Transcript
Page 1: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

Resensi: Bahan Piezoelektrik ramah lingkungan bebas timbal

MardiyantoBBIN-PTBIN, BATAN

Abstrak Bahan piezoelektrik berbasis Lead Zirkonat titanat (PZT) dikenal sebagai

bahan piezoelektrik yang sifatnya sangat baik. Namun, mengingat sifatnya yang

beracun karena terbuat dari bahan timbal dan senyawanya sebagaimana dinyatakan

dalam undang-undang yang disahkan oleh Uni Eropa mengenai efek ini maka

penggunaannya sedikit demi sedikit dikurangi dan dicari alternative penggantinya.

Sehingga ada kesadaran umum untuk pengembangan bahan piezoelektrik ramah

lingkungan bebas timbale. Beberapa jenis bahan saat ini sedang diteliti sebagai

alternatif berpotensi pengganti PZT. Dalam tulisan ini, telah dilakukan upaya untuk

meninjau perkembangan terakhir bahan piezo bebas timbal yang menekankan pada

preparasi, hubungan struktur-karakteristiknya, dll. Dalam hal ini, sistem perovskite

seperti sodium bismut titanat, alkali niobates (ANbO3), dll dan non-perovskites seperti

ferroelectrics lapisan-terstruktur bismuth ditinjau secara rinci. Dari penelitian di atas,

dapat disimpulkan bahwa ada beberapa komposisi bahan piezoelektrik bebas timah

yang menunjukkan sifat piezoelektrik yang stabil meskipun sifatnya belum sebanding

dengan bahan PZT. Hal inilah yang menjadi stimulan untuk menumbuhkan adanya

penelitian mengenai bahan alternatif tersebut. Saat ini topik tersebut sangat menarik

untuk para peneliti seluruh dunia sebagaimana terbukti dari besarnya jumlah publikasi

penelitian. Hal ini telah memotivasi untuk mengeluarkan sebuah artikel dengan

pandangan bahwa itu akan memberikan dorongan lebih lanjut untuk para peneliti

yang sudah bekerja di bidang ini dan juga menarik perhatian yang lain.

I. Pendahuluan

Fenomena Piezoelektrisitas (tekanan listrik) telah ditemukan oleh Peraih

Nobel yakni Pierre Curie dan Jacques pada tahun 1880 [1] selama mereka

melakukan studi tentang pengaruh tekanan yang menghasilkan muatan listrik oleh

kristal seperti kuarsa, turmalin, dan garam Rochelle. Munculnya muatan listrik

akibat adanya tekanan mekanik pada suatu bahan atau fenomena sebaliknya

disebut sebagai efek piezoelektrik. Rendahnya kepiezoelektrisitasan bahan

Page 2: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

tersebut adalah merupakan kelemahan utama dari bahan piezoelektrik alam.

Sebuah terobosan besar terjadi pada saat ditemukannnya bahan piezoelektrik PZT

dan BaTiO3 pada tahun 1950 [2,3] dan keluarga bahan ini memperlihatkan

tingginya harga konstanta dielektrik dan sifat piezoelektriknya. Sampai saat ini,

bahan-bahan tersebut adalah bahan-bahan yang paling banyak dieksploitasi dan

digunakan secara intensif sebagai bahan piezoelektrik, memiliki tempat istimewa

di bidang material sains dan teknik. Mereka banyak digunakan sebagai sensor dan

perangkat aktuator [4-7], kapasitor multi-lapis, sebagai hydrophones, dll dengan

pasar diperkirakan puluhan miliaran dolar di seluruh dunia. Namun oksida, timbal,

yang adalah komponen dari PZT, yang sangat beracun dan pengaruh racunnya

semakin meningkat karena sifatnya yang mudah menguap pada suhu tinggi

terutama selama proses kalsinasi dan sintering sehingga menyebabkan terjadinya

pencemaran lingkungan [8].

Menurut perkembangan akhir-akhir ini, Uni Eropa (EU) berencana untuk

membatasi penggunaan bahan-bahan berbahaya seperti bahan timbal dan logam

berat lainnya. Namun demikian untuk bahan piezoelektrik belum ada bahan yang

kualitas kepiezoelektrisitasannya sebanding dengan PZT, oleh karena itu

penggunaannya masih terus berlanjut. Kondisi ini tidak boleh terus berlangsung,

oleh karena itu badan pembuat aturan tersebut tentu saja memberikan apresiasi

yang tinggi terhadap para peneliti untuk mengembangkan bahan piezoelektrik

yang bebas dari timbal sebagai alternatif terhadap bahan piezoelektrik yang

berbasiskan bahan timbal. Sudah ada usaha dari para peneliti untuk

mengembangkan bahan tersebut namun sifatnya masih belum mendekati kualitas

dari bahan piezoelektrik berbasiskan bahan timbal. Pada dasarnya bahan

piezoelektrik berbasiskan non-timbal adalah (1) bahan yang mempunyai struktur

kristal perovskite seperti BNT, BaTiO3(BT) , KNbO3, NaTaO3 dan lain

sebagainya (b). non-peroskite seperti bahan ferroelektrik bismuth lapisan

terstruktur (BLSF), bahan ferroelektrik tungsten-bronze dan lain sebagainya.

Bahan peroveskite kelihatannya sesuai untuk aktuator dan aplikasi-aplikasi daya

tinggi sedangkan BLSF kelihatannya sesuai untuk filter keramik atau sebagai

resonator. Selain bahan-bahan bebas timbal polikristal terdapat pula bahan bebas

timbal kristal tunggal seperti langasite dan keramik ferroelektrik dengan structure

tungsten-bronze. Bahan ferroelektrik perovskite merupakan bahan kandidat yang

menjanjikan sebagai bahan piezoelektrik bebas timbal karena bahan ini memiliki

Page 3: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

sifat piezoelektrik yang anisotropic dibandingkan dengan bahan ferroelektrik yang

lain. Daftar bahan piezoelektrik bebas timbal beserta karakteristiknya dapat dilihat

pada tabel 1.

Ada dua faktor yang membuat bahan pizoelektrik berbasiskan

timbal memiliki sifat piezoelektrik yang besar. Pertama, adanya

aktivitas stereo-kimia dari 6s2 dari pasangan elektron bebas pada ion timbal

menyebabkan adanya distorsi struktur yang besar dari struktur perovskite kubik yang

menghasilkan coupling kuat antara elektronik dan derajat kebebasan struktural. Bahan

senyawa berbasis bismuth memiliki level ion off centering yang sama atau lebih lebih

besar dibandingkan dengan senyawa yang berbasis timbal, yang disebabkan oleh

pasangan mandiri 6s2 aktif stereo kimia pada ion Bi3+. Hal ini menyebabkan

polarisasi feroelektrik yang besar. Pada kebanyakan bahan ferroelektrik, ion off

centering merupakan kontribusi utama keferroelektrisitasan dari kation di posisi atom

B yang meningkatkan ikatan kimia antara electron valensi pada lintasan orbital d dan

electron orbital 2p dari atom oksigen di sekelilingnya (efek “ second-order Jahn

Teller” (SOJT)) [14]. Bismuth bukan unsur yang beracun pada saat berada dalam

bentuk senyawa oksidanya. Antacid yang merupakan campuran aktif adalah bismuth

salisilate. Beberapa sifat beracun dari unsur timbal akan dibicarakan pada sub-bab

berikut.

Efek racun dari bahan timbal

Gejala-gejala utama dari keracunan timbal adalah kelelahan, sakit pada otot

dan sendi, ketidaknyamanan perut, dll. Beberapa gejala dan tanda-tanda keracunan

timbal ditunjukkan pada Tabel 2. Pasien dengan kesehatan gigi yang buruk mungkin

memperlihatkan garis biru di margin gigi pada gusi karena pengendapan sulfida

timbal. Keracunan timbal telah lama dianggap sebagai bahaya kesehatan lingkungan,

yang menimbulkan efek samping pada pengembangan intelektual dan saraf [15-17].

Rute utama penyerapan pada orang dewasa adalah saluran pernapasan dimana 30-

70% dari timbal dihirup (kebanyakan bentuk anorganik seperti oksida dan garam)

masuk ke dalam peredaran darah sistem. Untuk paparan daerah kerja yang terkendali

dengan cukup baik, nilai timbal darah berkisar antara 1,45 dan 2.4 mol L-1 (30-50 lg

100 ml-1) dengan ketentuan bahwa harus ada pemantauan enam kali per bulan [18,

19].

Page 4: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

Timah memiliki tiga sifat biokimia penting yang berkontribusi terhadap efek

racun pada manusia. Pertama, timah adalah logam elektropositif memiliki afinitas

tinggi terhadap enzim, yang penting untuk sintesis hemoglobin. Kedua, timah divalen

mirip dengan kalsium yang menghambat fosforilasi oksidatif mitokondria sehingga

mengurangi tingkat intelligence quotient. Timbal juga dapat mempengaruhi

transkripsi genetik DNA oleh interaksi dengan nukleat mengikat asam protein [20].

