KSF MATERIAL 2011

1. Gambarkan struktur pita – pita energi pada bahan zat padat

2. Gambarkan dan jelaskan mekanisme arus mengalir pada semikonduktor

Material Semikonduktor : merupakan material yang memiliki sifat isolator dan

konduktor dengan perbandingan 1:1 sehingga sifatnya ada di antara isolator dan

konduktor. Bahan semikonduktor merupakan material yang memiliki sfiat penghantar

arus listrik yang paling bagus dikarenakan tidak memiliki hambatan/ resistansi

ataupun nilai resistansi mendekati nol. Sebuah semikonduktor akan bersifat sebagai

isolator pada temperatur yang sangat rendah, akan tetapi pada temperatur ruang akan

bersifat sebagai konduktor.

Gambar struktur pita energi semikonduktor.

Lebar pita relatif kecil, EG = 1 eV. Pada saat suhu naik, elektron pada pita valensi

mampu berpindah ke pita konduksi. Karena adanya elektron di pita konduksi

akibatnya bahan itu menjadi sedikit konduktif.

3. Apa yg dimaksud dengan solar Cell (sel surya),bagaimana prinsip kerja sel

surya,bagaimana menghitung efisiensi sel surya (rumuskan dan jelaskan),proses apa

saja yang terjadi pada sel surya ketika beroperasi dari cahaya menjadi energi listrik

(hukum fisika)

Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah

wilayah-besar diode p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu

menciptakan energi listrik yang berguna. Sel surya atau juga sering disebut fotovoltaik adalah

divais yang mampu mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi listrik.

Cara kerja sel surya

Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara

semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan atom yang

dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar. Semikonduktor tipe-n mempunyai

kelebihan elektron (muatan negatif) sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan

hole (muatan positif) dalam struktur atomnya. Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut

bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant.

Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron (dan

hole) bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor

tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe-n

ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub

negatif pada semikonduktor tipe-p. Akibat dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk

medan listrik yang mana ketika cahaya matahari mengenai susuna p-n junction ini maka

akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang

selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif

menunggu elektron datang

Dalam cahaya matahari terkandung energi dalam bentuk foton. Ketika foton ini mengenai

permukaan sel surya, elektron-elektronnya akan tereksitasi dan menimbulkan aliran listrik.

Prinsip ini dikenal sebagai prinsip photoelectric. Sel surya dapat tereksitasi karena terbuat

dari material semikonduktor yang mengandung unsur silikon. Silikon ini terdiri atas dua jenis

lapisan sensitif: lapisan negatif (tipe-n) dan lapisan positif (tipe-p).

4. Pembentukan lapisan tipis dapat dilakukan secara proses kimia dan fisika.sebutkan

macam – macam dari kedua proses tersebut serta jelaskan

- Deposisi secara kimia (ditandai oleh fluida yang menjadi padatan diatas substrat).

Deposisi kimia dapat dikelompokkan menurut fasa pembentuknya:

a. Plating, ditandai oleh liquid atau larutan garam, misalnya

elektroplating.Biasanya untuk menghasilkan lapisan logam2 mulia

b. Chemical solution deposition (CSD) menggunakan larutan biasanya larutan

dari powder yang dilarutkan pada pelarut organik. Hal ini relatif murah untuk

proses lapisan tipis yang dapat menghasilkan stoikiometri dengan fasa kristal

yang akurat

c. Chemical vapor deposition (CVD) biasanya ditandai dengan penggunaan fasa

gas, biasanya elemen2 halida dan hidrad untuk didipositkan. Pada kasus

MOCVD, digunakan gas organometallic. Secara komersial sering

menggunakan teknik tekanan yg sangat rendah.

- Deposisi secara fisika (lapisan tipis dihasilkan secara mekanik atau termodinamik

diatas suatu bahan padat.

a. Thermal evaporator (electron gun) menggunakan pemanas tahan listrik untuk

mencairkan material dan meningkatkan tekanan uapnya pada range yg sesuai.

