digital 20236321 t21430 pengaruh temperatur

8/18/2019 Digital 20236321 T21430 Pengaruh Temperatur

1/86


2/86

i

PENGARUH TEMPERATUR DAN WAKTU

SINTERING DAN ANNEALING TERHADAP SPEKTROSKOPI IMPEDANSI Ba0,5Sr0,5TiO3

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat memperoleh

gelar Magister Fisika

Dwi Nugraheni Rositawati

0606001235

UNIVERSITAS INDONESIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMPROGRAM PASCA SARJANA

PROGRAM STUDI FISIKA MURNI DAN TERAPAN

JAKARTA

JULI 2008

Pengaruh temperatur..., Dwi Nugraheni Rositawati, FMIPA UI, 2008


3/86

ii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Thesis ini adalah hasil karya saya sendiri,

dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk

telah saya nyatakan dengan benar.

Nama : Dwi Nugraheni Rositawati

NPM : 0606001235

Tanda Tangan :

Tanggal : 1 Juli 2008



4/86

iii

LEMBAR PENGESAHAN

Tesis ini diajukan oleh


Program Studi : Fisika Murni dan Terapan

Judul Tesis : Pengaruh Temperatur dan Waktu Sintering dan Annealing

terhadap Spektroskopi Impedansi Ba0,5Sr0,5TiO3

Telah berhasil dipertahankan di depan Dewan Penguji dan diterima sebagai

bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Magister Fisika pada

Program Studi Fisika Murni dan Terapan, Fakultas Matematika dan Ilmu

Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia.

DEWAN PENGUJI

Pembimbing : Dr. Techn. Djoko Triyono ( )

Penguji I : Dr. Muhammad Hikam ( )

Penguji II : Dr. Bambang Soegijono ( )

Penguji III : Dr. Sastra Kusuma Wijaya ( )

Ditetapkan di : Depok

Tanggal : 1 Juli 2008



5/86

iv

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan atas berkat dan karuniaNya

sehingga penulis dapat menyelesaikan thesis ini. Penyusunan thesis ini dilakukan

dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister

Fisika Program Studi Fisika Murni dan Terapan Program Pasca Sarjana Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia. Penulis

menyadari bahwa hanya dengan bantuan, bimbingan dan support dari semua

pihak, penyusunan thesis ini telah dapat terselesaikan tepat waktu. Untuk itu

penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Dr. Techn. Djoko Triyono sebagai dosen pembimbing yang telah

menyediakan waktu, tenaga dan support di dalam membimbing penulis

dalam penyusunan thesis ini.

2. Bapak Dr. Bambang Soegijono, Dr. Muhammad Hikam dan Dr. Sastra

Kusuma Wijaya sebagai dosen penguji yang telah meluangkan waktunya

untuk penulis dalam persiapan dan sidang thesis.

3. Bapak Dr. Dedi Suyanto sebagai ketua sidang thesis.

4.

Mas Sony dan Christian yang telah memberikan support yang tak ternilai

harganya sehingga penyusunan thesis ini dapat selesai tepat waktu.

5.

Orang tua dan saudara-saudara yang selalu memberikan doa supaya

penelitian dan penyusunan thesis ini dapat berjalan dengan lancar.

6.

Bapak Dr. Bambang Soegijono yang telah bersedia membantu penulis

dalam foto SEM dan XRD dan atas semangat hidup dan support nya.



6/86

v

7. Teman-teman seperjuangan selama kuliah di Magister Fisika dan teman-

teman sekerja di laboratorium.

8. Mbak Yofen, Pak Priyono dan Pak Erfan yang telah bersedia memberikan

ilmu dan support nya walaupun disela-sela kesibukan penelitiannya pada

program doktor Ilmu Material masih bersedia meluangkan waktunya untuk

kelancaran penelitian dan penyusunan thesis ini.

9. Doris yang memberikan ilmu BaTiO3nya untuk acuan pengerjaan

penelitian ini.

10. Pak Parno yang telah membantu penulis menggunakan peralatan

laboratorium.

11. Pak Parman yang membantu penulis menyelesaikan administrasi sebelum

sidang.

12.

Mbak Ratna yang ramah membantu penulis dalam persiapan ruang dan

peralatan untuk sidang thesis.

Akhir kata, penulis berharap Tuhan berkenan membalas segala kebaikan

saudara – saudara semua. Dengan segala kerendahan hati penulis mengharapkan

kritik dan saran dari semua pihak mengenai thesis ini. Dan semoga thesis ini

bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Jakarta, Juli 2008

Dwi Nugraheni R

Penulis



7/86

Universitas Indonesiavi

ABSTRAK


Program Studi : Fisika Murni dan TerapanJudul Tesis : Pengaruh Temperatur dan Waktu Sintering dan Annealing

terhadap Spektroskopi Impedansi Ba0,5Sr0,5TiO3

Telah dilakukan pembuatan keramik Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan metode“ Mechanosynthesis powder ”. Bubuk BaCO3, SrCO3 dan TiO2 digunakan sebagaimaterial dasar. Bubuk dicampur dan dimilling selama 4 jam kemudian dikalsinasipada 1100˚C selama 4 jam menghasilkan fase tunggal Ba0,5Sr0,5TiO3 yangdiketahui dari XRD. Bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3 dipress menjadi pellet dengan tekanan4 ton/cm

2 kemudian disinterring pada 1200˚C dan 1300˚C selama 1-3 jam. Salah

satu sampel yang disintering pada 1200˚C 2 jam diannealing pada 900˚C selama

1, 2 dan 4 jam. SEM digunakan untuk mengetahui ukuran, bentuk dan distribusibutir serta software ZsimpWin digunakan untuk mengetahui rangkaian listrikekivalen, nilai resistansi R dan kapasitansi C. Waktu sintering yang semakin lamaakan menghasilkan butir yang cenderung semakin besar serta menurunkan nilai Rdan C butir dan batas butir. Waktu annealing yang semakin lama akanmenghasilkan butir yang cenderung semakin kecil dan homogen serta menaikkannilai resistansi R dan kapasitansi C butir dan batas butir.

Kata Kunci:Ba0,5Sr0,5TiO3, sintering, annealing, butir, batas butir



8/86

Universitas Indonesiavii

ABSTRACT

Name : Dwi Nugraheni Rositawati

Study Program : Pure and Applied PhysicsTitle : Effect of Temperature and Time of Sintering and Annealing on

Impedance Spectroscopy Ba0,5Sr0,5TiO3

Preparation of Ba0,5Sr0,5TiO3 ceramic has been done by Mechanosynthesispowder method. BaCO3, SrCO3 dan TiO2 powder was used as raw materials. Thepowder was mixed and milled for 4 hours then calcined at 1100˚C for 4 hoursresulting single fase Ba0,5Sr0,5TiO3 confirmed by XRD. Ba0,5Sr0,5TiO3 powder waspressed to form pellet at 4 ton/cm

2 then sintered at 1200˚C and 1300˚C for 1-3

hours. One of the 1200˚C 2 hours sintered sample was annealed at 900˚C for 1, 2and 4 hours. SEM was employed to observe the size, morphology and distribution

of grain and ZsimWin software was employed to know the equivalent circuit,value of resistance R and capacitance C. It is seems that with longer sinteringtime, the grain size increases and the values of R and C for both grain and grainboundary contribution decrease. However after annealing their values increasedue to decreasing in grain size

Key Words:Ba0,5Sr0,5TiO3, Sintering, annealing, grains, grain boundaries



9/86

viii Universitas Indonesia

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL………………………………………………… i

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ...................................... ii

LEMBAR PERSETUJUAN …………………………………………… iiiKATA PENGANTAR …………………………………………………… ivABSTRAK ……………………………………………………………… vi

DAFTAR ISI …………………………………………………………… viii

BAB I. PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang ……………………………………………… 11.2.

Tujuan ……………………………………………………….. 3

BAB II. DASAR TEORI

2.1.Barium Titanat (BaTiO3) dan turunannya …………………. 4

2.2.Positive Temperature Coefficient (PTC) ……………………. 72.3.Sintering ……………………………………………………… 9

2.4. Annealing …………………………………………………….. 112.5.Difraksi Sinar X ……………………………………………… 14

2.6.Penentuan Parameter Kisi ……………………………………… 16

2.7.Spektroskopi Impedansi ……………………………………... 18

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Diagram alur penelitian …………………………………….. 21

3.2. Bahan dan alat ………………………………………… 223.3. Preparasi Ba0,5Sr0,5TiO3 ………………………………. 22

3.4. Proses ETSA ………………………………………………… 25

3.5. Karakterisasi ………………………………….. 26

3.5.1.

XRD (Difraksi Sinar X) ……………………………. 263.5.2.

SEM ……………………………………...................... 27

3.5.3. RCL meter …………………………………………... 28

3.5.4. Analisis Rangkaian Listrik Ekivalen ………………... 28

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Proses kalsinasi dan sintering (sebelum proses annealing) ….. 30

4.2. Setelah Proses Annealing ……………………………………. 494.3 Nilai R dan C ………………………………... ……………… 56

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ………………………………… 67

DAFTAR ACUAN

LAMPIRAN



10/86

1 Universitas Indonesia

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang

Dewasa ini perkembangan ilmu pengetahuan semakin banyak dan

beragam. Perkembangan tersebut tentunya tidak terlepas dari perkembangan

penemuan-penemuan sifat-sifat menarik dari suatu material sebagai bahan dasar.

Barium Strontium Titanate dengan rumus kimia BaSrTiO3 atau yang lebih dikenal

dengan istilah BST adalah salah satu jenis material keramik yang menarik untuk

diteliti. BST merupakan material ferroelektrik yang termasuk ke dalam jenis

perovskite yang dibentuk dari Barium Titanate (BaTiO3) yang didoping dengan

Strontium (Sr).

