TUGAS RESUME

STRUKTUR SIFAT MATERIAL

Disusun Oleh :

Dikki Setyo N L2E009074

Denas Permana L2E009075

Pandhu Mardiantoro L2E009103

A.Riyan Nur Ramadhan L2E009117

Guntur Rian M L2E009127

Mujid Ridwansyah L2E009150

Stefanus Prasetyo L2E009151

Bintang Satria H L2E009156

CHAPTER 5. DIFUSI

5.1. PENGERTIAN DIFUSI

DIFUSI itu merupakan fenomena pergerakan material akibat gerakan dari atom.

Fenomena ini digambarkan dengan mendekatkan 2 buah batang logam (contohnya : nikel dan

tembaga) sehingga keduanya bersentuhan secara langsung tanpa ada jarak. Kemudian kedua

logam ini dipanaskan selama beberapa waktu dengan suhu yang terus meningkat tetapi tetap

dibawah suhu leleh dari kedua logam dan kemudian didinginkan pada suhu ruangan. Analisis

kimia akan memperlihatkan hasil bahwa ada daerah yang merupakan murni logam tersebut dan

dipisahkan dengan daerah alloy (padanan logam) antara keduanya. Hal ini akibat adanya migrasi

atau difusi atom diantara keduanya. Atom nikel berdifusi ke bagian tembaga dan begitu juga

sebaliknya. Proses ini disebut sebagai INTERDIFUSI atau DIFUSI TIDAK MURNI.

Interdifusi mungkin dapat diketahui dari perspektif makro dengan perubahan konsentrasi

tehadap waktu. Difusi juga dapat terjadi pada logam murni tetapi semua atomnya yang berubah

posisi bertipe sama yang disebut sebagai DIFUSI DIRI

5.2. MEKANISME DIFUSI

Sebelumnya difusi hanya dipandang seperti perpindahan atom dari satu tempat ke tempat

lain. Kenyataannya, atom di material padat itu bergerak secara konstan dan berpindah-pindah

posisi. Untuk bergerak seperti itu ada 2 kondisi yaitu 1. Harus ada daerah yang bisa diisi atom

tersebut dan 2. Atom harus punya cukup energi untuk melepaskan ikatan dengan atom

tetangganya .

DIFUSI KEKOSONGAN

Difusi ini tejadi akibat pergerakan atom dari tempat asalnya ke tempat yang mengalami

kekosongan. Jadi atom bergerak pada suatu arah tertentu dan kekosongannya akan bergerak

kearah sebaliknya. Difusi diri dan interdifusi menggunakan mekanisme ini. Yang selanjutnya

atom tak murni menggantikan banyak atom lainnya.

D

C

B

AD

C

B

A

increasing elapsed time

DIFUSI SISIPAN

Difusi ini akibat migrasi atom dari posisi yang menyisip ke tetangganya yang kosong.

Mekanisme ini dapat ditemukan di interdifusi tak murni seperti hidrogen,oksigen dll yang

memiliki bentuk atom yang cukup kecil sehingga bisa menempati daerah yang menyisip diantara

atom-atom lainnya. Di banyak padanan logam difusi sisipan ini terjadi lebih cepat dibandingkan

difusi kekosongan akibat dari ukuran atom yang lebih kecil sehingga lebih mudah bergerak. Dan

juga ruang kosong yang menyisip atom lainnya lebih banyak dibandingkan tempat kosong pada

difusi kekosongan sehingga kemungkinannya semakin besar.

5.3. DIFUSI ARUS TUNAK

Untuk mengetahui seberapa cepat difusi yang terjadi disebut FLUKS DIFUSI ( J ).

dt

dM

AAt

MJ

1

Dengan : J = fluks difusi (kg/m2s atau atoms/ m2s)

M = massa atau jumlah atom (kg atau atom)

A = luas daerah terjadinya difusi (m2)

Jika J tidak berubah dengan waktu maka kondisi aliran tunak terpenuhi. Contohnya

adalah difusi dari sebuah atom yang melewati sebuah pelat yang konsentrasinya atau jaraknya

untuk spesies difusi nya pada 2 buah permukaan pelat adalah konstan.

Saat dibuat grafik konsentrasi C terhadap posisi atau jarak maka hasil kurvanya disebut

sebagai profil konsentrasi dan kemiringan pada tiap titik disebut sebagai gradien konsentrasi.

Konsentrasi gradien ¿dCdx

Pada perlakuan ini, profil konsentrasi diasumsikan linear, seperti

digambarkan pada Gambar 5.4b, dan

Secara matematis dari difusi aliran tunak untuk 1 arah adalah fluks difusi yang

proporsional terhadap gradien konsentrasi nya atau biasa disebut hukum fick pertama

J=−DdCdx

Dengan D adalah koefisien difusi (m2/s). Tanda negatif menyatakan bahwa arah dari difusi itu

dari konsentrasi yang tinggi ke konsentrasi yang rendah.