Hal ini dilakukan dalam ruang yg sangat vakum agar dihasilkan uap diatas

substrat tanpa mereaksikan atau menghamburkannya agar tidak berlawanan

dengan atom fasa-gas lainya didalam tabung, dan mengurangi impuriti dari

sisa gas dalam tabung.

b. Sputtering on a plasma (usually a noble gas, such as argon) to knock material

from a "target" a few atoms at a time. The target can be kept at a relatively low

temperature, since the process is not one of evaporation, making this one of

the most flexible deposition techniques. It is especially useful for compounds

or mixtures, where different components would otherwise tend to evaporate at

different rates.

- Pulsed laser deposition systems work by an ablation process. Pulses of focused laser

light vaporize the surface of the target material and convert it to plasma; this plasma

usually reverts to a gas before it reaches the substrate.

- Cathodic arc deposition (arc-PVD) which is a kind of ion beam deposition where an

electrical arc is created that literally blasts ions from the cathode. The arc has an

extremely high power density resulting in a high level of ionization (30-100%),

multiply charged ions, neutral particles, clusters and macro-particles (droplets). If a

reactive gas is introduced during the evaporation process, dissociation, ionization and

excitation can occur during interaction with the ion flux and a compound film will be

deposited.

jika suatu permukaan bahan padat (target) mengalami tembakan partikel-partikel atau ion

berenergi, maka bahan (dalam bentuk atom-atom) dari permukaan target tersebut akan

terpercik keluar akibat proses transfer momentum. Parameter-parameter sputtering akan

sangat menentukan konduktivitas bahan adalah tegangan elektroda, arus, jarak antara

elektroda, suhu substrat, tekanan gas dan waktu deposisi.

Sputtering DC Sistem sputtering DC terdiri dari dua elektroda yaitu anoda dan katoda. Pada anoda

ditempatkan substrat (bahan yang akan dilapisi) yang dilengkapi dengan pemanas untuk

membuka pori-pori substrat, sehingga bahan yang dideposisi di atas permukaan substrat dapat

melekat lebih kuat dan tidak mudah mengelupas. Pada katoda dipasang bahan target dan

dilengkapi dengan pendingin (water cooling system) yang berfungsi menghindarkan bahan

target agar tidak meleleh akibat suhu yang terlalu tinggi.Teknik sputtering DC yaitu suatu

proses jika suatu permukaan bahan padat (target) mengalami tembakan partikel-partikel atau

ion berenergi, maka bahan (dalam bentuk atom-atom) dari permukaan target tersebut akan

terpercik keluar akibat proses transfer momentum. Parameter-parameter sputtering akan

sangat menentukan konduktivitas bahan adalah tegangan elektroda, arus, jarak antara

elektroda, suhu substrat, tekanan gas dan waktu deposisi.

5. Kenapa penelitian tentang nanoteknologi sangat menarik para peneliti saat

ini,bergantung kepada apa saja sifat nanomaterial tersebut.Jelaskan!

KSF MATERIAL 2012

1. Apakah perbedaan dan persamaan antara komposit dengan alloy,jelaskan

Komposit adalah suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri dari dua atau

lebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu sama lainnya baik

itu sifat kimia maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan

tersebut (bahan komposit).Kata komposit dalam pengertian bahan komposit berarti dua

atau lebih material / bahan yang digabung atau dicampur secara makroskopis untuk

mendapatkan kekuatan yang spesifik. Dimana pengertian makroskopis ini

yaitu penggabungan material dimana masih dapat dilihat sifat-sifat unsur-unsur

pembentuknya.

Struktur dan Unsur Utama Pada Bahan Komposit

Pada umumnya bahan material komposit terdiri dari dua bahan utama, yaitu :

· Serat ( fiber )

o Sebagai unsur utama pada komposit

o Menentukan karakteristik bahan komposit, seperti kekuatan, kekauan, daan sifat

mekanik lainnya.

o Menahan sebagian besar gaya yang bekerja pada material komposit.

o Bahan yang dipilih harus kuat dan getas, seperti carbon, glass, boron, dll.

· Matrik ( resin )

o Melindungi dan mengikat serat agar dapat bekerja dengan baik.

o Bahan yang dipilh bahan yang lunak.

