Download - Fisika Keramik
BAB II
PEMBAHASAN
1. Keramik Ferroelektrik
1.1 Definisi Ferroelektrik
Definisi Ferroelektrik sebagai gejala polarisasi yang spontan dan
reversibel pada zat padat. Ferroelektrik biasanya menghilang di atas suhu
kritis tertentu, di atas suhu kristal disebut paraelectrik (analogi dengan
paramagnetisme) dan mematuhi hukum Curie-Weiss. Di bawah TC,
polarisasi spontan terjadi pada domain.
gambar 15.12 (a) tanpa tekanan kristal centrosymmetric. Panah mewakili dipol
moment (b) Dikenai tekanan pada kristal tersebut tidak dapat menyebabkan polarisasi.
(c) Tanpa tekanan kristal noncentrosymmetric, yaitu, piezoelektrik. Perhatikan bahwa
struktur ini tidak feroelektrik karena tidak memiliki dipol permanen. (d)
mengembangkan kristal Menekankan polarisasi seperti yang ditunjukkan, (e) kristal
3
4
polar tanpa tekanan, yaitu. feroelektrik, memiliki dipol permanen bahkan dalam keadaan
tanpa tekanan, (f) tekanan kristal feroelektrik. Itu tekanan yang diberikan mengubah
polarisasi dengan ΔP.
1.2 Struktur dari Keramik Ferroelektrik
Secara umum, bahan feroelektrik yang paling penting adalah keramik
basis titanium dengan struktur perovskit seperti BaTiO3 dan PbTiO3.
Berbeda dengan magnetik, bahan feroelektrik melewati fase transisi dari
kisi nonpolar centrosymmetric ke kisi polar noncentrosymmetric pada
suhu TC. Biasanya perovskites ini kubik pada suhu yang tinggi dan
menjadi tetragonal saat suhu diturunkan. Perubahan kristalografi yang
terjadi dalam BaTiO3 sebagai fungsi temperatur dan hasil polarisasi
ditunjukkan pada Gambar. 15.13a.
Hasil dari perubahan dalam dielektrik konstan ditunjukkan pada Gambar.
15.13b, ciri-ciri yang paling menonjol di antaranya adalah peningkatan
tajam dalam k 'di sekitar suhu yang sama sehingga terjadi transisi fase
dari kubik menjadi fase tetragonal. Untuk memahami paraelectrik asal ke
5
feroelektrik transisi dan struktur fase transisi sangat penting untuk
memahami bagaimana medan lokal dipengaruhi oleh polarisasi kisi.
Persamaan (14A.3), yang mengkaitkan medan local Elocuntuk diterapkan
pada medan E, dan polarisasi P dapat tulis:
Di mana adalah ukuran dari peningkatan medan lokal. Dengan
polarisabilitas a berbanding terbalik dengan suhu, yaitu
Dan menggabungkan Pers. (15.41), (14,13), dan (14,14), dapat
menunjukkan bahwa:
Dimana . Membandingkan ungkapan ini dengan hukum
Curie-Weiss [Eq. (15.32)], maka
Dimana C adalah konstanta Curie untuk keramik feroelektrik.
6
Data Tabel 15.6 menunjukkan bahwa untuk titanat dan keramik berbasis
niobat yang konstanta Curie, C, adalah berorde 105K.
Persamaan (15.42) penting karena memprediksi bahwa tanpa adanya fase
transisi, kristal akan menyebar berantakan dengan T mendekati TC, atau
ekuivalen ketika . Sebagaimana dibahas dalam Bab. 2, untuk
setiap ikatan mempunyai komponen tarik dan komponen tolak untuk
energi ikatan total. Jika suhu diturunkan, komponen tolak menjadi lemah ,
maka ikatan tak selaras akan meningkat, seperti yang terlihat dalam
Bab.4, akan meningkatkan besarnya perpindahan ion, yang pada
gilirannya meningkatkan konstanta dielektrik seperti yang diamati.
ketidak selarasan ikatan tidak dapat meningkatkan tanpa batas waktu,
namun pada beberapa suhu kritis energi baik untuk ion Ti4+¿¿di tengah sel
satuan bifurkasio menjadi dua tempat, seperti ditunjukkan pada Gambar.
14.10a. Sebagai ion mengisi satu tempat atau yang lain, interaksi antara
mereka memastikan bahwa semua ion yang menempati tempat yang
sama dapat menimbulkan polarisasi spontan.