Tindakan awal yang paling penting untuk penanganan keracunan timah adalah

memindahkan rauang kerja pasien dari sumber paparan [21] dan kedua dengan

menggunakan agen chelating (EDTA) yang membentuk senyawa kompleks dengan

timah dan sehingga mudah diekskresikan keluar [22-25].

Dalam makalah ini, disajikan gambaran umum perkembangan saat ini dari

bahan-bahan keramik piezoelektrik bebas timah dan efek berbagai dopan untuk

meningkatkan sifat piezo.

Struktur perovskit bahan feroelektrik bebas timah

Bahan feroelektrik berstruktur perovskit (ABO3) seperti BaTiO3 (BT),

(Bi0.5Na0.5) TiO3 (BNT), KNbO3, NaTaO3, dll dikenal sebagai bahan piezoelektrik

bebas timah. Keramik ini menunjukkan adanya konstanta piezoelektrik yang relatif

besar. Namun umumnya, bahan ini memiliki kelemahan utama yakni rendahnya suhu

Curie (Tc) yang dimilkinya, kesulitan dalam poling dan / atau densitasnya yang

relatif rendah [10]

Sistem BaTiO3

Barium titanat, BaTiO3 (BT) merupakan salah satu perovskites

yang ditemukan pada awal perkembangan bahan piezoelektrik. Memiliki Faktor

kopling elektromekanis (k33) relatif tinggi dan telah digunakan sebagian untuk

aplikasi piezoelektrik seperti sonar walaupun penggunaan utamanya saat ini adalah

masih untuk aplikasi kapasitor. Keuntungan yang diperoleh dari pemakaian bahan ini

adalah mudahnya dalam proses sintesis yakni dengan menggunakan teknik sintesis

yang umum digunakan pada proses sintesis bahan keramik pada umumnya. BT

memiliki suhu Curie yang relatif rendah (Tc = 120 C) sehingga menyebabkan kisaran

daerah suhu kerjanya menjadi sempit jika ingin diaplikasikan bahan sensor/actuator

piezoelektrik. Untuk meningkatkan Tc dari keramik berbasis BaTiO3, telah diselidiki

Page 5: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

sistem biner BaTiO3 - (Bi0.5 K0.5) TiO3 (BKT). Tc dari BKT dilaporkan menjadi

sekitar 380 C [10].

Sistem BaTiO3 - (Bi0.5 K0.5) TiO3 (BKT)

BaTiO3 dan (Bi0.5K0.5) TiO3 dikenal sebagai bahan piezoelektrik bebas

timbal dengan simetri tetragonal. sistem larutan dua padatan, yaitu, (1-x) (Bi0.5 Na0.5)

TiO3-xBaTiO3 (BNBT-100x) dan (1-y) (Bi0.5 Na0.5) TiO3-y (Bi0.5 K0.5) TiO3 (BNKT-

100y) masing-masing telah dilaporkan oleh Takenaka et al. [26] dan Sasaki et al. [27].

Bahan tersebut dilaporkan memiliki komposisi MPB ada di x = 0,06-0,07 untuk

BNBT-100x dan y = 0,16-0,20 untuk BNKT-100y. Sistem BNBT dianggap sebagai

calon yang paling kuatsebagai bahan keramik piezoelektrik bebas timbal karena

larutan padat menunjukkan sifat piezoelektrik yang baik. Dalam penelitian lebih

lanjut, hasilnya telah dilaporkan bahwa telah terjadi peningkatan sifat piezoelektrik

dari keramik (Bi05Na05) 094Ba006TiO3 (disingkat BNBT-6) setelah ditambahkan

bahan Nb2O5 dan CeO2 [28]. Keramik Perovskit tipe ini tampaknya cocok untuk

aktuator dan aplikasi daya tinggi karena harga Tc yang cukup tinggi. Untuk larutan

padat berbasis BaTiO3, yaitu (1-x) BT-xBKT, Tc meningkat dengan meningkatnya

jumlah x. Tabel 3 meringkas suhu Curie (Tc) dan sifat piezoelektrik keramik BTBK

[10].

(Bi0,5 Na0,5) TiO3 sistem

(Bi0,5 Na0,5) TiO3 (BNT) adalah salah satu bahan piezoelektrik bebas timbal

yang penting dengan struktur perovskite yang ditemukan oleh Smolenskii dan

kawan-kawan. [29]. Karena komposisi (Bi1/2Na1/2) TiO3 memperlihatkan sifat

feroelektrik yang kuat dengan polarisasi remanen, Pr = 38 lC/cm2 dan memiliki suhu

Curie, Tc = 320 C, telah dipertimbangkan sebagai alternatif untuk keramik

piezoelektrik bebas timbal untuk menggantikan bahan piezoelektrik berbasiskan

timbal yang masih banyak digunakan [30]. Salah satu kelemahan utama bahan ini

adalah konduktivitas listriknya yang tinggi, sehingga memberikan masalah dalam

proses poling. Selain itu, keramik BNT memerlukan suhu sintering tinggi ([1200 C)

untuk mendapatkan kepadatan yang tinggi. Jadi BNT dianggap sebagai calon keramik

piezoelektrik bebas timbal yang menjanjikan dengan sifat feroelektrik yang sebanding

dengan PZT.

Pengaruh dopan pada keramik BNT

Page 6: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

Untuk sistem BNT murni, harga d33 berada pada kisaran 57- 64 pC / N seperti

yang ditemukan oleh para peneliti yang dinyatakan pada Tabel 4. Sifat piezoelektrik

yang besar diharapkan pada larutan padat BNT dengan batas fase morphotropic

(MPB). Telah dilaporkan bahwa komposisi berbasis BNT dimodifikasi dengan

BaTiO3, BiKTiO3, NaNbO3, BiFeO3, MnO2, Sc2O3, La2O3, CeO2, dll [31-44]

menunjukkan peningkatan properti dan proses poling yang lebih mudah dibandingkan

dengan keramik BNT murni.

Pengaruh La2O3 : Dalam rangka untuk meningkatkan sifat piezo, Herabut dan

Safari [45] mempelajari pengaruh dopan La sebagai aditif dan menyimpulkan bahwa

peningkatan nilai d33 dari 64 untuk 92 pC / N untuk BNT didoping dengan oksida

lantanum 6 mol% (Tabel 5). Sifat piezoelektrik berkurang drastis pada tingkat doping

kurang dari 2 % mol La. Hal ini dikarenakan terjadinya distorsi fase dari fase

rombohedral menjadi pseudo kubik. Selain itu, konstanta dielektrik dan faktor

disipasi pada suhu Curie turun ketika jumlah doping La dalam BNT meningkat.

Pengaruh NaNbO3 : Li et al. mensintesa bahan keramik piezoelektrik bebas timbal

bismut natrium titanat -natrium niobate (BNT-NN), [Na0.5 (1- x) Bi0.5 (1-x)] (Ti (1-

x)-Nbx) O3 menggunakan teknik konvensional [46]. Mereka menyimpulkan bahwa

kenaikan d33 64-88 pC / N untuk 2% mol NaNbO3 dan kemudian berkurang secara

bertahap. Namun, konstanta dielektrik secara bertahap meningkat dengan

meningkatnya kandungan NaNbO3. Ini dihubungkan dengan efek dari aditif lunak

Nb5 yang merupakan doping Ion di posisi atom B Na dan doping aditif keras ion Na

di posisi atom A. Namun, dengan semakin meningkatnya kandungan doping dari

NaNbO3 (x = 0,03-0,05), sifat-sifat piezoelektrik menurun, yang mungkin merupakan

alasan adanya doping dominan ion Na, kondisi ini ditunjukkan pada Tabel 5 [30].

Pengaruh BaTiO3 : BNT-BaTiO3 (BNBT) menunjukkan keberadaan MPB

rombohedral-tetragonal. Takenaka melaporkan bahwa larutan padat berbasis BNT

dengan rombohedral- tetragonal MPB menunjukkan sifat piezoelektrik dan

piroelektrik yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan keramik BNT murni [47].

Telah dilaporkan oleh Wang et al. [48] dan Li et al. [49] bahwa komposisi dekat yang

MPB memiliki sifat piezoelektrik relatif besar (Tabel 6). Mereka sampai pada

Page 7: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

kesimpulan bahwa penambahan BaTiO3 (6 mol% atau 0,06) meningkatkan nilai d33

(d33 = 129 pC / N) dibandingkan dengan BNT murni (d33 = 64 pC / N) [50-52].

Pengaruh dielektrik Sc2O3 Bi2O3: Sifat piezoelektrik, dan feroelektrik larutan

padat berbasis BNT, (1-x) (Bi0.5 Na0.5) TiO3 - x (Sc2O3 Bi2O3) 0,5 juga diselidiki dari

sudut pandang kelompok baru keramik piezoelektrik bebas timbal (Tabel 7) [53].