Dari pengertian di atas dan unsur-unsur utamanya, maka dapat diamati bahwa sebagian

besar struktur alami yang terdapat di alam adalah dalam bentuk komposit, contohnya :

· Daun padi

Terdiri dari serat daun yang dibungkus oleh matrik yaitu lychin

· Batang bambu

Batangnya terdiri dari bahan serat yang diikat dengan matrik dengan kuat sehingga kaku

dan ringan.

Klasifikasi Bahan Komposit

Secara umum bahan komposit yang digunakan dapat diklasifikasikan berdasarkan

geometri dan jenis seratnya. Sebab sifat-sifat mekanik bahan komposit tergantung pada

geometri dan jenis seratnya. Dimana klasifikasi dari bahan komposit dapat dilihat pada

gambar dibawah.

Perbedaan antara komposit dan alloy adalah dalam hal sistem proses

pemaduannya:

o Komposit bila ditinjau secara mikroskopi masih menampakkan adanya

komponen matrik dan komponen filler, sedangkan alloy telah terjadi

perpaduan yang homogen antara matrik dan filler

o Pada material komposit, dapat leluasa merencanakan kekuatan material

yang diinginkan dengan mengatur komposisi dari matrik dan filler, sifat

material yang menyatu dapat dievaluasi dan diuji secara terpisah.

Perbedaan yang mendasar antara material komposit dengan material alloy yaitu kalau pada

material alloy penggabungan materialnya dilakukan secara mikroskopis, sehingga tidak bisa

dilihat sifat-sifat dasar dari unsur-unsur pembentuknya.

2. Jelaskan mengapa perlunya mempelajari ilmu material

3. Suatu Cu mempunyai kristal FCC,hitunglah panjang kisi (parameter kisi,a) tersebut

apabila diketahui jari – jarinya 0,1278 nm

4. Sebutkan jenis2 keramik,sifatnya dan aplikasinya masing2

Keramik adalah bahan paduan metalik dan non metalik. Menurut definisi luas keramik berarti

semua material kecuali metal atau material organik. SIFAT KERAMIK

_ Merupakan senyawa paduan antara logam dan non

logam

_ Senyawa paduan tersebut memiliki ikatan ionik dan

atau ikatan kovalen

_ Pada umumnya ikatan atom pada material keramik

didominasi oleh ikatan ionik

_ Atom logam dalam keramik akan menjadi kation

(bermuatan positif) dan atom non-logam menjadi

anion (bermuatan negatif)

JENIS-JENIS KERAMIK

a) Traditional creramics, bahan keramik yang berasal dari umum, bahan baku alami seperti

mineral tanah liat dan pasir kuarsa. Melalui proses industri yang telah dipraktekkan dalam

beberapa

bentuk selama berabad-abad, bahan ini dibuat menjadi produk akrab seperti peralatan makan

cina,

batu bata dan genteng tanah liat, abrasive industri dan lapisan tahan api, dan semen portland.

Artikel

ini menjelaskan karakteristik dasar dari bahan baku yang biasa digunakan dalam keramik

tradisional,

dan survei proses umum yang diikuti dalam pembuatan benda keramik yang paling

tradisional. Dari

survei pembaca dapat dilanjutkan ke artikel yang lebih rinci pada masing-masing jenis

produk keramik,

link yang disediakan pada akhir artikel ini.

b) Ceramic engineering adalah ilmu dan teknologi untuk menciptakan benda dari anorganik,

bahan non-logam. Hal ini dilakukan baik oleh aksi panas, atau pada suhu yang lebih rendah

menggunakan reaksi pengendapan dari larutan kimia kemurnian tinggi. Istilah ini mencakup

pemurnian bahan baku, studi dan produksi senyawa kimia yang bersangkutan, pembentukan

mereka

menjadi komponen-komponen dan studi, komposisi struktur dan sifat.

c) Glass ceramic terbagi banyak properti dengan kedua gelas dan keramik. Kaca-keramik

memiliki

fase amorf dan fase kristalin satu atau lebih dan diproduksi oleh "kristalisasi terkontrol"

disebut kontras

dengan kristalisasi spontan, yang biasanya tidak diinginkan dalam pembuatan kaca. Kaca-

keramik

biasanya memiliki antara 30% [m / m] dan 90% [m / m] kristalinitas dan menghasilkan array

dari bahan

dengan sifat termomekanis menarik.

