BAB 9HANTARAN LISTRIK PADA PADATAN9.1 Ikatan dalam Logam dan Semikonduktorlogam-logam merupakan konduktor-konduktor listrik yang baik, artinya bahwa orbital-orbital multi-pusat harus tersebar di seluruh permukaan kristal logam.9.2 Konduktivitas Listrik dan HambatanSebuah konduktor listrik memiliki hambatan yang kecil (diukur dalam satuan ) untuk mengalirkan arus listrik (diukur dalam ampere, A). Hambatan jenis dari suatu zat merupakan ukuran hambatannya terhadap arus listrik (Pers. 9.1); untuk suatu kawat yang seragam luas penampang (A) dan hambatan jenisnya () diberikan dalam satuan-satuan ohm meter ( m).

9.3 Teori Pita dari Logam dan InsulatorKonsep dasar dari teori pita adalah mempertimbangkan energi-energi dari orbital-orbital molekul dalam penyusunan atom-atom logam. Sebuah diagram orbital molekul (MO)

Gambar 9-1. Logam dicirikan dengan fakta hambatan jenis listriknya yang meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur, dengan kata lain konduktivitasnya menurun seiring meningkatnya temperatur.

Gambar 9-2. Suatu semikonduktor, misalnya germanium, dicirikan dengan faktanya bahwa hambatan jenisnya menurun seiring meningkatnya temperatur; sehingga konduktivitas listriknya naik seiring naiknya temperatur.

Gambar 9-3. Interaksi dari dua orbital atom 2s dalam Li2 menyebabkan pembentukan dua orbital molekul. Dengan tiga atom Li, tiga orbital molekul terbentuk, demikian seterusnya. Untuk Lin, terdapat n orbital molekul, namun karena orbital-orbital atom 2s dari semuanya berenergi sama, energi-energi dari orbital-orbital molekul secara bersama-sama sangat berdekatan dan membentuk satu pita orbital-orbital.Model yang telah dijelaskan untuk Li di atas adalah model yang disederhanakan terlalu berlebihan; pita-pita juga terbentuk melalui tumpang tindih orbital-orbital atom berenergi lebih tinggi (tidak terhuni), dan pita 2p sebenarnya bertumpang tindih dengan pita 2s menuju beberapa perluasan karena pemisahan s-p dalam atom Li relatif kecil. Hal ini juga terjadi dengan Be dan tentu saja ini merupakan penjelasan yang sangat penting karena konfigurasi elektron dalam keadaan dasarnya Be: [He] 2s2; pita-pita pemisahan energi 2s dan 2p dalam Be besar, pita 2s terhuni penuh dan Be menjadi insulator. Pada kenyataannya, tumpang tindih pita 2s dan 2p menghasilkan efeknya sebuah pita yang terhuni secara parsial yang dengan demikian menjadikan karakter logam bagi Be. Gambar 9-4a-c mengilustrasikan bahwa:- Sebuah pita terhuni penuh terpisah dari pita (kosong) berikutnya dengan energi (celah pita, band gap) sangat besar menjadikannya sebagai bahan insulator,48- Sebuah pita yang terhuni sebagian akan menjadikan bahan tersebut menjadi logam, dan- Karakter logam juga konsisten dengan tumpang tindih antara pita terhuni dengan yang kosong9.3.1 Level FermiTingkat energi dari orbital yang terhuni tertinggi dalam logam pada temperatur nol mutlak disebut tingkat energi Fermi. Pada temperatur ini, konfigurasi elektron yang diperkirakan melalui prinsip aufbau tidak terlanggar sehingga dalam Li tingkat energi Fermi letaknya benar-benar pada tengah-tengah pita yang terisi setengahnya. Untuk logam lain tingkat energi Fermi terletak pada atau dekat dengan tengah-tengah pitanya. Pada temperatur di bawah 0 K elektron-elektron secara termal mendiami MO diatas tingkat Fermi dan beberapa tingkat energi berada di bawahnya menyisakan MO yang tak terhuni. Pada kasus logam, populasi-populasi termal dari tingkat energi yang berbeda tidak dapat dijelaskan dalam kaitan distribusi Boltzmann tetapi malah diberikan oleh distribusi Fermi-Dirac.

Gambar 9-4. Energi-energi relatif dari pita-pita terhuni dan tak terhuni dalam (a) insulator, (b) logam yang pita lebih rendahnya hanya terhuni sebagian, (c) logam yang pita-pita terhuni dan tak terhuninya tumpang tindih, dan (d) semikonduktor.9.3.2 Teori pita dari semikonduktorGambar 9-4d mengilustrasikan sebuah keadaan yang mana pita terhuni secara penuh terpisah dari pita yang tak terhuni dengan jarak celah pita (band gap) yang sangat kecil. Sifat ini mencirikan sebagai semikonduktor. Dalam kasus ini konduktivitas listrik bergantung adanya energi yang cukup tersedia untuk populasi termal dari pita yang lebih tinggi, dan akhirnya konduktivitasnya meningkat seiring temperatur yang meningkat.9.4 Semikonduktor9.4.1 Semikonduktor intrinsicSi, Ge, dan -Sn digolongkan sebagai semikonduktor intrinsik, pelebaran penghunian dari pita meningkat seiring meningkatnya temperatur. Elektron-elektron yang ada pada pita konduksinya yang lebih tinggi mampu menghantarkan listrik. Selain itu, perpindahan elektron-elektron dari pita valensi yang lebih rendah yang mengakibatkan lubang-lubang bermuatan positif menyebabkan elektron-elektron dapat bergerak, menyebabkan kemampuan menghantarkan muatan. Pembawa muatan dalam semikonduktor dapat berupa lubang positif atau elektron yang mampu menghantarkan listrik.9.4.2 Semikonduktor ekstrinsik (tipe n dan p)