Efek dari diubahnya ion Bi3 pada sifat dielektrik, piezoelektrik, dan feroelektrik untuk

sistem pseudo-tiga-komponen (Bi1/2 Na1/2) TiO3 bKNbO3 c (Sc2O3 Bi2O3) 0,5 dipelajari

dan mereka menyimpulkan bahwa ion Bi3 itu berpengaruh pada medan koersif, Ec

[54]. Ec menjadi lebih tinggi ketika jumlah modifikasi ion Bi meningkat sehingga

membuat poling sulit. Di sisi lain, medan koersif berkurang

ketika jumlah modifikasi ion Bi berkurang; membuat poling lebih mudah dan harga

k33 relatif lebih tinggi. Maka mereka dapat digunakan sebagai bahan piezoelektrik

bebas timbal unggul atau kandungan timbal rendah karena memberikan kemungkinan

proses poling yang lebih baik keberhasilannya jika dibandingkan dengan keramik

BNT murni. Gambar 1 menunjukkan hubungan fase antara (Bi1/2Na1/2) TiO3,

KNbO3, dan (Sc2O3 Bi2O3) 0,5 pada sistem pseudo-tiga-komponen.

Pengaruh La, Nb, Co : Pengaruh doping non-stoikiometri pada sifat piezoelectric

dan struktur larutan padat berbasis BNT-BT dekat MPB dipelajari oleh Chu et al.

[50]. Penelitian pendahuluan mereka telah menunjukkan bahwa cerium oksida

merupakan aditif yang efektif untuk keramik BN-BT untuk pengembangan sistem

BNT bebas timbal [14]. Dari Tabel 8, mereka menyimpulkan bahwa BNT_BT yang

telah dimodifikasi ini mirip dengan keramik berbasis timbal PZT. Nb5 dapat dilihat

sebagai aditif lunak yang mengarah kepada peningkatan konstanta piezoelektrik,

konstanta dielektrik, dielectric loss, dll. Doping pada ion B dengan Co3 (aditif keras)

dalam sistem ini meningkatkan komposisi ketidak-homogenan, yang menghasilkan

karakter multifase dengan rentang suhu yang relatif lebih lebar. Koefisien

piezoelektrik, d33 dari BNBT6-La dan BNBT6-La-Nb meningkat dengan penambahan

ion La3. Fenomena ini seperti doping lunak dalam kasus keramik berbasis timbal PZT.

Karena ion La3 memiliki jari-jari ionik 1,06 A, akan menggantikan ion Bi3 yang

berada pada posisi A karena valensi yang sama. Penggantian ini akan mengakibatkan

penyimpangan struktur kristal yang menguntungkan reorientasi domain selama proses

polarisasi yang meningkatkan konstanta d33. Untuk BNBT6-Co, d33 naik ke 139 pC /

Page 8: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

N, yang dapat menghasilkan pertumbuhan ukuran butir setelah di-doping dengan ion

Co3 dan nilai tersebut menurun setelah penambahan La.

Pengaruh La2O3 dan CeO2: Beberapa peningkatan lebih lanjut pada sifat

piezoelektrik dilaporkan dengan menambahkan La2O3 dan CeO2. Dari Tabel 8, dapat

disimpulkan bahwa penambahan sebesar 0,5 % mol CeO bersama dengan 0,5% mol

La2O3, nilai d33 meningkat menjadi 129-162 pC / N dan juga meningkatkan harga

konstanta dielektrik menjadi sebesar 625-831. Penambahan CeO2 dilaporkan

memiliki efek ganda untuk meningkatkan sifat keramik piezoelektrik BNBT-6 dan

menurunkan faktor disipasi. Ion Ce3 memiliki harga radius sebesar 1,18 A

menempati posisi ion A yakni ion Ba2 dalam kisi BNBT dan berfungsi sebagai donor

menyebabkan terbentuknya beberapa hole di posisi ion A. Sementara itu, ion Ce4

dengan radius 0,94 A masuk ke dalam posisi ion Ti4 dan menyebabkan terjadinya

perubahan muatan ruang. La2O3 adalah aditif khas bersifat lunak untuk keramik BNT-

BT menempati posisi ion Bi3 atau posisi ion Ba2 [28].

Pengaruh Mn : Nilai maksimum konstanta piezoelektrik 160 pC / N untuk BNBT

didoping dengan 0,56% mol Mn pada suhu kamar [55]. Dari tabel tersebut, juga bisa

terlihat bahwa dengan meningkatnya jumlah dopan, maka Tc menurun dengan cepat.

Ketika jumlah Mn lebih rendah dari 0,56% mol, peningkatan sifat piezoelektrik

sebagian karena penurunan tetragonality dari BNBT. Selain itu, masuknya kation

kecil dalam struktur perovskit normal menyebabkan perubahan struktur kisi dan

meningkatkan gerakan domain 90. Ketika jumlah Mn lebih besar dari 2,6% mol, hal

ini mengakibatkan terjadinya kisi jenuh dalam BNBT dan kelebihan ion Mn

diakumulasi pada daerah batas kisi, sehingga terjadi efek pinning dalam domain.

Ichinose dan Udagawa telah mempelajari bahwa sifat piezoelektrik dari sistem (Bi0.5

Na0.5) -0,87 (Sr0.5 Ca 0.5) 0.13TiO3 adalah dekat dengan komposisi MPB dari sudut

pandang bahan piezoelektrik bebas timbal. MnO ditambahkan sampai 1% wt untuk

sistem ini dalam rangka meningkatkan elektromekanis dan sifat mekanik dari sistem

[56].

Bi0.5 (Na0.5, K0.5) sistem TiO3

Beberapa bahan keramik piezoelektrik bebas timbal

telah dikembangkan untuk menggantikan keramik berbasis PZT untuk bahan

Page 9: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

piezoelektrik ramah lingkungan [57]. Salah satu bahan yang dikembangkan adalah

BNT. Namun, BNT masih belum bisa menggantikan keramik berbasis PZT karena

medan koersif yang dimiliki BNT masih besar dan begitu pula konduktivitasnya yang

tinggi. Baru-baru ini, banyak penelitian dilakukan untuk menyelidiki efek

penambahan sedikit dopan (kation modifikasi) ke dalam keramik BNT seperti Ba, Pb,

Ca, Sr, Ce, Se, NaNbO3, dll dan berhasil mengatasi masalah di atas. Jhang et al.

menyelidiki sifat mikro dan listrik keramik BNT-BKT dengan mengkompensasikan

atom Bi yang disinter pada suhu sekitar 1110 - 1170 C [58, 59]. Dengan naiknya suhu

sintering akan meningkatkan pertumbuhan butir, densifikasi, dan perbaikan sifat

piezoelektrik dan feroelektrik.

Namun, jika suhu ditiingkatkan menjadi 1170 C, sifat piezoelektrik menurun

drastis. Batas fasa morpotropik MPB yang merupakan tahap transisi dari simetri

tetragonal ke rombohedral ditemukan pada BNKT20 dan spesimen BNKT22 yang

disinter antara 1150 dan 1170 C. Sifat listrik yang meningkat juga diperoleh untuk

sampel BNKT22yang disinter pada suhu optimal 1150 C, di mana harga-harga

konstanta d33, Pr, dan K masing-masing adalah 192 pC / N, 19,5 lC/cm2, dan 1007.

Pengaruh Strontium (Sr)

Yoo et al. telah mempelajari pengaruh variasi substitusi Sr pada bahan

keramik bebas timbal sistem Bi0.5 (Na0.84 K0.16) 0.5TiO3 [60] dan menyimpulkan bahwa

struktur kristal spesimen berubah dari tetragonal menjadi tetragonal-rombohedral

MPB dengan penambahan 4-6 mol% Sr. Konstanta piezoelektrik d33, adalah 185 pC

/ N (Tabel 9). Mereka juga mempelajari pengaruh La2O3

pada sifat piezoelektrik dan dielektrik sistem bebas timbal ini dan menyimpulkan

bahwa dengan meningkatnya jumlah dari La2O3, kepadatan dan konstanta dielektrik

meningkat dengan penambahan La2O3 sampai 0,9 % berat dan menurun untuk

penambahan yang lebih besar [27, 61].

Pengaruh NaNbO3

Li dan rekan-nya meneliti sistem ternary BNT-BKT-NN dan mempelajari efek

dari NN pada struktur kristal, sifat dielektrik, feroelektrik, dan piezoelektrik [46].

Hasil penelitian ini dapat ditemukan pada Tabel 10 bahwa nilai d33 menurun dengan

kenaikan jumlah NaNbO3 dan nilainya relatif kecil pada x% = 8 mol. Hal ini karena

Page 10: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

distorsi fase dari rombohedral ke fasa kubik. Sebaliknya jika dibandingkan dengan

sistem binari BNT-NN, d33 dari sistem terner BNT- BKT-NN masih lebih tinggi.