5.4. DIFUSI NON TUNAK

Banyak situasi difusi di kehidupan sehari-hari merupakan difusi dengan aliran yang tak

tunak. Dimana difusi yang tejadi berbeda-beda untuk tiap waktunya. Persamaannya biasa dikenal

dengan hukum fick kedua yaitu :

∂ C∂ t

=∂x (D

∂ C∂ x )

Jika koefisien difusinya independen maka dapat disederhanakan menjadi

∂ C∂ t

=D( ∂2 C∂ x2 )

5.5. FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI DIFUSI

1. jenis yang berdifusi.

Tiap benda yang melakukan difusi jelas akan berbeda koefisien difusi (D) nya.

Contohnya pada 5000C untuk besi α nilai D adalah 3 X 10-21 m2/s dan untuk karbon adalah 2,4 x

10-12 m2/s.

2. Temperatur.

Temperatur memiliki pengaruh yang paling besar pada koefisien difusi. Contohnya pada

besi α. Saat temperatur 5000C koefisien difusinya 3 X 10-21 m2/s sedangkan saat 9000C

koefisiennya bertambah menjadi 1,8 X 10-15 m2/s. Secara matematis hubungannya adalah

D=D 0exp (−Qd

RT)

Dimana D0 = koefisien difusi pre-exponential (m2/s)

Qd = energi aktivasi untuk difusi (j/mol atau eV/atom)

R = konstanta gas 8,31 J/mol K

T = temperatur absolut (K)

Energi aktivasi dapat dinyatakan sebagai energi yang dibutuhkan untuk memproduksi gerakan

difusi pada 1 mol atom. atau dapat ditulis juga sebagai.

ln D=ln D0−Qd

R( 1

T)

Atau

log D=log D0−Q d

2,3 R( 1T

)

Karena D0, Qd, R konstan maka persamaan diatas dapat dianggap sebagai persamaan garis lurus

yaitu :

y=b+mx

Dimana y dan x dianalogikan sebagai variabe log D dan 1/T. Sehingga jika diplotkan maka akan

terbentuk garis lurus.

5.6. DIFUSI PADA SEMIKONDUKTOR

Salah satu aplikasi dari teori difusi zat padat adalah pembuatan integratedcircuitatau IC.

IC sangat tipis dengan orde milimeter. Walaupun demikian didalamnya terdiri atas beragam

perangkat elektronik. Kristal silikon tunggal menjadi material dasar untuk banyak IC. Salah satu

cara membuat IC adalah dengan memanfaatkan difusi atom.

Biasanya 2 cara pemanasan digunakan pada proses ini. Pertama tahap predepositionatau

predeposisi. Atom yang tidak murni di difusi kedalam silikon. Seringkali dalam fase gas.

Tekanan sebagian dijaga agar konstan. Jadi komposisi permukaan yang tidak murni juga tetap

konstan. Sehingga konsentrasi ketidakmurnian tehadap silikon adalah fungsi dari posisi terhadap

waktu. Proses ini biasanya dilakukan pada temperatur 900 0C sampai 1000 0C selama kurang dari

1 jam.

Cara selanjutnya biasanya disebut drive-indiffusion. Untuk transport atom tidak murni

terhadap silikon untuk menyediakan distribusi konsentrasi yang cocok tanpa kenaikan konten.

Cara ini biasa menggunakan pada temperatur yang lebih tinggi dibandingkan cara yang pertama

yaitu lebih darin 1200 0C. Juga pada suasana oksidasi akar tercipta lapisan oksida di

permukaannya dan menjadi SiO2. Kecepatan difusi di lapisan ini sangat lambat. Karena sangat

sedikit atom yang tidak murni yang bisa keluar dari silikon.

Jika kita asumsikan ketidakmurnian atom ada pada saat proses predeposisi di lapisan

silikon yang sangat tipis sehingga solusi untuk hukum Fick kedua adalah

C ( x , t )=Q 0

2√ πDtexp( −x2

4 Dt )Dimana Q0 merepresentasikan jumlah total ketidakmurnian pada bahan padat yang ada pada

proses predeposisi (jumlah atom tidak murni per luas).yang dapat ditunjukkan dengan

Q0=2C s √ D p t p

π

Dimana: Cs = konsentrasi permukaan untuk proses predeposisi yang konstan

Dp =koefisien difusi

Tp = waktu proses predeposisi

Parameter difusi lain yang penting adalah kedalaman sambungan ( junctiondepth ) xj

yang menyatakan kedalaman dimana konsentrasi ketidakmurnian yang bernilai sama dengan

konsentrasi latar pada silikon yang tidak murni (CB) pada proses drive-in . Persamaannya adalah

x j=[ (4 Dd t d ) ln( Q0

CB √D d td π )]