Material Barium Titanate (BaTiO3) pada mulanya ditemukan pada tahun

1940an dan dikembangkan sebagai kapasitor. Penelitian terus berlanjut seturut

dengan perkembangan penelitian material Barium Titanate (BaTiO3) yaitu dengan

diketemukannya berbagai sifat menariknya diantaranya adalah bahan ini sangat

praktis karena sifat kimia dan mekaniknya sangat stabil, mempunyai sifat

ferroelektrik pada temperatur ruang sampai dengan 120˚C [1]

. Aplikasi material

Barium Titanate (BaTiO3) meliputi bidang termal, listrik, elektro mekanik, dan

elektro optis yaitu sebagai multilayer capacitor (MLCs), PTC thermistor,

transduser piezoelektrik, peralatan elektro optis, dielectric bolometers for infrared



11/86

Universitas Indonesia

2

detection, dynamic random access memories (DRAM) dan tunable capacitor

untuk teknologi microwave [1]

.

Penelitian ini ditujukan untuk aplikasi BST yang dalam hal ini adalah

Ba0,5Sr0,5TiO3 sebagai PTC thermistor. Hal menarik dari sifat sebagai PTC adalah

suatu efek dimana resistansi suatu material akan naik secara signifikan apabila

material tersebut mengalami kenaikan temperatur. Pengaruh kenaikan temperatur

terhadap material adalah dapat mengubah ukuran butirnya yang akan

menyebabkan bergesernya titik curie – titik transisi dari ferroelektrik menuju

paraelektrik pada material Ba0,5Sr0,5TiO3 dan transisi fasa. Hal ini menunjukkan

bahwa perubahan sifat-sifat listrik dan mekanisme transport pada temperatur

ruang dan temperatur rendah dikontrol oleh butir dan batas butir. Penambahan Sr

pada BaTiO3 akan menurunkan temperatur Curie menjadi temperatur kamar[2]

.

Sehingga penting untuk diteliti sifat – sifat konduksi listrik dari material

Ba0,5Sr0,5TiO3 pada temperatur ruang. Metode yang digunakan pada penelitian ini

adalah Spektroskopi Impedansi (SI). Metode SI adalah suatu metode analisis

impedansi listrik sebagai bilangan kompleks yang dapat digunakan untuk

membedakan resistivitas listrik yang diakibatkan karena kontribusi butir dan atau

batas butir pada suatu material.

Karena perubahan sifat-sifat listrik dan mekanisme transport pada

temperatur ruang dikontrol oleh butir dan batas butir maka pada penelitian ini

juga akan dipelajari bagaimana pengaruh temperatur dan waktusintering

serta

annealing yang berakibat pada perubahan ukuran butir terhadap spektroskopi

impedansi pada material Ba0,5Sr0,5TiO3. Dengan menggunakan analisis kompleks

metode spektroskopi impedansi, penelitian ini diharapkan dapat memberikan



12/86


3

pemahaman mekanisme transport dan juga rangkaian listrik ekivalen yang lebih

komprehensif dari material Ba0,5Sr0,5TiO3 sehingga dapat dijelaskan bagaimana

mekanisme kontrol oleh butir dan batas butir terhadap sifat konduksi listriknya.

1.2. Tujuan

Penelitian ini bertujuan untuk :

1. Pembuatan/ preparasi material Ba0,5Sr0,5TiO3.

2. Menentukan temperatur dan waktu sintering yang optimum.

3. Mempelajari korelasi antara butir dan batas butir yang diperoleh dari proses

sintering dan annealing terhadap nilai R dan C material Ba0,5Sr0,5TiO3.



13/86


BAB II

DASAR TEORI

2.1. Barium Titanat (BaTiO3) dan turunannya

Barium titanat (BaTiO3) adalah suatu material yang bersifat ferroelektrik

dan mempunyai struktur kristal perovskite dengan rumus umum

(A1…An)(B1…Bn)O3 dimana A = kation valensi 1 s/d 2 dan B = kation valensi 3

s/d 7 (A dan B adalah kation dengan ukuran yang berbeda)[3]

. Struktur tersebut

dianggap sebagai struktur turunan FCC yang mempunyai kation A dan oksigen

bersama-sama membentuk kisi FCC sementara kation B lebih kecil menyisip

oktahendral di tengah dalam kisi FCC. Unit selnya diperlihatkan seperti gambar

2.1.

i

Gambar 2.1. Struktur perovskite BaTiO3[4]



14/86


5

Material barium titanat dapat didoping untuk memperoleh sifat-sifat

seperti sifat listrik, mekanik, optis dan lain-lain. Doping untuk barium titanat

dapat ditentukan dengan mengacu rumus umum struktur perovskite (lihat di atas)

yaitu unsur dari golongan 1 s/d 2 untuk kation A atau 3 s/d 7 untuk kation B.

Walaupun begitu, beberapa jenis doping lebih sering digunakan yaitu seperti Pb,

La, Sc, Y, Sb, Nb, Ta dan Sn. Pb merupakan salah satu contoh doping yang dapat

memperbaiki sifat mekanik material tersebut. Ba0,5Sr0,5TiO3 merupakan material

turunan BaTiO3 yang diperoleh dengan mendoping barium titanat dengan Sr

dengan perbandingan komposisi x pada Ba1-xSrxTiO3 adalah 0,5. Dengan melihat

rumus umum struktur perovskite seperti di atas maka dapat dikatakan bahwa Sr

juga merupakan kation. Doping Sr berguna untuk meningkatkan sifat kelistrikan

material tersebut. Setelah didoping, BST mempunyai struktur perovskite kubik

sederhana dengan parameter kisi a = 0,395 nm[5]

.

Gambar 2. 2. Struktur Ba1-xSrxTiO3[6]



15/86


6

Dimensi kristalografi kisi Barium-Titanate berubah ketika temperatur

berubah. Skema perubahan pada kisi ini ditunjukkan oleh Gambar 2.3 . Hal ini

disebabkan oleh adanya pergeseran pada oktahedra TiO6. Adanya penyimpangan

oktahedra yang terkopel bersama, menghasilkan polarisasi spontan yang sangat

besar, sehingga memberikan konstanta dielektrik yang besar [1]

.

Gambar 2. 3. Parameter kisi dari BaTiO3 sebagai fungsi temperatur[1]

Didalam Gambar 2.3 dapat dilihat bahwa diatas temperatur 120oC, yakni

pada titik Curie Tc, keramik Barium-Titanate adalah berstruktur kubik isotropik.

Atom-atom Ti semuanya berada dalam posisi setimbang ditengah-tengah pusat

oktahedranya. Pergeseran atom Ti yang disebabkan oleh medan listrik luar

sehingga dapat mengubah struktur yang pada akhirnya menghasilkan dipol-dipol

listrik. Sebagai contohnya, ketika temperatur dibawah temperatur Curie, struktur

oktahedra berubah dari simetri kubik menuju simetri tetragonal dan posisi ion

titanium menjadi tidak lagi di posisi tengah-tengah terkait dengan dipol listrik

permanen. Selama temperatur berubah, dimensi kristalografi berubah pula yang



16/86


7

menyebabkan terjadinya pergeseran oktahedra sehingga menghasilkan oktahedra

menjadi berpasang-pasangan secara bersama. Hal ini memberikan polarisasi

spontan yang sangat besar sehingga membuat konstanta dielektrik menjadi besar

pula. Kesensitifan fluktuasi kristalografi terhadap temperatur ini diperlihatkan di

dalam Gambar 2.4.

Gambar 2. 4. Kristalografi BaTiO3 akibat perubahan temperatur[1]

2.2. Positive Temperature Coefficient (PTC) termistor

Material Positive Temperature Coefficient (PTC) diperoleh dari

pendopingan keramik BaTiO3 yang dapat digunakan pada berbagai jenis

rangkaian elektronik seperti saklar atau pemanas temperatur konstan dan

pengukur/ pendeteksi/ pengontrol dari temperatur atau parameter-parameter yang

terkait dengan temperatur. Material PTC dikenal mempunyai coefisient resistansi

pada temperatur yang tinggi yaitu di sekitar temperatur Curie dan mempunyai

kemampuan self-limiting sehingga material ini juga sangat berguna untuk apikasi

sensor.

Pendopingan ini berakibat pada munculnya suatu resistor yang bersifat

non-linear dan dikenal sebagai Positive Temperature Coefficients Resistors

(PTCR). Fenomena ini melibatkan kenaikan resistivitas pada temperatur transisi



17/86


8

Curie di 120oC. Gambaran skema dari fenomena PTCR ini ditunjukkan oleh

Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Resistivitas vs temperatur[1]

Positive Temperatur Coefficient of Resistance (PTCR) dapat

diklasifikasikan sebagai resistor temperatur kritis karena koefisien positif yang

terkait dengan titik Curie ferroelektrik. Material-material PTCR dapat dibagi

kedalam empat golongan yaitu komposit polimer, komposit keramik, senyawa

V2O3 dan senyawa berbasis BaTiO3 (BaSrTiO3, BaPbTiO3...). Setelah didoping

dengan donor-donor trivalen (contohnya: La, Sc, Y) yang menggantikan Ba+2

atau

dengan donor-donor pentavalen (contohnya: Sb, Nb, Ta) yang menggantikan Ti+4

,

maka BaTiO3 menjadi dapat menunjukkan efek PTCR seperti yang ditunjukkan

oleh Gambar 2.5. Disamping memperlihatkan efek PTCR, pendopingan BaTiO3

dengan senyawa SrTiO3 dapat membentuk suatu sistem larutan padat yang biasa

dikenal sebagai BST yakni (Ba,Sr)TiO3.



18/86


9

Aplikasi PTCR dapat diklasifikasikan dalam tiga kelompok seperti pada

Tabel 2.1 yaitu:

Tabel 2. 1. Klasifikasi Aplikasi PTCR [1]

Kelompok Aplikasi PTCR Nama alat

Menggunakan pengurangan arus

Sekering

Menggunakan kecepatan pengurangan arus

TV berwarna dan layar komputer

Pembatas arus

Starter motor

Menggunakan karakteristik V-I

Alat pengusir nyamuk

Hair drier

Heater

Heater pada kereta api dan mobil

Sensor panas Menggunakan karakteristik R-T

2.3. Sintering

Kebanyakan bahan keramik bukan kaca terbuat dari partikel halus yang

disintering / dibakar menjadi produk. Pengrajin menerapkan suatu prosedur yang

telah dikenal sejak dahulu yaitu membentuk lempung halus yang basah dan

bersifat hidroplastik kemudian dibakar. Hal inilah yang kemudian juga digunakan

dapat diterapkan dalam sintering suatu bahan keramik untuk aplikasi seperti

dalam penelitian ini. Sintering memerlukan perlakuan pemanasan agar partikel

halus beraglomerasi menjadi bahan padat. Dengan demikian proses sintering juga

dapat disebut sebagai proses pengikatan secara thermal. Sintering tanpa cairan

memerlukan difusi dalam bahan padat itu sendiri sehingga diperlukan suhu yang



19/86


10

tinggi. Kebanyakan benda logam dan berbagai keramik dielektrik dan megnetik

dibuat dengan cara sinter padat.