Gambar 9-5. (a) dalam semikonduktor tipe p (contohnya Si terdoping Ga), konduktivitas listrik timbul dari populasi termal dari level akseptor yang meninggalkan kekosongan (lubang -lubang positif) dalam pita lebih rendahnya. (b) dalam semikonduktor tipe n (contohnya Si terdoping As), level donor berada dekat dengan energi pita konduksinya.Konduksi listrik dapat digambarkan dalam kaitan pergerakan elektron-elektron yang bermuatan negatif dan ini menghasilkan sebuah semikonduktor tipe n (n singkatan dari negatif). Atom-atom fosfor juga sama dapat digunakan sebagai dopan dalam silikon. Semikonduktor-semikonduktor tipe n dan p merupakan semikonduktor-semikonduktor ekstrinsik, dan sifat-sifat khasnya dikendalikan oleh pemilihan dan konsentrasi dopan.9.5 Konduktivitas Listrik dalam Padatan IonikKeberadaan defek pada kisi kristal memfasilitasi migrasi ion-ion dan meningkatnya konduktivitas listrik (menurunkan hambatannya). Mekanisme migrasi ion dapat dikategorikan sebagai berikut:1. Migrasi kation menuju kekosongan kation, membuat sebuah kekosongan yang baru yang mana kation lain yang ada di belakangnya dapat berpindah, demikian seterusnya.2. Migrasi kation menuju tempat interstisi, membuat kekosongan yang dapat diisi oleh ion lain yang bermigrasi, demikian seterusnya.Migrasi anion dapat terjadi juga melalui mekanisme yang pertama, namun untuk yang kedua, biasanya kation yang digunakan cukup kecil untuk menghuni tempat interstisi, contohnya lubang-lubang tetrahedral dalam kisi tipe NaCl.

9.5.1 Konduktor-konduktor ion natrium dan litium

Gambar 9-6. Representasi skematik dari bagian struktur -alumina (Na2O.11Al2O3) di mana ion-ion Na+bergerak di antara lapisan-lapisan kaku dari struktur spinel Al2O3.9.5.2 Oksida-oksida logam(II) blok dOksida-oksida TiO, VO, MnO, FeO, CoO dan NiO mengadopsi kisi NaCl namun tidak stoikiometrik, menjadi defisien logam sebagaimana dicontohkan untuk TiO dan FeO. Dalam TiO dan VO, terdapat tumpang tindih orbital-orbital logam t2g menyebabkan sebuah pita yang terhuni sebagian.9.6 Superkonduktivitas9.6.1 Superkonduktor: contoh-contoh awal dan teori dasarSuperkonduktor adalah bahan yang hambatan listriknya turun menjadi nol ketika ia didinginkan di bawah temperatur kritisnya, Tc. Fenomena superkonduktivitas ditemukan pada 1911 oleh Kamerlingh Onnes (dianugerahi hadiah Nobel untuk bidang Fisika pada 1913): pada pendinginan sampai temperatur kritisnya, Tc, suatu superkonduktor kehilangan semua hambatan listriknya dan pada saat yang sama menjadi bahan diamagnetik yang sempurna. Belakangan (efe k Meissner) terungkap melalui gejala tak lazim: bila sebuah magnet permanen ditempatkan di atas suatu superkonduktor ketika ia mendingin, pada Tc magnet tersebut menjadi terangkat di udara tepat di atas bahan superkonduktor tersebut. Sejumlah logam, paduan logam dan senyawa-senyawa logam adalah superkonduktor.9.6.2 Superkonduktor-superkonduktor temperatur tinggiSejak 1987, superkonduktor-superkonduktor kuprat dengan Tc > 77 K telah banyak menjadi pusat perhatian. Salah satu dari yang pertama ditemukan adalah YBa2Cu3O7 yang dibuat melalui reaksi Pers. 9.5. kandungan oksigen dari bahan produk akhir bergantung pada kondisi-kondisi reaksi (misalnya temperatur dan tekanan).

9.6.3 Sifat-sifat supekonduksi dari MgB2Meskipun magnesium borida, MgB2, telah dikenal sejak 1950an, ia baru ditemukan sifat superkonduksinya (Tc = 39 K)pada 2001. Padatan MgB2 memiliki simetri heksagonal dan mengandung lapisan-lapisan atom Mg dan B.9.6.4 Aplikasi superkonduktorKombinasi dari dua superkonduktor yang dipisahkan dengan penghalang oksida tipis yang bersifat insulator akan membuat persimpangan Josephson (Josephson junction), sebuah perangkat yang sangat peka terhadap medan-medan magnet. Di antara aplikasi-aplikasi Josephson junction adalah peranannya dalam sistem-sistem SQUID (superconducting quantum interference device) untuk pengukuran kerentanan-kerentanan magnet. Kepekaan luar biasa dari SQUID membuatnya dapat digunakan untuk mengukur sinyal-sinyal biomagnetik yang sangat lemah seperti misalnya yang berasal dari sinyal dari otak. Kapal-kapal laut modern saat ini untuk eksplorasi pertambangan dilengkapi dengan SQUID yang telah meningkatkan kepekaannya untuk mendeteksi pertambangan-pertambangan bawah laut.Superkonduktor telah diterapkan untuk mengembangkan sistem-sistem angkutan kereta api modern yang beroperasi dengan magnetik-levitasi (MAGLEV) yang membuat kereta api dapat berjalan sangat efektif yakni 10 mm di atas treknya, yang membuat gerakannya seperti tanpa gesekan. Rel kereta api komersial pertama seperti ini telah beroperasi di Shanghai pada 2003 dan dapat menjangkau kecepatan 440 km/jam.