Sistem BNT-Ba (Ti, Zr) O3

Secara umum diketahui bahwa sistem BNT memiliki Tc yang lebih tinggi

daripada BaTiO3 sistem. Banyak ilmuwan telah melakukan penelitian untuk

memperbaiki sifat-sifat piezoelektrik dari keramik berbasis BNT. Salah seorang

peneliti melaporkan bahwa sistem Ba (Ti, Zr) O3 (disingkat sebagai BZT) memiliki

konstanta piezoelektrik yang baik yakni sebesar 236 pC / N pada suhu kamar [62].

Oleh karena itu sistem biner BNT-BZT dipelajari dan sifat diselidiki terjadi/tidaknya

MPB. Keramik padat BNT-BZT (5,69-5,82 g/cm3) dapat diperoleh karena persiapan

proses tersebut diubah, di mana bubuk BNT dan BZT disintesis secara terpisah. Untuk

sistem biner BNT-BZT, piezoelektrik konstanta yang tinggi, yakni d33 = 147 pC / N

diperoleh pada komposisi dekat MPB. Keramik BNT murni menunjukkan nilai Tc

tinggi 310 _C (Tabel 11). Sedikit penambahan BZT, harga Tc nya sangat menurun.

Namun, ketika penambahan BZT melebihi 9% mol maka terjadi sedikit peningkatan

suhu Tc. Alasan mengapa terjadi pergeseran tersebut saat ini belum diketahui,

mungkin dengan penambahan BZT dapat mempengaruhi perubahan struktur mikro

pada saat proses sintering, maka terjadi perubahan suhu Curie sebagai efek kimianya.

BNT-Ba (Ti, Zr) sistem O3

Secara umum diketahui bahwa sistem BNT memiliki Tc yang lebih tinggi

daripada BaTiO3 sistem. Banyak ilmuwan telah dibuka untuk memperbaiki sifat-sifat

piezoelektrik dari BNT berbasis keramik. Salah satunya melaporkan bahwa Ba (Ti,

Zr) O3 (disingkat sebagai BZT) sistem memiliki baik piezoelektrik konstan

sebesar 236 pC / N pada suhu kamar [62]. Oleh karena itu sebuah sistem biner BNT-

BZT dipelajari dan sifat di MPB diselidiki. Keramik padat BNT-BZT (5,69-5,82

g/cm3) yang diperoleh karena persiapan proses tersebut diubah, di mana bubuk BNT

dan BZT disintesis secara terpisah. Untuk sistem biner BNT-BZT, sebuah

piezoelektrik tinggi konstan, d33 = 147 pC / N diperoleh pada komposisi dekat MPB.

The BNT murni keramik menunjukkan nilai Tc tinggi 310 _C (Tabel 11). A

sedikit penambahan BZT Tc yang sangat menurun. Namun, ketika penambahan BZT

melebihi 9% mol ada adalah peningkatan kecil di Tc. Alasan untuk ini pergeseran

Page 11: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

kecil tidak Selain itu jelas pada saat ini, tetapi BZT juga dapat mempengaruhi

evolusi mikro disinter, maka suhu Curie di samping efek kimianya.

Bi (Na, K, Li) sistem TiO3

Lin et al. melakukan penyelidikan lebih lanjut terhadap sistem BNT dengan

menggantikan Na di BNT dengan K dan Li dan sehingga menjadi keramik Bi (Na, K,

Li) TiO3 sebagai kelompok baru sistem berbasis BNT bebas timbal [63]. Berdasarkan

pertimbangan ini, sistem baru dari multi komponen keramik piezoelektrik bebas

timbal Bi (Na, K, Li)-BT juga diusulkan [64]. Tabel 12 menunjukkan bahwa keramik

yang baik disinter pada suhu 1100-1150 C selama 2-3 jam. Keramik dengan jumlah K

tinggi dan menurunkan jumlah Li dan Na memiliki konstanta piezoelektrik d33 relatif

lebih besar yakni (143 pC / N). Ini dapat disimpulkan bahwa dengan meningkatnya

nilai perbandingan K / Li, harga konstanta piezoelektrik juga meningkat. Jumlah K

juga sangat mempengaruhi harga konstanta dielektrik keramik [63].

Telah dipelajari sifat listrik [Bi1-z (Na1-x-y-z)) KxLiy 0,5] BazTiO3

(BN-x/y/z) multikomponen piezoelektrik bebas timbal sistem yang diusulkan oleh

Lin et al. yang disintesa dengan teknik sintesa keramik konvensional [64] (Tabel 13).

Konstanta piezoelektrik d33 memiliki nilai maksimum yakni sebesar 178 pC / N pada

x = 0,15. Nilai maksimum d33 (198 pC / N) dari keramik BN-0.15/0.10/z terjadi pada

z = 0,02. Keramik dengan x = 0,15-0,20 dan z = 0,01-0,04 menghasilkan sifat

piezoelektrik yang lebih baik, mungkin disebabkan oleh komposisinya yang dekat

dengan MPB dimana jumlah arah polarisasi spontan meningkat [65]. Penambahan Li

secara signifikan meningkatkan kinerja sintering, menurunkan suhu sintering keramik

BNT, dan sangat membantu dalam memampatkan keramik berbasis BNT. Lam et al.

juga, mensintesisa bahan piezoelektrik lunak bebas timbal dalam sistem komposit

BNKLT 1-3 [66].

Sistem BNT-BKT-BT

Barium titanat, BaTiO3 (BT), dan kalium bismut titanat, Bi0.5K0.5TiO3

(BKT) yang dikenal bahan piezoelektrik bebas timbal dengan fasa tetragonal.

Hubungan fasa sistem BNT-BT-BKT ditunjukkan pada Gambar. 2. Takenaka dan

Sasaki et al. melaporkan sistem biner BNT-BT dan keramik piezoelektrik BNT-BKT

masing-masing [26, 27, 67]. Li et al. telah menunjukkan bahwa sifat piezoelektrik

yang diinginkan telah diperoleh dengan menambahkan BKT dan BT ke BNT untuk

Page 12: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

membentuk sistem terner BNT-BKT-BT [68]. Mereka juga meneliti sistem terner (1-

3x) BNT-2xBKT-xBT dengan menjaga rasio BKT dan BT konstan (Tabel 14).

Teknik fabrikasi keramik secara konvensional digunakan untuk mempersiapkannya.

Sifat-sifat piezoelektrik dan dielektriknya juga dilaporkan [69]. Mereka

menyimpulkan bahwa konstanta dielektrik dan d33 meningkat dengan meningkatnya

x, mencapai nilai maksimum 150 pC / N pada x 0.035 = dan kemudian menurun. Sifat

ini menunjukkan bahwa komposisi dekat MPB memiliki sifat piezoelektrik dan

elektromekanis yang tinggi mungkin karena peningkatan jumlah polarisasi spontan

dan disebabkan oleh koeksistensi fasa rombohedral dan tetragonal.

Li et al. juga menyiapkan keramik (1-5x) BNT-4xBNT-xBT dengan teknik fabrikasi

keramik konvensional [49]. Kemuadian dipelajari sifat piezoelektrik dan feroelektrik

dari keramik tersebut. Dari studi tersebut kesimpulan bahwa konstanta piezoelektrik

d33 mencapai nilai maksimum sebesar 149 pC / N pada x = 0,03. Dari sifat ini

menunjukkan bahwa komposisi dekat MPB aktivitas piezoelektrik yang relatif tinggi.

Keramik piezoelektrik bebas timbal 0,90 (Bi0.5Na0.5) TiO3-0,05 (Bi0.5K0.5) TiO3-

0.05BaTiO3 (disingkat BNT- BKT-BT5) baru-baru ini telah digunakan sebagai

elemen dalam aktuator simbal dengan topi titanium. Ditemukan bahwa aktuator

simbal keramik bebas timbal telah memiliki harga koefisien piezoelektrik yang wajar

dan kepadatan rendah. Oleh karena itu kinerjanya sebanding dengan yang dibuat

dengan keramik PZT keras [70].

Alkali niobates

KNbO3 berbasis keramik

Matthias menemukan sifat ferroelectricity dalam bahan kalium niobate,

KNbO3 [71]. Alternatif bahan keluarga perovskite bebas timbal dengan rumus umum,

ANbO3 (A = alkali logam) telah diusulkan oleh para peneliti pada 1950-an dan

1960 [9]. KNbO3 (KN) memiliki simetri ortorombik di suhu kamar, dan kristal

tunggal KN diketahui memiliki aktivitas piezoelektrik tinggi. Hal ini diketahui bahwa

KNbO3 dan senyawa terkait memiliki suhu Curie tinggi (Tc = 435 C) dan sifat

piezoelektrik yang baik.

