Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

EFEK RADIASI SINAR GAMMA TERHADAP TEMPERATUR CURIEKERAMIK BARIUM TITANA T1

YUNASFr

ABSTRAKEFEKRADIASI SINAR GAMMA TERHADAP TEMPERATUR CURIE BARIUM TITANAT. Telah dibuat

kellUnik barium titanat (BaTiO3) dati bubuk barium titanat mumi (99.99%) yang dimanpatkan dengan daya tekan 3000 kgicm2,kemudian di kalsinasi sampai ten1peratur 1300 °C. K~ ini kemudian di irradiasi dengan menggunakan sinar gamma dari kobal60 (Iaju dosis 6,95 kGy/jam) sampai dosis 5,93 x 10 Gy. Dari ha.~il penelitian didapatkan bahwa irradiasi sinar g~a dapatmenurunkan nilai konstanta dielektrik dari keramik ini, dan temperatur Curienya berkurang dati 120 °c menjadi 110 C, sertanilai puncak konstanta dielektrikjuga berkurang dari 5132 menjadi 4266. Sampai saat ini alasan yang tepat untuk menjelaskanpenurunan temperatur Curie dan nilai konstanta dielektrik ini belum ada. Tetapi, penurunan kedua parameter ini diduga karenaadanya elektron yang terperangkap di dalam struktur kristalnya. Hal ini menyebabkan daya tarik antara ion titanium yang beradadi pusat dengan ion-ion disekitamya berkurang sehingga mengurangi polarisasi bahan. Kemungkinan lain dari pada penurunan dayatarik ion titanium dengan ion-ion disekitamya ini adaIah timbulnya perubahanjarak antara ion titanium dengan ion-ion disekitamya,sehingga terjadi perubahan bentuk struktur kristal dati bentuk tetragonal menjadi bentuk kubik.

ABSTRACTGAMMA IRRADIATION EFFECTS TO CURIE TEMP ARAT~ OF B~IUM TITANATE CERAMICS.

~ spec~ of barium tatanate (BaTi03) ceramics (99.99%) were pressed at 3000 kg/cm and then it were calcinated at 1300C. This cenlmics were imldiated by y-ray from Co-60 as the radiation sources (dose rate of6.95 kGy/h) until 5.93 x 105 Gy dose.

In this study, It was found that y-imldiation could reduce the value of dielectric constants of this ceramics and the Curie temperaturedecreased from 120 °c become to 110OC, and then top value of dielectric constants also decreased from 5132 become to 4266.The real reason for the reduction has not been known yet. It was suspected that some electrons may have been trapped in the crystalstructure caused by y-irradiation. This can reduce the attractive force hetween the center of titanium ions and its surrounding ions,and the polarization may decrease as a result The other reason from reduced the attractive force between the center of titanium ionsand its surrounding ions cause to change of distance between titanium ions and it~ surrounding ions, so that cause transformationof crystal structure from tertagonal phase to cubic phase.

PENDAHULUANKeramik barium titanat (BaTiO3)

adalah suatu bahan yang mempunyai sifatferroelektrik dan mempunyai konstantadielektrik ( E) besar pada temperatur ruang, danbahkan .iauh lebih besar lagi pada temperaturCurie (Tc). Temperatur Curie adalah suatutemperatur yang menunjukkan bahwa bahanfelToelektrik kehilangan sifat ferroelektriknyadan berubah menj adi bahan dielektrik biasa[ 1 ].Keramik BaTiO3 ini mempunyai temperatur

0 0dCurie P ada -80 C dan 120 C. Pa a

0temperatur antara -80 C sampai dengan 120°c, keramik BaTiO3 ini bersifat ferroelektrik,sedangkan diluar batasan temperatur inikeramik BaTiO3 ini tidak lagi bersifatferroelektrik tapi bersifat dielektrik biasa.Sebagai bahan ferroelektlik, keramik BaTiO3ini mempunyai tiga macam perubahan struktur(f'ase) kristalnya yang sesuai dengan perubahantemperatur Curienya[1,2]. Pertama, pada

temperatur 120 °C. Kerarnik BaTiO3 ini diatastemperatur 120 ° C mempunyai struktur kristal

berbentuk kubus, tapi tidak mempunyai sifatt'en-oelektrik. Kedua, pada temperatur dari 0 °csampai 120 °c struktur kristalnya berbentuktetragonal, dan bersifat ferroe1ektrik. Ketiga,pada temperatur dari -80 °c sampai 0° Cstruktur kristalnya berbentuk ortorombik, danmasih bersit'at ferroelektrik. Pada temperaturdibawah -80 °c, keramik BaTiO3 mempunyaistruktur kristal berbentuk rombohedral, tetapitidak lagi bersifat terroelektrik. Perubahanstruktur kristal menurut perubahan temperaturseperti ini merupakan suatu sifat yang istimewadm-i bahan ini.