2. Kurva Histerisis Ferroelektrik
Selain mengakibatkan k’ sangat besar 'pada Tc, polarisasi spontan
akan menghasilkan loop histeresis, seperti ditunjukkan pada Gambar. 15.14.
pada penerapan bidang rendah. Polarisasi bersifat reversibel dan hampir
linear dengan medan listrik. Pada kekuatan suhu tinggi, polarisasi meningkat
jauh karena beralih dari domain feroelektrik.
7
Kenaikan lebih lanjut di bidang listrik terus untuk meningkatkan
polarisasi sebagai akibat dari distorsi lebih lanjut dari TiO6 oktahedral.
Setelah penghapusan medan listrik, P tidak menuju ke nol tetapi tetap pada
nilai terbatas yang disebut remnant polarization Pr. Nilai remanen
merupakan nilai rapat fluks magnetik yang tersisa di dalam material setelah
medan diturunkan menjadi nol dan merupakan ukuran kecenderungan pola
sifat magnet untuk tetap menyimpang, walaupun medan penyimpang telah
dihilangkan.
Nilai polarisasi dari material dapat dihilangkan dengan menggunakan
sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga dari
medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan
koersif (Ec)
3. Domain Ferroelektrik
Seperti dijelaskan di atas, domain adalah daerah mikroskopis dalam
kristal yang polarisasinya homogen. Namun, berbeda dengan dinding domain
di feromagnetik bahan yang relatif tebal (Gambar 15.6d), dan feroelektrik
yang dinding domainnya sangat tipis (Gambar 15.15). Akibatnya, dinding
energi sangat terlokalisir dan dinding tidak bergerak dengan mudah.
Untuk mengurangi ketergantungan k' pada temperatur. Dengan kata
lain, penting untuk memperluas permitivitas berlawanan dengan puncak
8
temperatur sebanyak mungkin. Salah satu keuntungan yang signifikan dari
keramik ferroelektrik adalah kemudahan sifatnya yang dapat dimodifikasi
dengan menyesuaikan komposisi dan / atau mikro. Misalnya, substitusi Ti
oleh hasil kation lain dalam pergeseran dalam TC, seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 15.16. Mengganti ion Ti4+ dengan Sr2+ mengurangi TC
sementara substitusi dari Pb2+ meningkat. Hal ini sangat bermanfaat karena
memungkinkan untuk menghubungkan
15.15 Ferroelektrik ketebalan dinding domain.
permitivitas puncak dalam kisaran suhu dimana feroelektrik kapasitor akan
digunakan. Selain itu, penambahan tertentu (misalnya. CaZrO3) untuk
BaTiO3 dapat mengakibatkan daerah komposisi variabel yang berkontribusi
pada rentang temperatur Curie sehingga permitivitas tinggi tersebar di rentang
temperatur yang lebih luas.
Kondisi sintering juga dapat memiliki efek penting pada permitivitas.
Penggantian berbagai kation aliovalent seperti LA3 + dan Nb5 + di BaTiO3 juga
telah terbukti dapat menghambat pertumbuhan butir yang, seperti yang terlihat
pada Gambar. 15.17.
9
Gambar 15.16 Pengaruh subsitusi kation di BaTiO3 pada Tc
Gambar 15.17 Pengaruh ukuran butir pada permitivitas BaTiO3.
10
memiliki efek meningkatkan permitivitas bawah Tc. Akhirnya, rendah-valensi
substitusi seperti Mn3+ pada Ti4+ bertindak sebagai akseptor dan
memungkinkan resistivitas- tinggi dielektrik akan disintering dalam tekanan
atmosfer yang rendah.
Contoh dari sejumlah kristal feroelektrik keramik dan beberapa dari mereka
Sifat tercantum dalam Tabel 15.6
4. Keramik Anti – Ferroelektrik
4.1 Definisi antiferroelektrik
Antiferroelectricity adalah sifat fisik dari bahan-bahan tertentu. Hal ini
terkait erat dengan ferroelectricity, hubungan antara antiferroelectricity dan
ferroelectricity analog dengan hubungan antara antiferromagnetisme dan
ferromagnetisme. Bahan antiferroelectric terdiri dari sebuah array (kristal)
yang tersusun dari dipol listrik (dari ion dan elektron dalam bahan), tetapi
dipol yang berdekatan berorientasi berlawanan (antiparalel) arah. Hal ini
dapat dibandingkan dengan feroelektrik, di mana dipol semua titik dalam arah
yang sama.