KNbO3-NaNbO3 sistem

Page 13: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

(K, Na) NbO3 (disingkat KNN) dianggap sebagai salah satu calon keramik

piezoelektrik bebas timbal yang paling menjanjikan. Ini adalah larutan padat

feroelektrik KNbO3 dan antiferroelectric NaNbO3, menunjukkan temperatur Curie

(Tc = 420 _C), sangat tinggi, sifat feroelektrik baik (Pr = 33 lC/cm2), dan faktor

kopling elektromekanis yang besar [72]. Diagram fase untuk sistem KNN

ditunjukkan pada Gambar. 3. Data piezoelektrisitas untuk bahan yang disinter dalam

udara bebas berada pada kisaran d33 = 80 pC / N dan kepadatan sampel adalah sekitar

4,25 g / cc [2]. Salah satu hambatan utama untuk pengembangan natrium kalium

niobates (KNN) sebagai bahan piezoceramic komersial dengan metode konvensional

adalah kesulitan dalam pengolahan dan densifikasinya. Selanjutnya, volatilitas kalium

oksida membuat sulit untuk menjaga stoikiometri. Untuk mengoptimalkan kondisi

pengolahan dan untuk mendapatkan sifat produksi ulang, keramik KNN didoping

dengan bahan cocok yang tepat. Matsubara et al. [73] dan Seo et al. [74] menemukan

bahwa penambahan CuO sangat meningkatkan sinterability keramik berbasis KNN.

CuO sering digunakan karena titik lebur yang rendah dan membentuk fase cairan.

Park et al. [75] telah menjelaskan pengaruh CuO pada keramik KNN secara

panjang lebar. Mereka mengamati bahwa penambahan CuO menurunkan suhu

sintering KNN sehingga di bawah 1000 C dalam rangka untuk mencegah penguapan

Na2O dan akhirnya memperbaiki sifat-sifat piezoelektrik dengan meningkatkan

efisiensi pollingnya. Bila sejumlah kecil CuO ditambahkan, akan terbentuk struktur

mikro padat dengan ukuran butir yang membesar. Sintering fasa cair dianggap

bertanggung jawab atas pengembangan struktur mikro padat. Cu2 menggantikan ion

Nb5 dan membentuk kekosongan oksigen untuk menjaga netralitas muatan. Cacat

dipol yang terdiri dari ion Cu2 dan lowongan oksigen memberikan efek pinning, yang

akhirnya mengubah keramik NKN ke bahan keras. Suhu Curie dan Ec sedikit

meningkat dengan penambahan CuO

Bernard et al. [76] menemukan bahwa densifikasi dari keramik KNN

dapat ditingkatkan dengan penambahan sejumlah kecil (0,5-4% massa) germanate,

yang meleleh pada suhu sekitar 700 C. Keramik KNN yang dimodifikasi dengan

Germanate-dapat di sintering sehingga memliki kepadatan yang tinggi (95,6% TD)

pada suhu 1000 C tanpa menurunkan sifat piezoelektrik.

Egerton dan rekan kerjanya melaporkan sifat listrik dari kalium natrium

niobates, sistem KNbO3-NaNbO3 (KNN) di mana mereka menunjukkan harga

konstanta dielektrik yang relatif rendah dalam rentang komposisi yang luas.

Page 14: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

Oleh karena itu untuk mencapai densifikasi yang cukup, keramik KNN ditekan dalam

kondisi panas (* 99% dari densitas teoritis) telah dilaporkan memiliki suhu Curie

tinggi (Tc = 420 C), konstanta piezoelektrik longitudinal besar (d33 = 160 pC / N),

dan koefisien kopling planar tinggi (kp = 45). Sampel KNN disinter secara

konvensional dalam udara dalam rangka mencapai kerapatan yang tinggi lebih dari

95% yang menghasilkan sifat piezoelektrik unggul (d33 = 100 pC / N) dari yang

diperoleh dengan metode yang sama seperti yang dilaporkan sebelumnya [77]. Perlu

diperhatikan bahwa, bahan KNN yang disintesa dengan sintering plasma percikan

menghasilkan dielektrik piezoelektrik yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang

disintesa dengan metoda konvensional (K 700 * dan d33 * 148 pC / N) [78, 79].

Baru-baru ini, Saito dan kawan-kawan telah membuat keramik berbasis KNN

tertekstur dengan metode -pertumbuhan butiran reaktif yang menghasilkan d33 nilai

setinggi 416 * pC / N [80]. Perbandingan sifat dari alkali niobat (ANbO3) yang

diperoleh dengan berbagai metode pengolahan diberikan dalam Tabel 15.

Pengaruh dopan pada keramik berbasis Kalium natrium niobate (KNN) juga

dipelajari karena merupakan bahan bebas timbal yang menjanjikan dengan harga

konstanta dielektrik rendah dan koefisien kopling elektromekanis tinggi. Namun, sulit

untuk mempersiapkan keramik KNN dengan kepadatan tinggi dengan teknik sintering

konvensional. Sintering dapat diaktifkan dengan penambahan ion Nb5 atau Mg2 dalam

kisi kristal sehingga menghasilkan sampel kepadatan tinggi [81-84].

(I) Pengaruh LiTaO3 dan LiSbO3: Pengaruh dimasukkannya LiTaO3 pada

struktur, tahap transisi perilaku dan sifat listrik dari sistem KNN telah

dipelajari [85-90]. Diperoleh bahwa Ta men-substitusi Nb mengubah

sifat-sifat KNbO3 dan penulis juga menunjukkan bahwa jumlah kecil Ta

untuk Nb bisa meningkatkan sifat keramik piezoelektrik KNN [72, 91].

Saito et al. [92] juga mengembangkan sistem bebas timbal mengandung

campuran dari niobate basa (Tc = 415? C) berdasarkan larutan padat

dengan LiTaO3 (Tc = 615? C). Sistem ini memberikan respon

piezoelektrik baik dengan d33 sebesar 230 pC / N. Penambahan LiSbO3

ke sistem di atas meningkatkan d33 menjadi 373 / pC N [80]. Banyak

penulis telah mempelajari pengaruh LiSbO3 (LS) pada keramik KNN

murni [93-95]. Yang et al. [93] mempelajari pengaruh LS pada keramik

KNN murni dan melaporkan bahwa peningkatan jumlah LS, harga kp dan

d33 keramik awalnya meningkat, dan kemudian mulai menurun pada

Page 15: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

konsentrasi LS yang lebih tinggi.

Selain itu, penelitian dielektrik mengungkapkan bahwa Tc bergeser ke

arah daerah suhu yang lebih rendah dan feroelektrik normal KNN berbasis

keramik berubah menjadi relaxor feroelektrik oleh meningkatkan

kandungan LS. Keramik piezoelektrik KNN-LS bebas timbal adalah bahan

yang menjanjikan untuk diaplikasikan sebagai transduser elektromekanik.

Pengaruh ion lain seperti Ag, Nb, Ta, Bi, Cu, Ca, dll dan kombinasi dua

atau tiga kation pada keramik KNN-LS juga dipelajari oleh banyak penulis

[96-108] dan hasil yang menjanjikan juga telah dilaporkan. Wang et al.

melaporkan bahwa penambahan Ag dalam keramik KNN-LiTaO3

meningkatkan suhu Curie (Tc = 438? C) dan sifat piezoelektrik (d33 = 252

pC / N) dari keramik dengan teknik sintering normal [109].

(II) Pengaruh ion alkali tanah: Pengaruh dopan jumlah rendah alkali tanah,

(0,5%.) Mg2, Ca2, Sr2, dan Ba2 pada KNN sintesis larutan sinterability

padat, dan respon fungsional dari keramik yang sesuai juga dipelajari oleh

penulis yang berbeda [110-113]. Mereka dipilih atas dasar kesamaan jari-

jari ion dengan unsur K dan Na. Chang et al. [114] mengamati bahwa

penambahan Ca2 dan Sr2 untuk KNN dapat membuat parameter kisi

meningkat, meningkatkan kerapatannya, menurunkan suhu fase transisi,

dan meningkatkan sifat listrik. Namun, penambahan Mg2 untuk KNN

dapat menurunkan parameter kisi dan kepadatan, meningkatkan Tc, dan

sifat listrik yang sangat memburuk. Penambahan Ba2 untuk KNN dapat

meningkatkan parameter kisi, menurunkan densitas, penurunan

suhu fase transisi, dan juga secara signifikan sifat listrik yang memburuk.

(III) Pengaruh BaTiO3: BaTiO3 adalah salah satu bahan feroelektrik khas yang

menunjukkan sifat piezoelektrik yang besar, namun rendahnya Tc

membatasi peng-aplikasiannya. Namun, dengan penambahan BaTiO3 pada

Na1-xKxNbO3, dapat diantisipasi bahwa larutan padat akan menunjukkan

Tc relatif tinggi dengan sifat piezoelektrik yang sebanding dengan [115

116] BaTiO3 .