Proses pembentukan keramik (perubahan mikrostruktural yang terjadi

pada proses sintering) dari bahan bubuk adalah sebagai berikut:

Gambar 2.6. Perubahan mikrostruktural yang terjadi pada proses sintering[7]

a. Partikel bubuk sesudah proses kompaksi

Partikel-partikel bubuk saling menempel satu dengan yang lain (antara

butir yang satu dengan yang lain saling menempel) dimana tampak dua

permukaan yang membatasi partikel sebelum sintering.

b. Partikel pada proses sintering

Grain boundary saling menempel dan bersentuhan sehingga terdapat

satu batas butir dan beberapa butir yang saling menempel bergabung/

beraglomerasi dan membentuk pore.

c. Partikel pada akhir proses sintering

Daerah kontak yang semula adalah grain boundary menjadi semakin

luas dan akhirnya pore yang dihasilkan menjadi mengecil.

Grain

boundary

neck

pore



20/86


11

2.4. Annealing

Proses annealing merupakan suatu proses pemanasan dimana sampel uji

dipanaskan perlahan-lahan pada temperatur dan ditahan pada temperatur tersebut

kemudian ikuti dengan pendinginan perlahan dalam tungku ( furnace) sampai

dengan temperatur kamar. Sebagai hasil pengerjaan dingin, ductility (keuletan),

toughness (kekerasan) serta hambatan listrik meningkat, sedangkan kelenturan

menurun. Peningkatan jumlah dislokasi juga terjadi dan beberapa bidang dari

struktur kristal terdeformasi. Hal ini menunjukkan bahwa sebagian besar dari

energi pengerjaan dingin pada sampel hilang sebagai panas serta sebagian kecil

tersimpan dalam struktur kristal sebagai energi dalam yang berhubungan dengan

cacat kisi yang dihasilkan oleh deformasi. Energi yang tersimpan biasanya

berkisar 1-10% dari energi yang diberikan pada sampel selama pengerjaan dingin

tersebut.

Proses annealing dapat dibagi menjadi tiga tahap yaitu recovery,

rekristalisasi dan pertumbuhan butir. Ketiga tahap tersebut dapat dijelaskan

sebagai berikut:

a.

Recovery

Proses ini merupakan proses pada temperatur rendah dan tidak

menghasilkan perubahan penting pada struktur mikro. Sifat mekanik yang

penting pada sampel tidak berubah dan tujuan dari pemanasan pada daerah

pemulihan adalah pembebasan tegangan pada sampel serta untuk

memperkecil distorsi yang dihasilkan oleh tegangan sisa atau internal

stresses (thermal stresses). Akibat penting dari proses pemulihan adalah

penurunan jumlah tegangan sisa yang timbul meningkat menurut



21/86


12

peningkatan temperatur hal ini dikarenakan atom-atom yang bergeser

elastik mampu membebaskan sebagian besar tegangan sisa seturut dengan

peningkatan temperatur.

b. Rekristalisasi

Pada saat temperatur yang lebih tinggi dari temperatur recovery dicapai,

sejumlah kecil kristal baru muncul pada struktur mikro. Kristal-kristal baru

ini mempunyai komposisi dan struktur kisi yang sama dengan butir awal

yang tidak terdeformasi. Kristal baru umumnya muncul pada bagian grain

yang terdeformasi, biasanya batas butir dan bidang slip. Kelompok atom-

atom yang merupakan asal dari butir yang baru dinamakan nukleus.

Rekristalisasi timbul oleh kombinasi dari nukleasi butir yang bebas

regangan dan pertumbuhan nukleus yang menyerap pada sampel yang

dikenai pengerjaan dingin.

c. Pertumbuhan butir

Butir yang besar mempunyai energi bebas yang lebih kecil daripada butir

yang kecil. Energi ini merupakan energi pengendali untuk pertumbuhan

butir. Pada peningkatan temperatur jumlah pertumbuhan butir semakin

meningkat.

Proses annealing mencakup nukleasi dan ukuran butir, pada nukleasi

yang cepat dan pertumbuhan butir yang lambat menghasilkan material yang

berbutir halus (butir berukuran kecil) sedangkan bila nukleasinya lambat dan



22/86


13

pertumbuhan butirnya cepat maka akan menghasilkan material yang berbutir

kasar. Faktor-faktor yang mempengaruhi besar ukuran butir adalah:

a. Derajat deformasi awal

Peningkatan jumlah deformasi awal menyebabkan nukleasi dan

menurunkan ukuran butir akhir. Peningkatan derajat deformasi

menimbulkan peningkatan jumlah titik tegangan tinggi atau energi

tinggi dimana hal ini akan menyebabkan rekristalisasi terbentuk dari

jumlah nukleus yang banyak dan menghasilkan jumlah butir yang

banyak sehingga ukuran butir menjadi lebih kecil.

b. Temperatur annealing

Semakin kecil perbedaan antara temperatur annealing dan temperatur

rekristalisasi maka akan semakin membentuk ukuran butir akhir yang

halus. Penentuan temperatur annealing adalah 0,3 s/d 0,6 dari titik

lelehnya. Karena titik leleh BST adalah pada temperatur 1625˚C maka

temperatur annealing untuk BST adalah berkisar antara 488˚C s/d

975˚C. Dalam penelitian ini penulis menggunakan temperatur

annealing pada temperatur 900˚C.

Pengaruh annealing adalah mengembalikan material pada struktur kisi

bebas regangan maka prosesannealing

dapat disebut juga sebagai proses

pelembutan. Sehingga dari keseluruhan proses annealing maka dapat dikatakan

bahwa fungsi dari annealing adalah[7]

:



23/86


14

reflections mustbe in phase todetect signal

spacingbetweenplanes

d

i n c o m i n g

X - r a y s

o u t g

o i n g

X - r a y

s

d e t e c t o r

θ λ

θextradistancetravelled

by wave “2”

“ 1 ” “ 2 ”

“ 1 ”

“ 2 ”

a. Mampu melepas internal stresses/ thermal stresses

b. Memperbaiki sifat-sifat ductility (keuletan), toughness (kekerasan)

dan softness (kelembutan butir)

c.

Memperbaiki mikrostruktur

2.5. DIFRAKSI SINAR-X

Atom-atom di dalam kristal berada pada bidang-bidang yang disebut juga

sebagai bidang-bidang kisi. Bidang-bidang ini dicirikan melalui indeks Miller

(hkl). Sinar-X yang terdifraksi oleh bidang kristal (Gambar 2.7) mengikuti suatu

hukum Bragg yang dirumuskan sebagai: 2d sin (θ) = nλ

Gambar 2.7. Sinar-X yang terdifraksi oleh bidang kristal material

Intensitas hasil difraksi akan tertangkap oleh detektor pada sudut-sudut

tertentu (sudut difraksi /sudut Bragg) seperti yang diperlihatkan oleh Gambar-2.8.

Untuk bahan polikristal akan diperoleh sederetan puncak-puncak difraksi

(Gambar 2.9). Sehingga berdasarkan hukum Bragg, pola-pola intensitas yang

terjadi menandakan bidang-bidang kristal yang mendifraksikan intensitas sinar-X



24/86


15

d=nλ/2sinθc

x-rayintensity(from

detector)θ

θc

yang datang. Pola-pola intensitas senyawa yang ada didunia ini, sebagian telah

berhasil diidentifikasi oleh orang yang kemudian disimpan dalam bentuk data

difraksi yang sering disebut sebagai data ICDD ( International Centre for

Diffraction Data).

Gambar 2.8. Intensitas yang terukur oleh

detektor hasil difraksi oleh bidang kristal

Gambar 2.9. Pola-pola intensitas terhadap sudut Bragg yang menunjukkan bidang-bidang

yang mendifraksikan sinar-x yang datang pada bidang.



25/86


16

2.6. PENENTUAN PARAMETER KISI

Dalam pengukuran parameter kisi, terdapat dua jenis kesalahan (error)

yang terlibat, yakni sistematis dan acak (random). Error random adalah kesalahan

percobaan yang terlibat didalam pengukuran posisi puncak difraksi, error ini

berubah secara tidak teratur. Sedangkan error sistematis berubah dengan cara yang

teratur, contohnya nilai parameter kisi a selalu berkurang ketika θ bertambah, hal

ini disebabkan oleh kesalahan-kesalahan sistematis[8]

.

Metode analitik yang meminimalkan kesalahan random diusulkan oleh

M.U.Cohen yang kemudian dikenal dengan nama metode Cohen. Metode ini

digunakan untuk menghitung parameter kisi dengan teliti yang dapat diterapkan

pada sistem kristal kubik dan non-kubik.

Didalam diffraktometer, sumber kesalahan terpenting didalam menghitung

(sin θ) adalah :

1. peralatan yang tidak sejajar

2. permukaan sampel yang tidak datar

3. penyerapan didalam sampel

4. pergeseran sampel dari sumbu diffraktometer

5. berkas sinar datang yang divergen

karenad

d ∆bervariasi secara berbeda-beda terhadap error yang berbeda (d = dhkl),

misalnyad

d ∆ bervariasi sebagai cos

2θ untuk error-2 dan 3 tetapi sebagai

θ

θ

sin

cos2

untuk error-4. Oleh karena itu cara terbaik untuk menentukan yang mana dari

error-error ini yang lebih siknifikan adalah dengan mengekstrapolasi parameter



26/86


17

kisi terhadap cos2θ dan juga terhadap

θ

θ

sin

cos2, fungsi yang memberikan garis lurus

yang lebih baik merupakan error yang lebih siknifikan. Hal ini seperti yang

diperlihatkan oleh Gambar 2.10

Gambar 2.10. Menunjukkan parameter

kisi yang diplot terhadap suatu fungsi

ekstrapolasi. Pemilihan fungsi

ekstrapolasi yang tepat akan

diperlihatkan oleh garis lurus yang

melalui titik-titik parameter kisi karena

menunjukkan nilai error yang paling

minimum.

