur pada frekuensi 100 Hz daD 1000 Hz.

Pada gambar 3 dan gambar 4 terlihat bahwanilai konstanta dielektrik daD "dielectric loss"semakin keci.l dengan meningkatnya temperatur

350

300

250,J.\~ .~

~~~GI"Gi

200

'CIGc:~ 150'"c:0

~-"-Konstanta Dlelektrik 100 Hz

Sebelum Dliradiasi-8-Konstanta Dlelektrlk 100 Hz

Sesudah Dllradlasi-6-- Konstanta Dlelektrik 100 Hz

Sesudah Pemanasan-*- Konstanta Dlelektrik 1000 Iiz

Sebelum Dllradlasl-*-Konstant. Dlelektrik 1000 Hz

Sesudah Dllradiasi---KO nst ant a Dlelektrlk 1000 Hz

Sesudah Pemanasan

100

50

0

~ 00)

0 0 0In ~ ,...~ N N

Tern peratur

~M

Gambar.3 Hubungan antara konstanta dielektrikdengan tempemtur pengukuran

Gambar 4 Hubungan antara "dielectric loss"dengan temperatur pengukuran

pengukuran. Pada kedua gambar terlihat bahwa tandaprisma (.) menunjukkan nilai konstmta dielektrikdan "dielectric loss" pacta 100 Hz sebelum diiradiasi,segi empat (8) menunjukkan nilai konstmtadielektrik dan "dielectric loss"pada 100 Hz sesudahdiimdiasi, segi tiga (~) menunjukkan nilai konstmtadielektrik dan "dielectric loss" pacta 100 Hz sesudah

Pada garnbar 3 terlihat bahwa nilai konstantadielektrik dari temperatur ruang (30 °C) muJaimenunjukkan penurunan sarnpai temperatur 210°C,dan diatas 210°C mulai meningkat kembali. Padagam}:\-;Jr 4 terlihat bahwa nilai "dielectric loss" daTitemperatur ruang (30 °C) muJai menunjukkanpenurunan sarnpai temperatur 180 °c, dan diatas

265

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 /SSN /410-2897

180 °c muJai meningkat kembali. Pengurangan keduanilai ( konstanta dielektrik dan "dielectric loss") initerhadap peningkatan temperatur disebabkan karenakonstanta dielektrik (dan juga "dielectric loss" )merupakan fungsi temperatur dan berbanding terbalikdengan temperatur (d_/dT). Pada temperatur yangcukup tinggi, konstribusi polarisasi semakinberkurang. Pada temperatur tinggi, konstribusipolarisasi yang aktif hanya polarisasi muatan ruang[6], sehingga konstibusi polarisasi terhadap konstantadielektrik berkurang, maka mengurangi nilaikonstanta dielektrik (dan juga "dielectric loss").Begitu juga dengan adanya elektron yang dihasilkanoleh irradiasi sinar-y meningkatkan konsentrasikerusakan di dalam struktur kristalnya (yangdisebabkan kerena adanya elektron yangterperangkap) sehingga mengurangi polarisasi didalam bahan ini maka nilai konstanta dielektrik (danjuga "dielectric loss") berkurang. Pemanasan kembaliterhadap keramik yang sudah diiradiasi dapatmemperbaiki kerusakan yang ada dalam strukturkristal (elektron yang terperangkap lepas kembaIi),sehingga meningkatkan polarisasi di dalam bahan inimaka dapat mengakibatkan nilai konstanta dielektrik(dan juga "dielectric loss") menjadi meningkatkembali (tapi masih lebih kecil daTi pada nilaisebelum diiradiasi).

Prof. Dr. Kyoji Shinsaka yang telahmembimbing kami selama mengikuti program S-2(Master) di Materials Design EngineeringDepartment, Kanazawa Institute of Technology,Japan.

Prof. Dr. Kenichi Takada pimpinanlaboratorium "Electronic Devices" di MaterialsDesign Engineering Department, KanazawaInstitute of Technology, Japan yang telah memberikeramik SrTiO3 (sebagai sampel) daIam penelitiankami.

Prof. Dr. Tetsuo Miyazaki dari AppliedChemistry Department, Faculty of Engineering,Nagoya University, Japan, yang telah membantukami daIam penggunaan fasilitas radiasi.

DAFTAR PUSTAKA

[1] JONA F., SlllRANE G., "FerroelectricCrystals", Pergamon Press, New York(1962), pp. 250-252.

[2] SMOLENSKII, G. A., Izvest. Akad. Nauk& SSR, Ser. Fiz., 21, (1957), 233.

[3] GRAMCHER H., Helv. Phys. Acta 29,(1956).211.

[4] CHOUDHARY B. K., RAO K. V.,CHOUDHARY R. N. P., Mater. Let., 8,(1989)31.

[5] YACOBY Y., NAVE H. 0., Phys. Rev.,B7" (1973), 399.

[6] ROEL B. K., RAO K. V., CHOUDHARYR. N. P., Ferroelectrics letters, 6 ,(1987),137.

KESIMPULAN

Dari basil penelitian yang dilakukan dapatdisimputkan babwa :

Irradiasi sinar-y dapat menunmkan nitaikonstanta dietektrik kim-kira 15 % dan "dielectrictoss" kim-kim 40 % dari kemmik SrTiO3.

Setelah dipanaskan kembali keramik yangtetah diiradiasi ini, maka dapat meningkatkan kembalinilai konstanta dielektrik yaitu menjadi 93 % dan nilai"dielectric loss" yaitu menjadi 72 % dari nilaisebelum diiradiasi.

Imdiasi sinar-y yang dilanjutkan denganpemanasan terhadap sampel dapat meningkatkan sifatdielektrik dari keramik ini, dimana nilai konstantadielektrik turun sekitar 7 % dan nilai "dielectric loss"turun sekitar 28 % dari nilai sebelum diimdiasi

.Semakin tinggi frekuensi dan tempemturpengukuran, maka nilai konstanta dielektrik dan"dielectric loss" semakin kecil. lni dapat terlihatbahwa kedua nilai adalah fungsi dari frekuensi dantempemtur.

UCAPAN TERIMAKASm

Pada kesempatan ini kalni menyampaikanterirnakasih banyak kepada :

266