Dalam antiferroelectrik total polarisasi adalah nol, karena dipol yang
berdekatan saling menghilangkan satu sama lain. Antiferroelectricity adalah
11
properti material, dan dapat muncul atau menghilang (lebih umum,
memperkuat atau melemahkan) tergantung pada suhu, tekanan, medan listrik
eksternal dan lain-lain. Secara khusus, pada suhu cukup tinggi,
antiferroelectricity menghilang, suhu ini disebut titik Curie antiferroelectric.
4.2 Keramik Antiferroelektrik
Keramik Antiferroelektrik memiliki sifat dielektrik nonlinier sehingga
kapasitansi meningkat seiring meningkatnya dengan medan listrik. Dalam
beberapa keramik perovskit, ketidakstabilan yang terjadi pada suhu Curie
bukan feroelektrik melainkan antiferroelectric. Keramik Antiferroelektrik
dapat dipaksa oleh medan listrik berubah menjadi fase feroelektrik. Fase
transisi ini diwujudkan oleh ekspansi di kedua arah longitudinal dan
transversal dan double P~E histeresis loop.
Gambar . hubungan antara polarisasi dan energi
Gambar di atas menjelaskan bahwa (daerah diarsir mewakili kepadatan
energi), bahan antiferroelectric (c) jauh lebih unggul untuk penyimpanan
energi dibandingkan dengan linear dielektrik (a) dan ferroelectrics (b). Sifat-
sifat material (EF, lapangan untuk transisi ke depan, EA, lapangan untuk
transisi mundur, Pm, polarisasi maksimum) menjadi faktor penentu kepadatan
energi dalam aplikasi kapasitor. Selain itu, perilaku mekanik, terutama
resistensi fraktur, dari antiferroelectrics menjadi sangat penting karena
perubahan volume yang terkait dengan fase transisi selama siklus debit.
Contoh kristal antiferroelektrik adalah WO3, NaNbO3, PbZrO3, dan PbHfO3.
12
4.3 Aplikasi Keramik Antiferroelektrik
Ketika keramik antiferroelektrik digunakan sebagai dielektrik dalam
kapasitor penyimpanan energi, kepadatan energi dapat dimaksimalkan
melalui optimalisasi komposisi kimia dan suhu operasi. Selain itu,
pembatasan mekanis yang dihasilkan dengan memanfaatkan elektroda yang
menutupi sebagian permukaan dielektrik dapat lebih efektif meningkatkan
kepadatan energi.
5. Keramik Piezoelektrik
5.1 Definisi Piezoelektrik
Bahan piezoelektrik adalah padatan yang mampu mengkonversi
mekanik energi untuk energi listrik dan sebaliknya. Piezoelektrisitas adalah
sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segmen bahan
menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut yang
disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal.
Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas
atau ditekan dan piezo yang bermakna didorong. Bahan piezoelektrik
ditemukan pertama kali pada tahun 1880‐an oleh Jacques dan Pierre Curie.
Kata piezo berarti tekanan, sehingga efek piezoelektrik terjadi jika medan
listrik terbentuk ketika material dikenai tekanan mekanik.
5.2 Struktur dari Keramik Piezoelektrik
Bahan piezoelektrik adalah padatan yang mampu mengkonversi
mekanik energi untuk energi listrik dan sebaliknya. Hal ini secara skematis
diperlihatkan pada Gambar. 15.19a, dimana penerapan stress mengubah
polarisasi. Ketika kekuatan eksternal diterapkan untuk menghasilkan stress
atau strain dalam keramik, perubahan yang dihasilkan dalam momen dipol,
dan tegangan dikembangkan di seluruh keramik (Gambar 15.19a).
Sebaliknya, penerapan medan listrik akan mengakibatkan perubahan dalam
dimensi dari kristal (Gambar 15.19b).
13
Gambar 15.19 (a) efek piezoelektrik langsung yang polarisasinya diciptakan oleh
stress, (b) Efek terbalik adalah bahwa ketegangan diproduksi sebagai hasil dari
terapan tegangan.
5.3 Bahan-bahan Piezoelektrik
Bahan piezoelektrik yang pertama dikembangkan secara komersial
adalah BaTiO3. Bahan piezoelektrik yang paling banyak dimanfaatkan
didasarkan pada Pb (Ti, Zr) O3.
Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik
ketika dikenai regangan atau tekanan mekanis. Sebaliknya, jika medan listrik
diterapkan, maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan
mekanis. Bahan piezoelektrik alami diantaranya: Kuarsa (Quartz, SiO2),
berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatan diantaranya:
Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead titanate
(PbTiO3) dsb.