Persamaan Bragg dirumuskan sebagai :

d 2sin λ θ = (2.1)

Persamaan bidang untuk sistem kubus adalah :

2

222

2

1

a

lk h

d

++= (2.2)

(2.3)

Setelah diperoleh persamaan ekstrapolasi yang valid –misal cos2θ-

maka diperoleh error sebesar :

++==

2

2222

2

22

44sin

a

lk h

d

λ λ θ



27/86


18

θ λ

θ 2

2

22222 cos

4sin K

a

lk herror =

++−= (2.4)

( ) θ λ θ 22222

22 cos

4sin K lk h

a+++= (2.5)

θ RP=2sin (2.6)

Dimana2

2

4aP

λ = K R = (2.7)

222lk h= θ 2cos= (2.8)

Menurut teori kuadrat terkecil (least square), nilai terbaik dari koefisien-

koefisien P dan R adalah yang jumlah kuadrat kesalahan randomnya minimum[8]

yakni,

[ ]222 )(sin)( −+= observed RPe θ δ α = minimum (2.9)

Persamaan normalnya dapat diperoleh dengan mendiferensialkan

Persamaan (2.9) terhadap P dan R dan menyamakan dengan nol. Oleh karenanya

diperoleh persamaan normal sebagai berikut :

+= αδ α θ α RP 22sin (2.10)

+= 22sin δ αδ θ δ RP (2.11)

Dengan mencari solusi dari kedua persamaan tersebut maka akan

diperoleh nilai-nilai parameter kisi a.

2.7. Spektroskopi Impedansi

Spektroskopi impedansi merupakan metode analitik yang populer di dalam

penelitian dan pengembangan ilmu material, karena alat ini memberikan



28/86


19

pengukuran listrik yang relatif sederhana dan hasilnya sering kali dihubungkan

dengan banyak variabel-variabel material yang kompleks: mulai dari transport

massa, laju reaksi kimia, korosi, kelakuan dielektrik amorphous dan polikristalin,

mikrostruktur dan pengaruh komposisi pada konduktansi dari zat padat.

Ketika diaplikasikan pada keramik, teknik ini mampu memisahkan sifat

listrik dan dielektrik dari butir (grain), batas butir (grain boundary) dan daerah

antara kontak dengan sampel (interface). Pengukuran parameter impedansi

membantu mengidentifikasi proses fisis dan penentuan jenis parameter listrik

yang mewakili sistem yang sedang dipelajari[3]

.

Dalam menganalisa dan menginterpretasi data penelitian, penting untuk

mempunyai model ekivalen yang dapat memberikan sifat listrik yang

representatif dengan keadaan sebenarnya. Sifat listrik sampel ditentukan dengan

kombinasi seri antara butir dan batas butir, dimana masing-masing diwakili

dengan element paralel RC. Sehingga secara sederhana, rangkaian listrik sampel

adalah ekivalen dengan rangkaian seri dari dua elemen RC paralel[9]

.

Persamaan impedansi dari dua element RC paralel adalah

( ) ( ) 1221

11 / 1 / 1 −− +++= C j RC j R Z ω ω

= Z real – j Z imajiner (2.12)

Dimana:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

++

++

+=

++++++=

2

33

3332

22

2222

11

111

2

33

3

2

22

2

2

11

10

111

111

C R

C R R

C R

C R R

C R

C R R Z

C R

R

C R

R

C R

R

R Z

imajiner

real

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω ω ω

(2.13)



29/86


20

R1, R2 dan C1, C2 adalah resistansi dan kapasitansi butir dan batas butir

Plot Nyquis digunakan untuk menganalisa hasil pengukuran impedansi. Sumbu-x

merupakan bagian real dan sumbu-y merupakan bagian imajiner. Metode ini

disebut sebagai spektroskopi impedansi (SI) karena hasil pengukuran yang sudah

diplot pada plot Nyquis menghasilkan spektrum impedansi seperti terlihat pada

Gambar 2.11.

Gambar 2.11. (a) Plot Nyquist yang diperoleh dari data impedansi.

(b) Rangkaian ekivalen sederhana dari gambar (a)[10]



30/86


BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Diagram alur penelitian

Penelitian ini dikerjakan dengan menggunakan diagram alur sebagai

berikut:

Preparasi

Perlakuan

thermal

Karakterisasi

PENCAMPURAN BAHAN

BaCO3 + SrCO3 + TiO2

MILLINGPlanetary Ball Mill selama 4 jam

KALSINASI

1100˚C selama 4 jam

KOMPAKSI

Tekanan 4 ton/cm2 ditahan 30 detik

SINTERING

1200˚C selama 1,2,3 jam1300˚C selama 1,2 jam

ANNEALING

900˚C selama 1,2,4 jam

XRD

Struktur

SEMBentuk, distribusi dan ukuran butir

RCL METERZ, sudut fase

Software ZSIMPWIN

Rangkaian listrik ekivalen



31/86

22


3.2. Bahan dan alat

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah BaCO3 (≥

98,5%, Merk Sigma-Aldrich), SrCO3 (98%, Merk Aldrich), TiO2 (Merk Sigma

Aldrich), Aquades sebagai pelarut, PVA (Polivinil Alkohol) sebagai binder atau

perekat, HF (larutan asam Hidrogen-Fluor), Alkohol, Lem perak (campuran resin

dan hardener).

Alat-alat yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah mortar, spatula,

timbangan, Planetary Ball Mill, Thermolyne 46100 High Temperatur Furnace,

mesin kompaksi Shimadzu, dies diameter 10 mm, Ney Vulcan 3-550 Furnace,

Memmert 1534 Furnace, hair dryer , XRD ( X-Ray Diffraction), SEM (Scanning

Electron Microscopy), RCL meter Fluke PM 6306, amplas seri 2000 dan 3000

(untuk preparasi XRD dan SEM), JEOL JFC-1200 Fine Coater-Coating Pt-Au

(untuk preparasi SEM).

3.3. Preparasi Ba0,5Sr0,5TiO3

Pembuatan material Ba0,5Sr0,5TiO3 dilakukan dengan menggunakan

metode yang dikenal sebagai “ Mechanosynthesis powder ”. Material tersebut

dibuat dari bubuk BaCO3, SrCO3 dan TiO2. Proses pencampuran bahan dilakukan

dengan menggunakan reaksi pembentukan keramik sebagai berikut:

Bubuk ( powder ) BaCO3, SrCO3 dan TiO2 dihaluskan di dalam mortar selama

kurang lebih 30 menit kemudian masing-masing bubuk dicampur menjadi satu.

Bubuk campuran yang telah siap kemudian dimilling dengan planetary ball mill

BaCO3 + SrCO

3 + 2TiO

2 2Ba

0,5Sr

0,5TiO

3 + 2CO

2



32/86

23


selama 4 jam dengan perbandingan berat sampel dan berat ball mill adalah 1:8.

Fungsi dari milling adalah supaya diperoleh sampel yang lebih homogen.

Proses selanjutnya adalah kalsinasi. Keramik BaSrTiO3 ini akan terbentuk

secara sempurna melalui 3 tingkatan temperatur kalsinasi.

Sekitar 900˚C mulai terjadi pembentukan keramik yang disertai

dengan pelepasan gas CO2 dan O2 dari hasil samping reaksinya dan

gas-gas lain yang terkandung di dalam bubuk ini seperti H2, H2O dan

lain-lainnya.

Mencapai temperatur sekitar 1100˚C mulai terjadi persenyawaan

antara atom Barium dan atom titan dengan timbulnya pemuaian atom-

atom ini.

Pada temperatur mencapai sekitar 1350˚C, terjadi penyusutan atom-

atom yang mengalami pemuaian tersebut dan reaksinya berakhir

sehingga terbentuk keramik BaSrTiO3 dengan sempurna.

Pada penelitian ini, campuran bubuk BaCO3, SrCO3 dan TiO2 yang sudah

dimilling kemudian dikalsinasi pada 1100˚C selama 4 jam dalam alumina crucible

dengan menggunakan kecepatan pamanasan dan pendinginan 40˚C /menit. Untuk

memperoleh pellet maka bubuk BST yang sudah dikalsinasi dicampur dengan

menggunakan larutan PVA (Polivinil Alkohol) yang berperan sebagaibinder

(perekat) diantara bubuk-bubuk BST dimana untuk setiap pellet diperoleh dari

campuran 0,5 gr BST dan 1 tetes larutan PVA. Larutan PVA diperoleh dari

pencampuran 1 gr bubuk PVA dan 10 ml aguades. Supaya bubuk PVA dapat



33/86

24


terlarut secara sempurna dalam aquades maka campuran PVA dan aquades

terlebih dahulu harus dipanaskan pada temperatur 70˚C selama 4 jam dengan

Memmert 1534 Furnace. Bahan campuran BST dan larutan PVA dibuat menjadi

bentuk pellet dengan cara dipress. Pengepresan dilakukan dengan menggunakan

mesin pengepres Shimadzu. Masing-masing sampel ditekan dengan tekanan 4

ton/cm2 dan tekanan ini ditahan selama 30 detik. Waktu penahanan ini berguna

untuk menghilangkan tegangan-tegangan sisa (residual stress) yang berada di

dalam pellet sehingga pellet tidak mudah retak atau pecah ketika dikeluarkan dari

cetakan. Pellet Ba0,5Sr0,5TiO3 yang dicetak memiliki massa 0,5 gram, dengan

ukuran diameter 10 mm dan tebal 2 mm serta bentuknya yang menyerupai

kepingan.