Glass Ceramic yang sebagian besar diproduksi dalam dua langkah: Pertama, kaca terbentuk

oleh

proses pembuatan kaca. Gelas didinginkan dan kemudian dipanaskan pada langkah kedua.

Dalam

perlakuan panas kaca sebagian mengkristal. Dalam kebanyakan kasus apa yang disebut agen

nukleasi ditambahkan dengan komposisi dasar-kaca keramik. Nukleasi ini agen bantuan dan

mengontrol proses kristalisasi. Karena biasanya tidak ada menekan dan sintering, kaca-

keramik

memiliki, tidak seperti keramik disinter, tidak ada pori-pori.

Aplikasi Keramik dalam Teknik

Mengetahui struktur benda padat melalui pendekatan model-model yang ada akan

memudahkan

seseorang untuk memprediksi sifat-sifat dari suatu jenis benda padat, bahkan dengan

memodifikasi

komponen-komponen penyusun suatu zat padat sesuai dengan yang diinginkan akan

menghasilkan bahahbahan

yang dapat dimanfaatkan dalam berbagai bidang kehidupan di antaranya adalah:

A. Komponen Dapur/Oven (furnace)

– Refraktori padat - Isulator

- Refraktori cor - Penanganan logam cair

- Elemen pemanas - Perkakas oven

B. Komponen Mesin Otomotif

– Busi - Sil pompa

– Katup - Rotor turbocharger

C. Komponen Gas Turbin

– Ruang Bakar - Sudu-sudu turbin

-Pemindah panas

D. Penahan Panas

– Dinding pesawat ulang alik – Isolator panas

– Lapisan penahan panas - Bahan tahan api

E. Komponen tahan aus

– Alat-alat potong - Penempa (die)

– Kran (nozzle) - Sil dan plunyer pompa

– Lining dan alat Miling – Abrasif

– Pelumas padat - Alat ukur standar

F. Keramik Tangguh

– benang (fiber) - Whisker (fiber)

– Peralatan golf - Lempengan tahan peluru

– Bantalan - pisau dan gunting

G. Keramik Optik

– benang optik - Lensa

– Laser - Alumina translusen

– Dioda - Keramik luminesen

H. Pelapis Keramik

– Tahan aus - Tahan korosi

– Penghalang panas - Dielektrik

– Pelumas - Katalis

I. Keramik Elektromagnetik

– Elemen magnet - Kapasitor

– Resistor - IC substrat

– Sensor oksigen – Sel bahan bakar

– Pompa oksigen – Superkonduktor

– Elektroda - Varistor

– Pizoelektrik – Isulator

– Termistor – Semikonduktor

– Konduktor ion

J. Keramik Bangunan

– Atap - lantai

– Kaca jendela – Semen dan Beton

– Gelas keramik - Terakota

– Gerabah - Batu bata

K. Biokeramik

– Pengganti tulang - Pengganti gigi

– Katup jantung - Porselin gigi

L. Saringan dan Selaput Keramik

– Selaput pemisah cairan - Selaput pemisah gas

– Saringan logam cair

M. Keramik Nuklir

– Bahan bakar nuklir - Moderator

- Pelindung - Kapsul gelas

– Pembungkus bahan bakar nuklir

5. Apa bedanya proses material secara cetak dengan molding?

Molding adalah sebuah proses produksi dengan membentuk bahan mentah menggunakan

sebuah rangka kaku atau model yang disebut sebuah mold.

Sebuah mold adalah sebuah cetakan yang memiliki rongga di dalamnya yang akan diisi

dengan material cair seperti plastik, gelas, atau logam. Cairan tersebut akan mengeras

sesuai bentuk rongga di dalam mold.

Istilah – istilah :

Prekursor : larutan awal

TiO2 : bersifat katalik untuk mempercepat reaksi,ukuran : tipis,tidak beracun.