Bahan ferroelectrics bebas timbal dengan struktur Non-perovskit

Ferroelectrics bismuth lapisan-terstruktur

Page 16: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

Oksida dengan jenis struktur Aurivillius dengan rumus umum Bi2An-1BnO3n+3

yang terdiri dari lapisan n-perovskit [An-1 BnO3n+1]2- terjepit di antara lembaran bismut

oksida [Bi2O2]2+ yang berada di bawah BLSF. Lapisan perovskit bisa menjadi satu,

dua, tiga, atau unit perovskit yang lebih tebal. Masing-masing menghasilkan tipe

struktur yang terpisah, namun memiliki lapisan antara berupa lapisan perovskit bismut

oksida [117]. Kemungkinan substitusi ke posisi lapisan oksida bismut Bi oleh p-

kation lain yang memiliki sepasang elektron aktif stereo-kimia tunggal, seperti Pb2,

Sb3 , dan Te4 telah dilaporkan. Bi3NbTiO9 adalah contoh dari senyawa tersebut karena

Tc tinggi (914 _C), namun memiliki efek piezoelektrik yang sangat lemah. The d33

maksimum dilaporkan untuk salah satu komposisi struktur lapisan adalah 25 pC / N

[2]. Keluarga BLSF sangat menarik untuk diteliti dari sudut pandang aplikasinya

sebagai bahan elektronik seperti dielektrik, piezoelektrik, dan / atau piroelektrik.

BLSF adalah ditandai dengan rendahnya harga konstanta dielektriknya, tinggi

temperatur Curie (Tc), dan anisotropi faktor kopling elektromekanis yang besar. Oleh

karena itu, keramik BLSF dapat dipandang sebagai calon unggul untuk bahan

piezoelektrik bebas timbal yang diaplikasikan sebagai sensor piezoelektrik suhu

tinggi Tc, filter, resonator, dan / atau sensor piroelektrik dengan figure of merit yang

besar [10].

Sistem BLSF berbasis Bi4Ti3O12

Bismuth titanat, Bi4Ti3O12, adalah jenis BLSF yang sudah banyak dikenal.

Mengenai anisotropi, Cross dan Pohanka [118] melaporkan bahwa kristal tunggal BiT

memiliki sifat piezoelektrik yang baik. Namun, sulit untuk mengukur sifat

piezoelektrik pada kristal tunggal BiT karena strukturnya yang tipis. Pada sisi lain,

sifat piezoelektrik sepenuhnya dapat diandalkan keramik BiT belum dilaporkan

karena beberapa masalah seperti resistivitas rendah dan medan koersif besar. Untuk

memecahkan masalah ini, ion Nb5 dan V5 telah di-doping-kan ke keramik BiT untuk

memperoleh resistivitas yang lebih tinggi [22].

Sistem BLSF berbasis Bi3TiTaO9

Lapisan-terstruktur ferroelectrics Bismuth dari jenis, Bi3TiNbO9 dan

CaBi2Ta2O9, memiliki Tc yang sangat tinggi di atas 800 C [2]. Dari data ini

menunjukkan bahwa faktor kualitas mekanis tinggi (Qm) diperoleh dengan bahan

Page 17: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

BLSF dengan Tc tinggi membuat mereka cocok untuk transduser elektromekanik

diperlukan untuk strain gauge, getaran, dan kebisingan dalam kondisi suhu tinggi.

Dengan konsep ini, dielektrik, feroelektrik, dan sifat piezoelektrik Bi3TiTaO9

(BTT) berdasarkan sistem larutan padat dengan Tc tinggi juga diselidiki [10]. Para

penulis telah mempelajari bahwa dalam komposisi dimana posisi Sr tersubstitusi, ada

variasi dari suhu transisi fasa dengan ukuran jari-jari ionik dan jumlah pengubah

(modifier), tetapi tidak ada puncak konstanta dielektrik ekstra yang teramati [119].

Non-perovskite bebas timbal dengan struktur perunggu tungsten- bronze

Sejumlah ferroelectrics yang mempunyai potensi komersial tinggi berstruktur

kalium tungsten-perunggu AxB2O6. Beberapa contohnya adalah BaNb2O6, SrNb2O6,

SrxBa1-x Nb2O6, jenis AB2O6, dll keramik piezoelectric dengan struktur tungsten-

perunggu yang berpotensi sebagai sensor patch sensing, kristal tunggal untuk

penggunaan elektro-optik, dll. Matsuo dan kawan-kawan mempelajari pengaruh

doping La2O3 pada Sr2-xCax-NaNb5O15 dan menyimpulkan bahwa diperoleh harga-

harga konstanta dielektrik sebesar 1662, suhu Curie 298 C, polarisasi spontan 10,7

lC/cm2 dan konstanta piezoelektrik 138 pC / N. Sifat-sifat piezoelektrik keramik

berbasis SCNN menunjukkan bahwa mereka adalah kandidat yang baik untuk aplikasi

sensor [120-123]. The studi yang menyelidiki sifat kelistrikan keramik piezoelektrik

padat bebas timbal dalam sistem (1-x) Sr2NaNb5O15 - xCa2NaNb5O15 (SCNN) dengan

x mulai dari 0,05-0,35 juga telah dilaporkan. Sifat ferroelektrik dan piezoelektrik

SCNN sangat tergantung pada kandungan Ca. Komposisi dengan x = 0,15

menghasilkan bahan dengan konstanta piezoelektrik d33 = 96 pC / N. Studi ini

tampaknya menunjukkan bahwa keramik piezoelektrik bebas timbal SCNN memiliki

potensi untuk aplikasi elektromekanik.

Metodologi Pengolahan keramik piezoelektrik

Pembuatan keramik piezoelektrik yang paling umum dimulai

dengan persiapan bubuk. Bubuk tersebut kemudian dipress

dalam bentuk dan ukuran sesuai dengan yang diperlukan, dan selanjutnya diproses

untuk keramik mekanis yang kuat dan padat.

Langkah selanjutnya adalah permesinan, electroding, dan poling yakni aplikasi

Page 18: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

medan DC untuk mengarahkan dipol dan menginduksi

piezoelektrik. Persiapan serbuk yang paling umum adalah rute campuran oksida.

Dalam proses ini, bubuk ditimbang secara stoikiometri yang sesuai dengan konstituen

campuran oksida. Pencampuran bubuk dilakukan dengan penggilingan dengan milling

kering atau basah, kedua metode memiliki kelebihan dan kelemahan: bola milling

basah lebih cepat dari pada milling kering; Namun, kerugian adalah perlu proses

tambahan untuk menghilangkan cairan. Lebih baik digunakan milling dengan metoda

getaran dari pada ball milling konvensional.

Tergantung pada aplikasi, berbagai dopan digunakan untuk menyesuaikan

sifat-sifat bahan yang diinginkan. Aditif yang menggantikan atom pada posisi A

cenderung menurunkan faktor disipasi, yang mempengaruhi pembentukan panas,

tetapi juga menurunkan koefisien piezoelektrik, karena alasan ini, mereka sebagian

besar digunakan dalam frekuensi ultrasonik tinggi dan aplikasi lainnya. Dopan ke

posisi atom B meningkatkan koefisien piezoelektrik tetapi juga meningkatkan

konstanta dielektrik dan rugi-rugi. Mereka digunakan sebagai aktuator dalam getaran

dan kontrol kebisingan, benders, aplikasi positioning optik, dll

Terlepas dari metode pencampuran oksida secara konvensional, bahan piezoelektrik

bebas timbal ini juga dilakukan dengan berbagai kimia kimia seperti dengan sol-gel,

kimia basah, co-presipitasi, dll, mirip dengan metode pengolahan untuk sintesis PZTs.

Proses kalsinasi adalah sangat penting dalam pengolahan keramik PZT.

Selama proses kalsinasi bahan organik, air atau bahan yang mudah menguap lainnya

dapat dihilangkan dan pembentukan fase yang diinginkan bisa terjadi. Struktur Kristal

dikonfirmasi dengan menggunakan difraksi sinar-X. Setelah

kalsinasi, bahan pengikat/binder ditambahkan ke bubuk dan dipadatkan menjadi pelet.

Kemudian pelet disinter pada temperatur yang bervariasi antara 1100 dan 1200 0C.

Setelah proses sintering maka dilakukan pemasangan elektroda (pasta silver) dan

tegangan tinggi DC digunakan untuk mengarahkan domain dalam keramik

polikristalin. Konstanta dielektrik dan sifat piezoelektrik diukur setelah proses poling.

Dengan teknik pemrosesan ini akan timbul beberapa ketidak-pastian, salah

satunya adalah adanya penyimpangan dari sifat stoikiometeinya. Sifat-sifat

piezoelektrik dan dielektrik juga mengalami penyimpangan yang diakibatkan oleh

ketidak-homogenan saat pencampuaran. Hal yang selanjutnya perlu dilakukan adalah

membuat agar proses pengepresan dilakukan sekompak mungkin. Untuk informasi

lebih lanjut mengenai proses preparasi sampel bisa dilihat pada paper yang ditulis

Page 19: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

oleh Jaffe dan kawan-kawan [2] dan Moulson dan Herbert [124]. Metoda pemrosesan

yang lain adalah metoda hidrothermal dan metoda co-presipitasi yang dijelaskan pada

daftar pustala [125–129].