Setelah diperoleh sampel yang berbentuk kepingan, material diberi

perlakuan panas (sintering) untuk menjadi keadaan bulk dengan variasi waktu

pemanasan dan temperatur pemanasan. Peralatan yang digunakan untuk proses ini

ialah Thermolyne 46100 High Temperatur Furnace. Sintering merupakan proses

pemanasan yang bertujuan untuk memadatkan suatu bahan, variasi temperatur dan

waktu sintering adalah 1200oC selama 1, 2 dan 3 jam serta 1300

oC selama 1 dan

2 jam, dengan kecepatan pemanasan dan pendinginan 40oC/menit. Annealing juga

dilakukan pada temperatur 900oC selama 1, 2 dan 4 jam dengan menggunakan

furnace Ney Vulcan 3-550 yaitu pada sampel yang sudah disintering pada

temperatur 1200

o

C selama 2 jam.



34/86

25


.

(a) (b)

Gambar 3.1. Dimensi pelet BaSrTiO3

a. Tampak Atas

b. Tampak Samping

Sampel yang sudah disintering dan diannealing kemudian diberi kontak

dari kawat serabut. Untuk merekatkan sampel dengan kontak digunakan lem perak

(campuran resin dan hardener ). Cara preparasinya adalah dengan memanaskan

sampel yang sudah diberi lem perak pada temperatur 120oC selama 1 jam.

Pemanasan diberikan hanya untuk mempercepat proses pengeringan lem dan juga

untuk lebih merekatkan kawat kontak dengan sampel. Pemilihan temperatur

diatas 100oC adalah untuk membuang uap air yang dapat mengganggu kontak.

3.4. PROSES ETSA

Proses ETSA dilakukan sebagai preparasi sampel sebelum dilakukan

SEM. Permukaan sampel yang akan di ETSA terlebih dahulu dihaluskan

menggunakan amplas dengan no.2000 dan 3000, sampai permukaannya terlihat

bening seperti kaca. Untuk BST larutan ETSA-nya adalah larutan asam Hidrogen-

Fluor (HF). Pada proses ini sampel dicelupkan kedalam larutan asam HF yang

sudah diencerkan dengan komposisi campuran 9 ml HF dicampur 91 ml H2O

10 mm

2 mm



35/86

26


selama 30 menit. Selama pencelupan akan terlihat adanya reaksi antara sampel

dengan larutan asam berupa perubahan warna permukaan sampel yang

sebelumnya bening seperti kaca menjadi putih seperti kapur. Hal ini menandakan

bahwa larutan asam kuat telah bereaksi dengan batas-batas grain.

Setelah dicelupkan 30 menit sampel kemudian dibilas dengan H2O dan

alkohol kemudian dikeringkan dengan hair dryer . Sampel yang sudah diETSA

telah siap dilihat mikrostrukturnya dengan SEM (Scanning Electron Microscopy).

3.5. Karakterisasi

Karakterisasi Ba0,5Sr0,5TiO3 dilakukan dengan menggunakan peralatan

XRD, SEM, dan RLC meter. Struktur Ba0,5Sr0,5TiO3 dilihat dari hasil XRD.

Bentuk butir, distribusi, dan ukuran butir diperoleh dari hasil SEM. Pengukuran

RCL meter digunakan untuk karakterisasi sifat impedansi.

3.5.1. XRD (Difraksi Sinar-X)

Difraksi sinar-X digunakan untuk menentukan struktur kristal dari sampel

Ba0,5Sr0,5TiO3 bubuk maupun pellet yang diperoleh dari proses sintering dan

annealing. Karakterisasi diperoleh dengan menggunakan grafik hasil XRD. Data

awal hasil XRD adalah dalam file RD yang kemudian diubah ke file UDF dengan

program APD. Selanjutnya file UDF dikonversi ke x-y dengan menggunakan

program BellaV2_12. Selanjutnya data hasil konversi tersebut dapat dibuat grafik

berupa grafik intensitas terhadap sudut hamburan (2 theta). Pola-pola grafik

intensitas yang dihasilkan oleh XRD selanjutnya di cocokkan dengan data ICDD

( International Centre for Diffraction Data), guna melihat kemungkinan adanya



36/86

27


fasa lain yang muncul selain fasa BaSrTiO3. Berdasarkan hasil analisa grafik

intensitas yang telah dicocokkan dengan ICDD akan diperoleh struktur kristal dari

sampel.

Gambar 3.2. Skema alat XRD

3.5.2. SEM (Scanning Electron Mycroscope)

Untuk melihat distribusi, ukuran dan bentuk grain digunakan SEM dengan

perbesaran 200x, 500x dan 1000x. Foto SEM dilakukan untuk sampel BaSrTiO3

yang disinter pada temperatur 1200oC dan 1300oC, dan sampel yang diannealing

pada 900 oC. Sampel yang akan dilihat melalui SEM sebelumnya telah mengalami

proses ETSA dan kemudian dicoating dengan Pt-Au menggunakan mesin coating

JEOL JFC-1200 Fine Coater-Coating.



37/86

28


3.5.3. RLC meter (Resistance, Inductance, Capacitance)

Sampel BST bulk yang telah diberi kontak kawat dan lem perak siap untuk

diukur nilai RLC-nya. Persiapan pengukuran dilakukan dengan cara

mengkalibrasi RLC meter terlebih dahulu. Setelah dikalibrasi, RCL meter siap

digunakan. Sampel yang akan diukur dipreparasi dengan cara ditempelkan pada

kaca preparat kemudian kabel serabut dihubungkan dengan kontak RCL meter.

Pengukuran dilakukan dalam keadaan sampel tidak ada getaran karena

pengukuran dengan RCL meter sangat sensitif.

Nilai-nilai yang diukur untuk rentang frekuensi 50 Hz -1 MHz adalah

impedansi dan sudut fase dari tiap sampel. Pengukuran dimulai dari frekuensi

tinggi 1 MHz menuju ke frekuensi yang rendah 50 Hz. Pemilihan dari frekuensi

tinggi ini adalah untuk menjaga kestabilan pembacaan nilai impedansi

dibandingkan dengan apabila pengukuran dimulai pada frekuensi rendah.

Hasil pengukuran impedansi kemudian diubah kedalam bentuk plot

Nyquist. Untuk mencari rangkaian listrik ekivalennya, penulis menggunakan

software ZsimpWin (Bruno Yeum, Ph.D) yang selanjutnya penulis mencoba

menginterpretasikan secara fisis karakteristik dari masing-masing sampel

berdasarkan rangkaian listrik ekivalen yang dimunculkan.

3.5.4. Analisis rangkaian listrik ekivalen

Data pengukuran dengan RCL meter yang akan dianalisis rangkaian

listriknya terlebih dahulu ditentukan Z real dan Z imajinernya kemudian diubah

dalam scientific yang di-save di notepad. Data tersebut merupakan input data

untuk pengolahan dengan program ZsimpWin. Dengan menggunakan input data



38/86

29


tersebut dapat diperoleh spektrum impedansi dalam plot Nyquist. Software

ZsimpWin juga digunakan untuk mendapatkan rangkaian ekivalen listrik yang

sesuai dengan keadaan fisis dari sampel.

Dengan memberikan input data impedansi dan memilih rangkaian listrik

yang diinginkan maka software secara otomatis akan memfitting kurva impedansi

hasil percobaan. Rangkaian ekivalen yang dipilih bergantung pada karakter dari

sampel yang terukur. Nilai-nilai tiap komponen listrik yang diperoleh mencirikan

sifat kelistrikan dari sampel.



39/86


BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Ba0,5Sr0,5TiO3 dibuat dengan menggunakan metode “ Mechanosynthesis

powder ” dari bubuk BaCO3, SrCO3 dan TiO2. Bubuk yang dihasilkan berwarna

putih. Sintering yang dilakukan menghasilkan bahan yang semula berwarna putih

menjadi berwarna coklat keabu-abuan. Semakin tinggi temperatur dan lama

sintering menghasilkan warna yang lebih tua. ETSA sebagai preparasi SEM juga

mengubah warna bahan dari coklat keabu-abuan menjadi putih seperti kapur.

4.1. Proses Kalsinasi dan Sintering (sebelum proses annealing)

Grafik yang diperoleh dari keseluruhan data hasil XRD bubuk

Ba0,5Sr0,5TiO3 yang diperoleh dari proses kalsinasi pada temperatur 1100˚C

selama 4 jam ditunjukkan pada Gambar 4.1. Bahan yang diperoleh dari proses

kalsinasi inilah yang akan digunakan sebagai bahan induk proses-proses

selanjutnya yaitu proses sintering dan annealing. Pada grafik juga ditunjukkan

bidang-bidang yang diperoleh. Alat XRD yang digunakan untuk identifikasi

bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3 adalah dengan sumber radiasi Cu Kα.



40/86


31

Bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1,201,752,302,853,403,95

dhkl (Å)

I n t e n s i t a s

(100)

(300)

(310)(220)

(211)

(210)

(200)

(111)

(110)

Gambar 4.1. Grafik hasil XRD bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3

Bubuk merupakan hasil dari proses kalsinasi pada 1100˚C selama 4 jam

Bubuk BaTiO3

0

200

400

600

800

1,251,802,352,903,454,00dhkl (Å)

I n t e n s i t a s

(100)

(300)

(310)(220)

(211)

(210)

(200)

(111)

(110)

Gambar 4.2. Grafik hasil XRD bubuk BaTiO3[11]



41/86


32

Grafik hasil XRD BaTiO3 ditampilkan seperti pada Gambar 4.2. Kalau

dibandingkan hasil grafik BaTiO3 dengan grafik XRD bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3

diperoleh bahwa terdapat kemiripan kecenderungan pola-pola puncak grafik yang

merupakan intensitas cahaya yang dihasilkan dan bidang-bidang yang diperoleh,

tetapi puncak grafik XRD bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3 diperoleh lebih tinggi daripada

puncak grafik BaTiO3 serta terjadi pergeseran nilai dhkl dimana dhkl untuk grafik

XRD bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3 sedikit lebih kecil dibandingkan untuk grafik XRD

bubuk BaTiO3. Pergeseran tersebut merupakan indikasi kehadiran Sr pada

Ba0,5Sr0,5TiO3. Perbedaan sumbu x pada kedua grafik yaitu sudut difraksi 2 Theta

untuk grafik BaTiO3 dan dhkl untuk grafik XRD bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3 disebabkan

perbedaan penggunaan sumber radiasi alat XRD yang digunakan. XRD bubuk

Ba0,5Sr0,5TiO3 menggunakan sumber radiasi Cu Kα dengan λ = 1,54 Å sedangkan

XRD bubuk BaTiO3 menggunakan sumber radiasi Co Kα dengan λ = 1,79 Å.