Uv-Vis : cahaya tampak,ultra violet visual,ketransparan,berupa cahaya bisa tembus

SEM : Scanning elektron microscope untuk melihat butir – butir permukaan berupa

foto

XRD : berupa grafik

Sudut kontak : seberapa besar kaca bersifat hidrofobik

Konsivitas : seberapa kuat medan magnet

Surfaktan : yang mempengaruhi larutan

ITO : kaca yg bersifat tioksida : substrat

Filler : pengisi

Terhidrogenisasi : diapanskan dngn diberi gas hidrogen yang dipanaskan dgn oksigen

GMR : untuk bahan superkonduktor

DTA : differensial thermak analys dan TGA : thermogravimetri analys : utk

menganalisa pengaruh suhu.

Sol gel : material yg kental

Aneling : proses pemanasan secara terus menerus

Kalsinasi : menghilangkan bahan organik (minyak,lemak)

Sluri : campuran seperti sol gel

Bahan semikonduktor : akan terbentuk efek fotolistrik,bahan bersifat transparan

Buffer : penyangga supaya stabil : memperkuat

CSD (chemical solution deposition) : deposisi secara kimia

Stoikiometri : keadaan setimbang dari larutan

Furnance : suhu yang lebih tinggi

Objektif:

- Memahami golongan (kelas) material dan sifat2 nya.

- Menggambarkan mikrostruktur material dan perilakunya

- Mendefinisikan material sains

Material selalu mengalami perkembangan mulai dari: zaman batu, zaman perunggu, zaman

besi

Saat ini material memainkan peranan penting dalam semua perkembangan teknologi.

Material:

- Terdiri daripada partikel halus (diskrit) yang mempunyai ukuran sub mikron

- Didefinisikan sebagai bahan padat yg digunakan manusia untuk menghasilkan

barang2 yang mendukung kehidupannya

Kelas atau golongan material:

- Metal dan alloy-alloy nya (ikatan metal)

- Polimer (ikatan kovalen)

- Keramik (Ikatan ionik dan ikatan kovalen)

Golongan material2 tsb dapat dikombinasikan, disebut komposit.

Kelas atau golongan Material

Metal & Alloy

- Mayoritas elemen adalah metal (70%)

- Pada Tambient merupakan bahan padat monoatomik (Fe, Cu, Al).

- Bila terdiri 2 atom atau lebih disebut alloy (suasa Cu&Zn, Baja Fe&C dll)

- Konduktor panas dan konduktor listrik yg baik

- Visible light which they reflect

- Keras, kaku, dapat mengalami deformasi plastis

- Umumnya mempunyai T lebur yang tinggi

Polimer

- Bahan dengan rantai karbon yang panjang berikatan dengan elemen lainnya spt: H,

Cl, (-CH3) dan dapat pula terdiri dari S, Ni, Si pada rantai.

- umumnya isolator

- Ringan dan mudah dibentuk

- Misal: PVC (polyvinylchloride), PE (polyethylen), PS (polystyrene).

Keramik

- Material anorganik

- Dihasilkan dari kombinasi elemen2 metal (Mg, Al, Ti dll) dg bahan non metalik

(umumnya oksigen) misal: SiO2, Al2O3, WC, Si3N4.

- Merupakan: isolator, semikonduktor, superkonduktor,

- Umumnya getas (fragile)

- Rentan terhadap kejutan termal dan mekanikal.

- Tetapi relatif tahan thd suhu tinggi

Mikrostruktur

Mikrostruktur material dibentuk oleh susunan butir, partikel dan cacat (defect).

Mikrostruktur dapat diseldiki dengan mikroskop (optik & elektron).

Mikrostruktur berhubungan dg peilaku material.

Elemen2 mikrostruktur biasanya ditentukan oleh beberapa parameter, al:

- Komposisi

- Susunan atom

- Jumlah relatif

- Morfologi

- ukuran

- Crystalline material: atoms self-organize in a periodic array

- Single crystal: atoms are in a repeating or periodic array over the entire extent of the

material

- Polycrystalline material: comprised of many small crystals or grains

- Amorphous: lacks a systematic atomic arrangement