Komentar-komentar penting :

Bahan piezoelektrik bebas timbal sangat menarik yang akan

digunakan sebagai calon pengganti bahan piezoelektrik PZT yang

telah banyak digunakan dimana bahan ini tidak ramah lingkungan

terutama pada saat proses pembuatannya. Oleh karena itu bahan

bebas timbal ini menjadi topik utama penelitian dari para peneliti di

seluruh dunia.

(1) BNT dipandang sebagai salah satu kandidat utama bahan

bebas timbal yang mempunyai suhu Tc sebesar 320 0C, begitu

juga harga polarisasi remnannya yang cukup tinggi yakni Pr =

381 C/cm2 dan medan koersif Ec = 73 kV/cm. Namun

demikian BNT belum bisa setara dengan PZT karena harga

medan koersif yang tinggi dan konduktivitasnya yang tinggi.

Oleh karena itu para peneliti berusaha mencari bahan dopan

yang diharapakan bisa memperbaiki sifat BNT sehingga bisa

setara dengan PZT.

(2) Sebagai tambahan, para peneliti telah mengembangkan

sistem multi-komponen yang mempunyai sifat piezoelektrik

yang lebih baik dibandingkan dengan sistem biner seperti

BaTiO3, KNbO3 yang dikombinasikan dengan bahan yang

berstruktur rhombohedral agar terbentuk sistem dengan

aktivitas MPB yang tinggi.

(3) Kerapatan bahan piezoelektrik bebas timbal hanya sebesar

setengah kali kerapatan dari bahan PZT. Oleh karena itu sifat-

sifat piezo khusus yang efektif persatuan berat dari bahan

bebas timbal adalah setengahnya jika dibandingkan dengan

bahan PZT. Sebagai contoh, harga konstanta d33 150 pC/N

untuk bahan bebas timbal sedangkan untuk PZT adalah 280-

300 pC/N.

Page 20: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

(4) Bahan bebas timbal seperti BNT, NaNbO3, KNbO3 dan

lainnya sebenarnya juga telah disintesa sejak tahun 1950an

bersamaan dengan bahan PZT. Namun karena adanya sifat

yang luar biasa dari bahan PZT maka para peneliti lebih suka

bekerja dengan bahan PZT. Sehingga hanya sedikit penelitan

yang menggunakan bahan bebas timbal. Pada awalnya

penelitian bahan PZT juga mempunyai sifat piezo yang

rendah dan baru meningkat setelah adanya penambahan

bahan dopan. Oleh karena itu penelitian yang sama perlu

dilakukan untuk bahan bebas timbal paling tidak agar bisa

mendekati kualitas bahan PZT.

Kesimpulan :

Bahan-bahan piezoelektrik bebas timbal yang memiliki sifat

dielektrikum dan piezoelektrik mempunyai struktur peroveskite dan

keramik lapisan terstruktur bismuth (BLSF) banyak diteliti sebagai

calon pengganti bahan PZT yang tidak ramah lingkungan. Kelurga

Soidium Potasium Niobat (KNN) dan bismuth natrium titanat (BNT)

yang memiliki struktur perovskite tampaknya menjadi calon bahan

piezo bebas timbal yang paling tepat untuk bahan aktuator dan

aplikasi dengan daya tinggi serta memliki konstanta piezo d33

sebesar 150 pC/N dan suhu Tc sebesar sekitar 300 0C. Untuk

aplikasi pada suhu tinggi (600 0C) maka digunakan senyawa lapisan

bismuth yang mempunyai stabilitas sifat piezo yang bagus

sehingga menjadi calon bahan piezoelektrik untuk sensor. Bahan

piezo bebas timbal yang digunakan untuk menggantikan bahan PZT

perlu memiliki sifat-sifat khusus yang disesuaikan dengan

kebutuhan atau aplikasinya.

References1. Curie J, Curie P (1880) Bulletin de la Societe Mineralogique de France 3:902. Jaffe B, Jaffe H, Cook WR (1971) Piezoelectric ceramics, 1st edn. Academic Press, London

Page 21: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

3. Haertling GH (1991) In: Buchanan RC (ed) Piezoelectric and electro-optic ceramics in ceramic materials for electronics, 2nd edn. Marcel Dekker, New York4. Uchino K (1993) Mater Res Bull 18:425. Newnham RE (1998) Functional composites for sensors and actuators: smart materials. The Pennsylvania Academy of Science, PA, USA 5060 J Mater Sci (2009) 44:5049–50626. Sahoo B, Jaleel VA, Panda PK (2006) Mater Sci Eng B 126:807. Sahoo B, Panda PK (2007) J Mater Sci 42:4270. doi:10.1007/s10853-006-0687-28. Yugong W, Zhang H, Zhang Y, Jinyi M, Daohua X (2003) J Mater Sci 38:9879. Ringgaard E, Wurlitzer T (2005) J Eur Ceram Soc 25:270110. Takenaka T, Nagata H (2005) J Eur Ceram Soc 25:269311. Yi L, Moon K, Wong CP (2005) Science 308:141912. Shimamura K, Takeda H, Kohno T, Fakuda T (1996) J Cryst Growth 163:38813. Hill NA, Rabe KM (1999) Phys Rev B 59:875914. Halasyamani PS, Poeppelmeier KR (1998) J Chem Mater 10:275315. Gordon JN, Taylor A, Bennette PN (2002) Br J Clin Pharmacol53:45116. Barltrop D, Smith AM (1985) Postgrad Med J 51:77017. Rabinowitz MB, Wetherill GW, Kopple JD (1976) J Clin Invest58:26018. Courtney D, Meekin SR (1985) Occup Med 35:12819. Control of Lead at Work Regulations (1998) London: TheStationery Office Ltd20. Goering PL (1993) Neurotoxicology 14:4521. Baldwin DR, Marshall WJ (1999) Ann Clin Biochem 36:26722. Kety SS (1942) J Biol Chem 142:18123. Leckie WJH, Tompsett SL (1958) Q J Med 27:6524. Aposhian HV (1983) Ann Rev Pharmacol Toxicol 23:19325. Graziano JH, Siris ES, Lolacono N, Silverberg SJ, Turgeon L(1985) Clin Pharmacol Ther 37:43126. Takenaka T, Maruyama KI, Sakata K (1991) Jpn J Appl PhysPart 1(30):223627. Sasaki A, Chiba T, Mamiya Y, Otsuki E (1999) Jpn J Appl PhysPart 1(38):556428. Wang XX, Chan HLW, Choy CL (2005) App Phys A Mater SciProcess 80:33329. Smolenskii GA, Isupov VA, Agranovskaya AI, Krainik NN(1961) Sov Phys Solid State 2:265130. Li YM, Chen W, Xu Q, Zhou J, Sun HJ, Xu R (2004) Mater SciEng B 112:531. Takenaka T, Maruyama K, Sakata K (1991) Jpn J Appl Phys30(9B):223632. Shuvaeva VA, Zekria D, Glazer AM, Jiang Q, Weber SM,Bhattacharya P, Thomas PA (2005) Phys Rev B 71:17411433. Wang XX, Tang XG, Kwok KW, Chan HLW, Choy CL (2005)

Page 22: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

Appl Phys A 80:107134. Zhao SC, Li GR, Ding AL, Wang TB, Yin QR (2006) J Phys DAppl Phys 39:227735. Xiao DQ, Lin DM, Zhu JG, Yu P (2006) J Electroceram 16:27136. Peng CE (2006) Master’s degree thesis, Tsinghua University,China, pp 66–7537. Hiruma Y, Watanabe T, Nagata H (2008) Jpn J Appl Phys47:765938. Takenaka T, Okuda T, Takegahara K (1997) Ferroelectrics196:49539. Nagata H, Koizumi N, Takenaka T (1999) Key Eng Mater 169–170:3740. Wang XX, Chan HLW, Choy CL (2003) J Am Ceram Soc86:180941. Wang XX, Chan HLW, Choy CL (2003) Solid State Commun125:39542. Zhou CR, Liu XY (2008) J Mater Sci 43:1016. doi:10.1007/s10853-007-2246-x43. Mahboob S, Prasad G, Kumar GS (2007) J Mater Sci 42:10275.doi:10.1007/s10853-006-1122-444. Tian HY, Kwok KW, Chan HLW, Buckley CE (2007) J MaterSci 42:9750. doi:10.1007/s10853-007-2005-z45. Herabut A, Safari A (1997) J Am Ceram Soc 80:296446. Li YM, Chen W, Xu Q, Zhou J, Sun HJ, Xu R, Liao MS (2005)J Electroceram 14:5347. Takenaka T, Sakata K, Toda K (1990) Ferroelectrics 106:37548. Wang X, Chan H, Choy C (2003) Sol Stat Comm 125:39549. Li YM, Chen W, Xu Q, Zhou J, Gu X (2005) Mater Lett59:136150. Chu BJ, Chen DR, Li GR, Yin QR (2002) J Eur Ceram Soc22:211551. Wang TB, Gao M, Wang LE, Lu YK, Zhou DP (1987) J InorgMater 2:22352. Li HD, Feng CD, Yao WL (2004) Mater Lett 58:119453. Nagata H, Takenaka T (1997) Jpn J Appl Phys 36(9B):605554. Nagata H, Takenaka T (1998) Jpn J Appl Phys 37(9B):531155. Zhou XY, Gu HS, Wang Y, Li WY, Zhou TS (2005) Mater Lett59:164956. Ichinose N, Udagawa K (1995) Ferroelectrics 169:31757. Kusumoto K, Ceramics Research Institute, National Institute ofAdvanced Industrial Science and Technology (AAST), Nagoya,Japan58. Zhang YR, Li JF, Zhang BP (2008) J Am Ceram Soc 91:271659. Zhang YR, Li JF, Zhang BP, Peng CE (2008) J Appl Phys103:07410960. Yoo J, Oh D, Jeong Y, Hong J, Jung M (2004) Mater Lett58:383161. Yoo J, Lee H, Lee B, Jeong Y, Hong J, Song H, Kwon J (2006)Sens Actuat A Phys 126:41