Tabel 4.1. Data hasil XRD bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3

dhkl (Ba0.5Sr0.5TiO3)2-Theta

Perhitungan ICDD

(hkl)

22,57 3,9382 3,9494 10032,09 2,7883 2,7918 11039,57 2,2767 2,2796 11146,01 1,9719 1,9737 20051,75 1,7659 1,7649 21057,12 1,6119 1,6113 211

67,15 1,3935 1,3954 22071,65 1,3166 1,3156 300

76,15 1,2496 1,248 310



42/86


33

Data hasil XRD bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3 ditunjukkan pada tabel 4.1. Tabel

tersebut secara spesifik menunjukkan hasil perhitungan dhkl untuk puncak-puncak

yang diperoleh dan perbandingannya dengan dhkl yang diidentifikasi dengan

berdasarkan pada data base JCPDS ( Joint Commitee on Powder Difraction

Standart ) - ICDD ( International Centre for Difraction Data) (card number 39-

1395). Pada tabel tersebut juga diperlihatkan bidang-bidang yang muncul yang

diperoleh melalui identifikasi nilai dhkl. Bidang-bidang yang diperoleh tersebut

setelah dicocokkan dengan data base JCPDS - ICDD, terlihat bahwa sampel

bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3 memiliki struktur kubus sederhana dengan parameter kisi

sebesar 3,97Ǻ. Parameter kisi ditentukan berdasarkan metode analitik Cohen

seperti yang telah dijelaskan pada dasar teori.

Grafik hasil XRD Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan perlakuan pemanasan sintering

pada temperatur 1200˚C untuk variasi waktu sintering ditunjukkan pada Gambar

4.3. Dengan membandingkan dengan Gambar 4.1 yang merupakan grafik hasil

XRD bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3, ternyata memperlihatkan pola-pola kecenderungan

puncak-puncak intensitas yang mirip antara keduanya dan setelah dicocokkan

dengan data base JCPDS - ICDD ternyata tidak ditemukan adanya kemunculan

fasa baru pada grafik hasil XRD Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan sintering pada temperatur

1200˚C variasi waktu sintering. Dengan demikian, perlakuan sintering pada

temperatur 1200˚C dengan waktu sintering 1, 2 dan 3 jam tidak mengubah fasa

dari sampel (Ba0,5Sr0,5TiO3) yang diuji.



43/86


34

Sintering 1200˚C

1,451,952,452,953,453,95

dhkl (Å)

I n t e n s i t a s Series1

Series2

Series3

3 jam

2 jam

1 jam

(211)(210)

(200)(111)

(110)

(100)

Gambar 4.3. Grafik hasil XRD Ba0,5Sr0,5TiO3

Untuk perlakuan sintering pada temperatur 1200oC selama 1, 2 dan 3 jam

Dari grafik XRD Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan sintering pada temperatur 1200˚C

dengan variasi waktu sintering diperoleh bahwa semakin lama waktu sintering akan diperoleh intensitas yang semakin tinggi (nilai intensitas tertinggi adalah

pada waktu sintering 3 jam) , hal ini menunjukkan bahwa semakin lama waktu

sintering maka derajat kristalin bahan juga semakin tinggi. Struktur setelah

perlakuan sintering adalah kubus sederhana. Nilai parameter kisi untuk sintering

1200˚C yang ditentukan dengan metode analitik Cohen adalah sebagai berikut:

Tabel 4.2. Nilai parameter kisi (proses sintering pada 1200˚C)

1200˚C 1 jam 1200˚C 2 jam 1200˚C 3 jam

3,98Ǻ 3,98Ǻ 3,99Ǻ



44/86


35

Hasil perhitungan parameter kisi tersebut menunjukkan bahwa sintering tidak

mengubah nilai parameter kisi.

Gambar 4.4 menunjukkan hasil foto SEM untuk sampel yang disintering

pada temperatur 1200˚C dengan variasi waktu sintering.

(a) (b)

Gambar 4.4. Hasil foto SEM untuk permukaan sampel

dengan perlakuan Sintering 1200˚C selama

(a) 1 jam (b) 2 jam (c) 3 jam

c



45/86


36

Tabel 4.3. Ukuran grain dan porositas BST ( sintering 1200˚C)

PerlakuanPemanasan

Ukuran Grain (µm)

Ukuran porositas(µm)

1 jam 3 - 94 3 - 93

2 jam 4 - 180 2 – 80

3 jam 5 - 150 3 -17

Secara spesifik, variasi waktu sintering mampu mengubah ukuran butir

sebagaimana terlihat juga pada tabel 4.3 (tabel tentang ukuran grain dan

porositas). Walaupun seakan-akan terlihat pada Tabel 4.3 bahwa ukuran butir

pada sintering 1200˚C 3 jam lebih kecil daripada sintering 1200˚C 2 jam tetapi

apabila diperhatikan lebih detil dari gambar foto SEM akan terlihat bahwa butir

berukuran besar pada sintering 1200˚C 3 jam lebih banyak daripada sintering

1200˚C 2 jam. Pada sintering 1200˚C terlihat bahwa porositas dengan luasan

lebar lebih banyak dari pada 2 jam dan 3 jam. Pada gambar foto SEM sintering

1200˚C 3 jam terlihat bahwa terdapat lebih banyak aglomerasi butir dibandingkan

dengan foto SEM sintering 1200˚C 2 jam. Semakin lama waktu sintering,

porositas yang ditemukan semakin sedikit, hal ini dikarenakan karena waktu

sintering yang lama mampu menghilangkan porositas. Dari gambar foto SEM

juga nampak bahwa terdapat butir yang kelihatan dari porositas. Hal ini

menandakan bahwa sampel terdiri dari beberapa lapisan yang menumpuk.



46/86


37

Fenomena sintering pada temperatur 1200˚C dapat dijelaskan dengan

gambar 4.5. yang merupakan gambar perubahan mikrostruktur yang menyertai

sintering sebagai berikut:

Gambar 4.5. Perubahan mikrostruktural yang terjadi pada proses sintering[7]

Setelah bahan Ba0,5Sr0,5TiO3 dikompaksi, partikel-partikel bubuk saling

menempel satu dengan yang lain (antara butir yang satu dengan yang lain saling

menempel dengan bantuan perekat PVA) dimana tampak dua permukaan yang

membatasi partikel sebelum sintering seperti ditunjukkan pada Gambar 4.5a .

Karena proses difusi atom yang terjadi pada saat proses sintering, atom-atom

masing-masing grain berdifusi sehingga daerah kontak antara grain yang semula

hanya sempit berubah menjadi daerah kontak yang luas (Titik – titik kontak akan

menjadi bidang singgung pada waktu pemanasan selanjutnya). Grain boundary

saling menempel dan bersentuhan sehingga terdapat satu batas butir dan beberapa

butir yang saling menempel bergabung/ beraglomerasi dan membentuk pore

(Gambar 4.5b). Gaya pendorong proses sinter adalah pengurangan luas

permukaan yang berarti pengurangan energi permukaan.

pore

neck

Grain

boundary



47/86


38

Kedua permukaan merupakan batas dengan energi tinggi sedang batas

butir memiliki energi yang lebih rendah. Semakin lama proses sintering, daerah

kontak (yang memiliki energi yang lebih rendah) yang semula adalah grain

boundary menjadi semakin luas dan akhirnya pore yang dihasilkan menjadi

mengecil (Gambar 4.5c), dan kalau proses sintering dilanjutkan terus maka pore

yang kecil menjadi hilang (akibat butir – butir yang saling beraglomerasi

membentuk padatan).

Sehingga dapat dikatakan bahwa sintering memerlukan proses pemanasan

yang tinggi agar partikel halus beraglomerasi menjadi bahan padat. Semakin

tinggi temperatur sintering maka padatan yang terbentuk menjadi semakin baik.

Dapat dikatakan juga bahwa difusi atom yang diakibatkan karena temperatur

sintering menghasilkan penyusutan yang diiringi pengurangan porositas. Luas

butiran menjadi semakin lebar dengan bertambahnya waktu sintering karena butir

yang semula hanya berdiri sendiri maka setelah proses sintering menjadi

gabungan butir yang dihasilkan dari beberapa butir yang saling beraglomerasi.

Sehingga semakin lama waktu sintering akan diperoleh butir yang semakin besar

dan porositas yang semakin kecil.



48/86


39

Sintering 1200˚C

0

3000

6000

0 500 1000 1500 2000

Z real (k ohm)

Z i m a j i n e r ( k o h m )

Series1

Series2

Series3

1 jam

2 jam

3 jam

Gambar 4.6. Nyquist plot

( sintering 1200˚C)

Gambar 4.6 menunjukkan Nyquist plot proses sintering 1200˚C. Hasil

Nyquist plot tersebut menunjukkan bahwa dengan bertambahnya waktu sintering

menyebabkan kurva Spektrum Impedansi (SI) menjadi semakin membesar. Pada

proses sintering, waktu sintering yang bertambah menyebabkan grain akan

semakin membesar sehingga batas butir juga semakin melebar sehingga hal ini

akan menyebabkan spektrum impedansi akan membesar. Hal ini mengindikasikan

bahwa dengan peningkatan waktu sintering akan menyebabkan perubahan nilai

resistansi dan kapasitansi pada sampel.



49/86


40

Sintering 1200˚C

0

400

800

1200

1600

-2 -1 0 1 2 3 4

log {f(kHz)}

Z r e a l ( k o h m Series1

Series2

Series3

1 jam

2 jam

3 jam

Gambar 4.7. Perbandingan Z real vs log frekwensi

(pada perlakuan sintering 1200˚C selama 1, 2 dan 3 jam)

Gambar 4.7. menunjukkan variasi Z real terhadap log frekwensi pada

perbedaan waktu sintering pada 1200˚C. Sebagaimana terlihat pada ketiga

grafik, kesemuanya menunjukkan penurunan nilai Z real terhadap log frekwensi

untuk semua temperatur. Nilai Z real menurun dengan naiknya temperatur

sintering, hal ini mengindikasikan adanya peningkatan konduktivitas AC.

Dengan peningkatan waktu sintering menyebabkan muatan yang semula

terakumulasi pada batas butir mempunyai energi yang cukup untuk melompat ke

barrier (semakin lama waktu sintering maka energinya juga semakin besar),

dengan demikian dapat meningkatkan konduktivitas.



50/86


51/86


42

sintering akan diperoleh intensitas yang semakin tinggi (nilai intensitas tertinggi

adalah pada waktu sintering 2 jam) , hal ini menunjukkan bahwa semakin lama

waktu sintering maka derajat kristalin bahan juga semakin tinggi dimana hal

serupa juga ditunjukkan pada grafik hasil proses sintering 1200˚C. Intensitas

grafik hasil XRD Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan sintering pada 1300˚C cenderung lebih

tinggi dari pada sintering pada temperatur 1200˚C, hal ini menunjukkan bahwa

semakin tinggi temperatur sintering maka derajat kristalin bahan juga semakin

tinggi.

Struktur setelah sintering pada temperatur 1300˚C adalah kubus sederhana

dengan nilai parameter kisi yang ditentukan dengan metode analitik Cohen adalah

sebagai berikut:

Tabel 4.4. Nilai parameter kisi (proses sintering pada 1300˚C)

1300˚C 1 jam 1300˚C 2 jam

3,93Ǻ 3,97Ǻ

Dengan demikian, perlakuan sintering pada temperatur 1300˚C dengan

waktu sintering 1 dan 2 jam tidak mengubah fasa dan struktur dari sampel

(Ba0,5Sr0,5TiO3) yang diuji.

Gambar 4.9. menunjukkan hasil foto SEM untuk sampel yang disintering

pada temperatur 1300˚C dengan variasi waktu sintering 1 dan 2 jam. Secara

spesifik, variasi waktu sintering mampu mengubah butir sebagaimana terlihat juga

pada tabel 4.5. Aglomerasi butir lebih banyak ditemukan pada sintering 1300˚C

selama 2 jam dibandingkan pada sintering 1300˚C selama 1 jam. Jumlah porositas



52/86


43

juga cenderung berkurang seturut dengan peningkatan waktu sintering. Tidak

ditemukan porositas pada sintering 1300˚C selama 2 jam.

Gambar 4.9 Hasil foto SEM untuk permukaan sampel

dengan perlakuan Sintering 1300˚C selama (a) 1 jam (b) 2 jam

Tabel 4.5. Ukuran grain dan porositas BST ( sintering 1300˚C)

Perlakuan Pemanasan Ukuran Grain

(µm)

Ukuran porositas

(µm)

1 jam 3 - 100 3 – 33

2 jam 4 - 100 -

Fenomena sintering pada temperatur 1300˚C juga dapat dijelaskan dengan

Gambar 4.9 di atas. Tetapi karena temperatur yang digunakan lebih tinggi dari

pada 1200˚C maka luas porositas yang kecil pada sintering1200˚C akan menjadi

lebih kecil lagi dan akhirnya menghilang. Sehingga pada sintering 1300˚C selama

2 jam sudah tidak diketemukan porositas.

(a) (b)



53/86


44

Pada gambar foto SEM sintering 1300˚C terlihat bahwa terdapat lebih

banyak aglomerasi butir dibandingkan dengan foto sintering 1200˚C. Hal ini

memungkinkan luasan butir yang dihasilkan pada sintering 1300˚C akan lebih

luas dibandingkan pada sintering 1200˚C.

Reaksi akan lebih mudah terjadi pada suhu tinggi dimana atom-atom akan

lebih mudah bergerak. Suhu yang lebih tinggi menghasilkan difusivitas thermal

yang lebih tinggi pula karena atom-atom memiliki energi thermal yang lebih

tinggi. Difusi berjalan lebih cepat pada daerah batas butir karena merupakan

daerah dengan cacat kristal yang mempunyai energi lebih rendah. Sehingga

dengan temperatur sintering yang lebih tinggi akan lebih memungkinkan

pergerakan atom yang lebih banyak dan cepat sehingga aglomerasi partikel

menjadi lebih banyak dan akhirnya bahan menjadi lebih padat.

Ketika sampel mengalami proses pendinginan, terjadi thermal stresses

yang diakibatkan oleh adanya perbedaan antara kecepatan pendinginan dan

kontraksi thermal antara permukaan sampel dengan bagian dalam sampel.

Thermal stesses ini biasa juga disebut sebagai thermal shock yang dapat

menyebabkan terjadinya crack pada sampel seperti terlihat pada Gambar 4.9 dan

4.4. Kalau dibandingkan antara sintering 1200˚C dan 1300˚C, ternyata semakin

tinggi temperatur dan lama waktu sintering akan diperoleh crack yang semakin

lebar dan panjang hal ini disebabkan karena dengan semakin tinggi temperatur

dan lama waktusintering

akan menyebabkan perbedaan antara kecepatanpendinginan dan kontraksi thermal antara permukaan sampel dengan bagian

dalam sampel menjadi semakin besar sehingga akan menghasilkan crack yang

semakin panjang dan lebar pula.



54/86


45

Sintering 1300˚C

0

2000

4000

0 50 100 150 200 250

Z Real (k ohm)

Z I m a j i n e r ( k o h m )

Series1

Series22 jam

1 jam


( sintering 1300˚C)

Gambar 4.10 Nyquist plot proses sintering. 1300˚C. Hasil Nyquist plot

tersebut menunjukkan bahwa dengan bertambahnya waktu sintering menyebabkan

kurva Spektrum Impedansi (SI) menjadi semakin membesar. Pada proses

sintering, waktu sintering yang bertambah menyebabkan grain akan semakin

membesar sehingga batas butir juga semakin melebar sehingga hal ini akan

menyebabkan spektrum impedansi akan membesar. Hal ini mengindikasikan

bahwa dengan peningkatan waktu sintering akan menyebabkan perubahan nilai

resistansi dan kapasitansi pada sampel.

Gambar 4.11. menunjukkan variasi Z real terhadap log frekwensi padaperbedaan waktu sintering pada 1300˚C. Sebagaimana terlihat pada ketiga

grafik, kesemuanya menunjukkan penurunan nilai Z real terhadap log frekwensi

untuk semua temperatur.



55/86


46

Sintering 1300˚C

0

100

200

300

400

-2 -1 0 1 2 3 4

log {f(kHz)}

Z r e a l ( k o h m )

Series1

Series2

1 jam

2 jam

Gambar 4.11. Perbandingan Z real vs log frekwensi

(untuk perlakuan sintering 1300˚C selama 1 dan 2 jam)

Gambar 4.11 menunjukkan bahwa nilai Z real menurun dengan variasi

temperatur sintering, hal ini mengindikasikan adanya peningkatan konduktivitas

AC. Dengan peningkatan waktu sintering menyebabkan muatan yang semulaterakumulasi pada batas butir mempunyai energi yang cukup untuk melompat ke

barrier (semakin lama waktu sintering maka energinya juga semakin besar),

dengan demikian dapat meningkatkan konduktivitas.

Dengan membandingkan Gambar 4.7 dan 4.11 diperoleh bahwa

peningkatan temperatur sintering juga menyebabkan penurunan nilai Z real. Hal

ini berarti bahwa peningkatan temperatur sintering menyebabkan muatan yang

terakumulasi pada batas butir mempunyai energi yang semakin cukup untuk

melompat barrier karena adanya peningkatan temperatur sintering.



56/86


47

.

Sintering 1 jam

1,451,952,452,953,453,95

dhkl (Å)

I n t e n s i t a s

Series1

Series2Sintering 1300˚C

Sintering 1200˚C

(211)(200)(111)

(110)

(100)

Gambar 4.12. Grafik hasil XRD Ba0,5Sr0,5TiO

sintering 1200˚C dan 1300˚C selama 1 jam

Sintering 2 jam

1,451,952,452,953,453,95

dhkl (Å)

I n t e n s i t a s

Series1

Series2Sintering 1300˚C

Sintering 1200˚C

(211)(200)

(111)

(110)

(100) (210)


sintering 1200˚C dan 1300˚C selama 2 jam



57/86


48

Intensitas grafik hasil XRD Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan sintering pada 1300˚C

cenderung lebih tinggi dari pada sintering pada temperatur 1200˚C, hal ini

menunjukkan bahwa semakin tinggi temperatur sintering maka derajat kristalin

bahan juga semakin tinggi.

Dengan berdasarkan hasil-hasil yang telah diperoleh di atas, penulis

memilih sintering 1200˚C selama 2 jam adalah temperatur dan waktu sintering

optimum, hal ini ditunjukkan dengan:

a. Spektrum impedansi sintering 1200˚C selama 2 jam berimpit dengan

Spektrum impedansi sintering 1200˚C selama 3 jam serta mempunyai

level yang lebih tinggi secara cukup signifikan dari pada Spektrum

impedansi sintering 1200˚C selama 1 jam sedangkan spektrum impedansi

pada 1300˚C tidak begitu baik. Karena perubahan level SI menunjukkan

perubahan nilai R dan C maka sampel hasil sintering 1200˚C selama 2 jam

diharapkan mempunyai sifat kelistrikan yang baik untuk PTC.

b. Jumlah porositas yang ditemukan lebih sedikit dibandingkan dengan

sintering 1200˚C selama 1 jam dan ukurannya lebih kecil dibandingkan

dengan sintering 1200˚C selama 1 jam. Sehingga diharapkan sifat

mekaniknya berada di antara sintering 1200˚C selama 1 jam dan 3 jam.

Sehingga berdasarkan analisa di atas maka baik kalau dibuat bahan yang

mempunyai sifat yang dapat memperbaiki kekurangan bahan hasilsintering

1200˚C selama 2 jam. Karena mikrostruktur bahan hasil sintering 1200˚C selama

2 jam yang diperoleh belum homogen maka perlakuan berikutnya haruslah

menghasilkan butir yang homogen yang lebih kuat. Perlakuan thermal yang



58/86


49

memenuhi kriteria di atas adalah annealing. Dengan demikian pada bahan hasil

sintering 1200˚C selama 2 jam dilakukan proses annealing pada temperatur

900˚C. Supaya diperoleh sifat yang lebih menyeluruh maka proses annealing pada

temperatur 900˚C dilakukan pada variasi waktu 1, 2 dan 4 jam.