Page 23: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

62. Peng C, Li J, Gong W (2005) Mater lett 59:157663. Lin DM, Xiao D, Zhu J, Yu P, Yan H, Li L (2004) Mater Lett58:61564. Lin DM, Xiao D, Zhu J, Yu P (2005) Phys Stat Sol 202:8965. Lin DM, Xiao D, Zhu J, Yu P, Yan H, Li L, Zhang W (2004)Cryst Res Technol 39:3066. Lam KH, Guo MS, Lin DM, Kwok KW, Chan HLW (2008)J Mater Sci 43:1677. doi:10.1007/s10853-007-2385-067. Nagata H, Yoshida M, Makiyuchi Y, Takenaka T (2003) JpnJ Appl Phys 42:740168. Li YM, Chen W, Xu Q, Zhou J, Sun H, Liao M (2005) CeramInt 31:13969. Li YM, Chen W, Xu Q, Zhou J, Gu X, Fang S (2005) MaterChem Phys 94:32870. Lam KH, Wang XX, Chan HLW (2006) Sens Actuat A 125:39371. Jona F, Shirane G (1993) Ferroelectric crystals. Dover PublicationsInc., New York, p 22172. Egerton L, Dillom DM (1959) J Am Ceram Soc 42:43873. Matsubara M, Kikuta K, Hirano S (2005) J App Phys 97:11474. Seo IT, Cho KH, Park HY (2008) J Am Ceram Soc 91:395575. Park HY, Choi JY, Choi MK, Cho KH, Nahm S (2008) J AmCeram Soc 91:237476. Bernard J, Bencan A, Rojac T, Holc J, Malic B, Kosec M (2008)J Am Ceram Soc 91:240977. Birol H, Damjanovic D, Setter N (2006) J Euro Ceram Soc26:86178. Li JF, Wang K, Zhang BP, Zhang LM (2006) J Am Ceram Soc89:70679. Zhang BP, Li JF, Wang K, Zhang H (2006) J Am Ceram Soc89:160580. Saito Y, Takao H, Tani T, Nonoyama T, Takatori K, Homma T,Nagaya T, Nakamura M (2004) Nature 432:8481. Kosec M, Kolar D (1975) Mater Res Bull 10:33582. Ichiki M, Zhang L, Tanaka M, Maeda R (2004) J Eur Ceram Soc24:116583. Gao DJ, Kwok KW, Lin DM, Chan HLW (2009) J Mater Sci44:2466. doi:10.1007/s10853-009-3314-184. Bomlai P, Sukprasert S, Muensit S, Milne SJ (2008) J Mater Sci43:6116. doi:10.1007/s10853-008-2940-385. Guo Y, Kakimoto K, Ohsato H (2005) Mater Lett 59:241J Mater Sci (2009) 44:5049–5062 506112386. Kim MS, Jeong SJ, Song JS (2007) J Am Ceram Soc 90:333887. Rubio-Marcos F, Ochoa P, Fernandez JF (2007) J Eur CeramSoc 27:412588. Chang YF, Yang ZP, Hou YT, Liu ZH, Wang ZL (2007) ApplPhys Lett 90:23290589. Lin DM, Kwok KW, Chan HLW (2007) J Appl Phys

Page 24: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

102:03410290. Dai Y, Zhang X, Zhou G (2007) Appl Phys Lett 90:26290391. Matsubara M, Yamaguchi T, Sakamoto W, Kikuta K, Yogo T,Hirano S (2005) J Am Ceram Soc 88:119092. Saito Y, Takao H (2006) Ferroelectrics 338:1793. Yang Z, Chang Y, Liu B, Wei L (2006) Mater Sci Eng A432:29294. Wu JG, Peng T, Wang YY, Xiao DQ, Zhu JM, Jin Y, Zhu JG,Yu P, Wu L, Jiang YH (2008) J Am Ceram Soc 91:31995. Zhang SJ, Xia R, Shrout TR, Zang GZ, Wang JF (2006) J ApplPhys 100:10410896. Wu JG, Xiao DQ, Wang YY, Zhu JG, Wu L, Jiang YH (2007)Appl Phys Lett 91:25290797. Du HL, Liu DJ, Tang FS, Zhu DM, Zhou WC (2007) J AmCeram Soc 90:282498. Du HL, Luo F, Qu SB, Pei ZB, Zhu DM, Zhou WC (2007)J Appl Phys 102:05410299. Wu JG, Wang YY, Xiao DQ, Zhu JG, Pu ZH (2007) Appl PhysLett 91:132914100. Wang YY, Wu JG, Xiao DQ, Zhu JM, Jin Y, Zhu JG, Yu P, WuL, Li X (2007) J Appl Phys 102:054101101. Wu JG, Wang YY, Xiao DQ, Zhu JG (2007) Phys Status SolidiRapid Res Lett 1:214102. Malic B, Bernard J, Bencan A, Kosec M (2007) J Eur CeramSoc 28:1191103. Guo Y, Kakimoto K, Ohsato H (2004) Appl Phys Lett 85:4121104. Li HD, Shih WY, Shih WH (2007) J Am Ceram Soc 90:3070105. Park SJ, Park HY, Cho KH (2008) Mater Res Bull 43:3580106. Zhao P, Zhang BP (2008) J Am Ceram Soc 91:3824107. Zhao P, Tu R, Goto T (2008) J Am Ceram Soc 91:3440108. Wu JG, Xiao DQ, Wang YY (2008) J Am Ceram Soc 91:3402109. Wang Y, Wu J, Xiao D, Wu W, Zhang B, Wu L, Zhu J (2008)J Am Ceram Soc 91:2772110. Malic B, Bernard J, Holc J, Jenko D, Kosec M (2005) J EurCeram Soc 25:2707111. Guo Y, Kakimoto K, Ohsato H (2004) Solid State Commun129:279112. Kosec M, Malic B, Bernard J, Holc J, Hrovat M, Bobnar V(2004) J Mater Res 19:1849113. Chang YF, Yang ZP, Chao XL, Zhang R, Li XR (2007) MaterLett 61:785114. Chang Y, Yang Z, Wei L, Liu B (2006) Mater Sci Eng A437:301115. Zhao S, Zhang L, Li G, Wang T, Ding A (2005) Phys Stat Sol202:R22116. Lu YT, Chen XM, Jin DZ, Hu X (2005) Mater Res Bull 40:1847117. Yan H, Zhang H, Ubic R, Reece MJ, Liu J, Shen Z, Zhang Z(2005) J Adv Mater 17:1261118. Cross LE, Pohanka RC (1971) Mater Res Bull 6:939

Page 25: Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

119. Gao X, Zhou Z, Xue J, Wang J (2005) J Am Ceram Soc 88:1037120. Huseyin Y, Susan T, Gary M (2003) J Electro Ceram 11:217121. Matsuo K, Xie RJ, Akimune Y, Sugiyama T (2002) J Ceram SocJpn 110:491122. Martin PD, Castro A, Millan P, Enez BJ (1998) J Mater Res13:2565123. Patro PK, Kulkarni AR, Gupta SM, Harendranath CS (2006) In:Kharat DK (ed) National seminar on advances in electroceramics(NSAE-2006), Armament Research & DevelopmentEstablishment, Pune, India, pp 146–153124. Moulson AJ, Herbert JM (1992) Electroceramics: materials,properties, applications. Chapman and Hall, London125. Xie RJ, Akimune Y (2002) J Mater Chem 12:3156. doi:10.1039/b202923p126. Measurement of properties of piezoelectric ceramics, SensorTechnology Limited (1991) Manufacturer Handbook, BM91-309127. Zhou QF, Chan HLW, Choy CL (1997) J Mater Process Tech63:281128. Ounaies Z (1995) Sol–gel and microwave processing of PZTmaterials for sensor and actuator application. The PennsylvaniaState University, PA, USA129. Levinson LM (1998) Electronic ceramics: properties, devicesand applications. General Electric Company, New York5062 J Mater Sci (2009) 44:5049–5062123


Top Related