4.2. Setelah proses annealing

Annealing 900˚C

1,201,752,302,853,403,95

dhkl (Å)

I n t e n s i t a s

Series1

Series3

4 jam

2 jam

1 jam

(110)

(310)(220)(211)(200)(111)(100)


annealing pada temperatur 900oC

Hasil grafik XRD Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan perlakuan pemanasan yaitu

annealing pada temperatur 900˚C dengan variasi waktu annealing 1, 2 dan 4 jamditunjukkan pada Gambar 4.14. Sampel untuk proses annealing ini diperoleh dari

sampel hasil proses sintering pada 1200˚C selama 2 jam. Pola-pola kecenderungan

puncak-puncak intensitas mirip dengan grafik hasil XRD bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3



59/86


50

dan setelah dicocokkan dengan data base JCPDS - ICDD ternyata tidak ditemukan

adanya kemunculan fasa baru. Dengan demikian, perlakuan annealing pada

temperatur 900˚C dengan waktu annealing 1, 2 dan 4 jam tidak mengubah fasa

dari sampel (Ba0,5Sr0,5TiO3) yang diuji. Struktur setelah proses annealing adalah

kubus sederhana dengan nilai parameter kisi adalah sebagai berikut:

Tabel 4.6. Nilai parameter kisi (proses annealing pada 900˚C)

900˚C 1 jam 900˚C 2 jam 900˚C 4 jam

3,93Ǻ 3,93Ǻ 3,95Ǻ

Dengan demikian perlakuan annealing tidak mengubah parameter kisi.

Grafik XRD Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan annealing pada temperatur 900˚C

dengan variasi waktu annealing memperlihatkan bahwa semakin lama waktu

annealing akan diperoleh intensitas yang sedikit lebih rendah, hal ini

menunjukkan bahwa semakin lama waktu annealing maka butir (grain) menjadi

semakin halus dan semakin kecil. Sumber radiasi alat XRD yang digunakan

untuk identifikasi Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan annealing pada 900˚C dengan waktu

annealing 1, 2 dan 4 jam menggunakan sumber radiasi Co Kα.



60/86


51

Ba0,5Sr0,5TiO3

1,451,952,452,953,453,95

dhkl (Å)

I n t e n s i t a s

Series1

Series2

Series3

Series4

Annealing 900˚C 2 jam

Sintering 1300˚C 2 jam

Sintering 1200˚C 2 jam

Bubuk Ba0,5Sr0,5TiO3

(211)(210)(200)(111)

(110)

(100)

Grafik 4.15. Perbandingan grafik XRD untuk Ba0,5Sr0,5TiO3 bubuk,

sintering pada temperatur 1200˚C, 1300˚C dan annealing temperatur 900oC.

Grafik 4.15. memperlihatkan perbandingan grafik XRD untuk

Ba0,5Sr0,5TiO3 bubuk, sintering pada temperatur 1200˚C, 1300˚C dan annealing

temperatur 900oC. Grafik tersebut menunjukkan secara lebih jelas bahwa dengan

pertambahan temperatur sintering akan diperoleh intensitas yang semakin tinggi

walaupun kalau dibandingkan intensitasnya lebih rendah daripada bubuk BST.

Intensitas annealing 900˚C terlihat paling rendah dibandingkan grafik yang

lainnya, terlebih bila dibandingkan dengan sintering 1200˚C. Hal ini menunjukkan

bahwa perlakuan annealing mampu menghasilkan butir (grain) yang halus dan

semakin homogen.



61/86


52

Gambar 4.16 merupakan hasil foto SEM untuk annealing 900˚C dan Tabel

4.7. merupakan hasil ukuran butir dan porositas pada sampel.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.16. Hasil foto SEM untuk permukaan sampel

dengan perlakuan annealing 900˚C selama (a) 1 jam (b) 2 jam (c) 4 jam



62/86


53

Tabel 4.7. Ukuran grain dan porositas BST ( annealing 900˚C)

Perlakuan Pemanasan Ukuran Grain

(µm)

Ukuran porositas

(µm)

1 jam 2 - 140 -

2 jam 2 – 120 -

4 jam 1,5 - 110 -

Gambar 4.16 dan tabel 4.7 menunjukkan bahwa semakin lama waktu

annealing akan diperoleh ukuran grain butir menjadi lebih seragam (uniform)

tetapi menjadi semakin kecil dan tidak diketemukan adanya porositas pada

annealing 900˚C serta crack yang ditemukan lebih sedikit. Hal ini disebabkan

karena proses yang terjadi pada proses annealing terdapat proses yang disebut

sebagai recovery yang bermanfaat sebagai pelepasan energi thermal. Selama

proses rekristalisasi, butir yang terjadi menjadi semakin kecil dan diperoleh

butiran yang lebih halus. Selama proses rekristalisasi pula, sifat-sifat mekaniknya

diperbaiki menjadi lebih ulet. Mikrostruktur yang dihasilkan mempunyai butir

yang kecil dan struktur yang lebih seragam.

Proses pendinginan yang lambat dalam furnace berguna untuk mengurangi

perbedaan antara kecepatan pendinginan dan kontraksi thermal antara permukaan

sampel dengan bagian dalam sampel sehingga diperoleh crack yang lebih sedikit

daripada dengan perlakuan sintering 1200˚C.

Sehingga dengan proses annealing dapat digunakan untuk mengurangi

stess thermal yang diketahui dari crack yang terjadi semakin sedikit seturut

dengan peningkatan waktu annealing. Annealing juga mampu memperbaiki

mikrostruktur yaitu dengan indikasi diperoleh butir yang lebih kecil dan seragam.



63/86


54

Hasil foto SEM memperlihatkan bahwa bahan hasil annealing 900˚C mempunyai

butir yang lebih kecil dan homogen, sifat lebih ulet sehingga lebih kuat, crack

yang ditemukan lebih sedikit dan tidak ditemukannya porositas sehingga bahan

hasil annealing 900˚C mempunyai sifat yang lebih baik daripada bahan hasil

sintering 1200˚C dan 1300˚C.

Annealing 900˚C

0

2000

4000

6000

0 500 1000 1500

Z Real (k ohm)

Z I m a j i n e r ( k o h m )

Series1

Series2

Series3

1 jam

2 jam

4 jam


( annealing 900˚C)

Gambar 4.17 menunjukkan Nyquist plot proses annealing. Hasil Nyquist

plot kurva SI tersebut menunjukkan bahwa dengan bertambahnya waktu

annealing menyebabkan kurva Spektrum Impedansi (SI) menjadi semakin

membesar. Hal ini mengindikasikan adanya perubahan nilai resistansi dan

kapasitansi pada sampel. Annealing 4 jam mempunyai SI yang lebih tinggi secara

signifikan dibandingkan annealing 1 dan 2 jam.



64/86


55

Gambar 4.18 menunjukkan variasi Z real terhadap log frekwensi pada

variasi waktu annealing pada 1200˚C. Sebagaimana terlihat pada grafik, nilai Z

real akan naik secara signifikan pada 900˚C 4 jam, dengan demikian dapat

dikatakan bahwa peningkatan waktu annealing akan menaikkan nilai Z real. Hal

tersebut menunjukkan adanya penurunan konduktivitas AC.

Annealing 900˚C

0

2000

4000

6000

-2 -1 0 1 2 3 4

log {f(kHz)}

Z r e a l ( k o h m )

Series1

Series2

Series3

1 jam

2 jam

4 jam

Gambar 4.18. Perbandingan Z real vs log frekwensi ( annealing 900˚C)

Pada Gambar 4.18 terlihat bahwa nilai Zreal pada frekwensi tinggi jauh

lebih kecil dibandingkan dengan frekwensi rendah, hal ini menandakan bahwa

Zreal pada frekwensi tinggi, butiran memberikan kontribusi pada konduksi listrik,

sedangkan pada frekwensi rendah yang berperan adalah pada batas butir. Analisatersebut diperkuat oleh hasil yang diperoleh dari sampel yang diberikan perlakuan

panas, dimana perubahan spektrum impedansi lebih banyak terjadi pada frekwensi

rendah yaitu pada batas butir karena merupakan daerah yang kurang stabil.



65/86


56

4.3. Nilai R dan C

Dengan melihat hasil foto SEM dan model pembuatan kontak untuk

pengukuran impedansi Z maka dapat dikatakan bahwa kontribusi nilai kelistrikan

dari sampel yang diteliti berasal dari butiran (grain), batas butir (grain boundary)

dan daerah antara sampel dengan kontak (interface). Masing-masing mempunyai

nilai elemen listrik yaitu R sebagai hambatan (resistansi) dan C (kapasitansi).

Nilai elemen-elemen listrik tersebut dapat diperoleh dengan memodelkan

rangkaian listrik dari kurva Nyquist dengan fitting menggunakan program

ZsimpWin. Fitting dilakukan dengan pemilihan chi square dan % error yang

terkecil dari rangkaian-rangkaian yang dipilih. Setelah dilakukan fitting untuk

beberapa rangkaian listrik diperoleh rangkaian listrik yang paling cocok yang

merupakan model rangkaian pada sampel adalah seperti pada Gambar 4.19.

Gambar 4.19. Rangkaian listrik ekivalen yang digunakan

Keterangan: R0 = resistansi interface; R1 & C1 = resistansi & kapasitansi butir (ukuran kecil);

R2 & C2 = resistansi & kapasitansi batas butir; R3 & C3 = resistansi & kapasitansi butir (ukuran besar)

Dengan mengacu pada hasil foto SEM untuk semua proses perlakuan

thermal dimana diperlihatkan terdapat butir yang tidak seragam, maka

diasumsikan terdapat 2 (dua) jenis butir yaitu butir berukuran kecil dan butir

R0 R1 R2 R3

C1 C2 C3



66/86


57

berukuran besar sehingga nilai resistansi dan kapasitansi kontribusi butir meliputi

kontribusi butir berukuran kecil yang diwakili R1 & C1 (dimodelkan dengan

R1 //C1) dan kontribusi butir berukuran besar yang diwakili R3 & C3 (dimodelkan

dengan R3 //C3). Sedangkan ko

digital 20236321 t21430 pengaruh temperatur

Documents