Karena bahan llll mempunyaikonstanta dielektrik yang sangat besar padatemperatur ruang maka banyak digunakansebagai bahan kondensor. Se1ain itu, .juga

banyak digunakan pada peralatan pembangkit

I Dipresentasikan pacta Seminar llmiah PPSM 1996

2 Pusat Pengka.iian TeknologiNuklir (pPkTN) -BAT AN

391

tekanan tinggi, detektor infra merah, clanindustri peralatan elektronik lainnya. Untuk itu,maka dilakukan penelitian untuk memperbaikisifat-sifat dielektrik dari bahan ferroelektrikseperti keramik BaTiO3 ini, sertapengembangan aplikasi kimia radiasi di bidangelektl'onika. Pada penelitian ini, dicoba untukmempelajari efek radiasi sinar gamma (sinar-y)terhadap bahan ini, yang dilakukan di KanazawaInstitute of Technology clan Nagoya University,Japan. Sampai saat ini, teori yang membahastentang efek radiasi terhadap bahan-bahanferroelektrik belum terdapat dalam literatur,

begitu juga dengan penelitian-penelitian tentangefekradiasi terhadap keramik BaTiO3 ini masihsedikit peneliti yang melakukannya, clan itupunpenelitian tentang efek radiasi netron cepatterhadap bahan. Dalam penelitian ini, dicobauntuk mempelaj ari efek radiasi sinar -y terhadapkonstanta dielektrik clan temperatur Curie darikeramik BaTiO3, dengan menggunakan cabal60 (Co-60) sebagai sumber radiasi.

Keterangan :Er= konstanta dielektrik bahan (pada

tekanannoIlDall atmosfir)EO = konstanta dielektrik pada ruang vakum

= 8,854 x 10-12 (F/m)A = luas peIlDukaan bahan (m2)td = tebal bahan (m)Cx = kapasitansi bahan (F)

PERCOBAANKeramik BaTiO3 dibuat dari serbuk

BaTiO3 dengan kemumian tinggi (99,99o/~dimampatkan dengan daya tekan 3000 kg/cm ,kemudian dika1sinasi sampai temperatur 1300°C. Keramik ini dimasukkan kedalam tabungkuarsa clan divakum sampai dengan tekanan10-5 Torr, kemudian diiradiasi denganmenggunakan sinar-y dari sumber Co-60 (lajudosis 6,95 kGy/jam) sampai dosis 5,93 x 105Gy, yang di1akukan di Nagoya University.Keramik BaTiO3 ini sebe1um clan sesudahdiirradiasi di1akukan pengukuran konstantadie1ektriknya ( e) menggunakan sirkuit Sawyer-Tower dengan variasi temperatur pengukuran6aitu dari temperatur ruang 30 °c sampai 160C dengan setiap hecla temperatur 10° C, yang

dilakukan di Kanazawa of Institute Technology,.f apan. Pengukuran ini didasarkan pada

pengukuran kapasitansi dari bahan (Cx),kemudian berdasarkan rumus berikut ini makadapat dihitung nilai konstanta dielektrik daribahan (er)[1,2]:

tdxCx£ = r

A x £{)

HASn.. DAN PEMBAHASANHasil penelitian besamya konstanta

dielektrik dari keramik BaTiO3 sebagai variasitemperatur sebelum dan sesudah diirradiasidapat terlihat pada gambar 1 dan tabel 1.Didapatkan bahwa keramik BaTiO3 yangdiiradiasi dengan sinar-y sampai dosis 5,93 x105 Gy dapat menimbulkan penurunan nilaikonstanta dielek1rik (E ), penurunan nilai puncakdaTi pada konstanta dielektrik ( E ) dan

penurunan temperatur Curie (Tc) nya. Gambar1 menunjukkan hubungan antara nilai E darikeramik BaTiO3 terhadap temperaturpengukuran. Pada gambar, lingkaran (0)menunjukkan nilai E daTi keramik BaTiO3sebelum diiradiasi, sedangkan bintang segienam (*) menunjukkan nilai E daTi keramikBaTiO3 sesudah diiradiasi dengan sinar-y. Datadari basil penelitian ini secara lengkap ini ditulisdalam tabell.

Pada gambar 1 terlihat bahwa nilai E daTikeramik BaTiO3 pada temperatur ruang (30 °C)sebe1um diirradiasi adalah 3543 dan setelahdiiradiasi dengan sinar-y sampai dosis 5,93 x105 Gymen~iukkanpenurunannilai E menjadi3252. lni berarti bahwa nilai E ini berkurangsekitar 8,2 % oleh irradiasi sinar-y. Inimenunjukkan bahwa dengan adanya irradiasisinar-y akan menimbulkan penurunan nilai Edati keramik ini. Sampai saat ini, alasan yangtepat untuk menjelaskan penurunan nilai E inibelum diketahui. Penurunan nilai ini didugakarena adanya elektron yang terperangkap didalam struktur kristalnya[3]. Hal inimenyebabkan daya tarik antara ion titaniumdengan ion-ion disekitarnya berkurang, sehingga

mengurangipolarisasi bahan[4,5]. Akibat daritimbulnya pengurangan polarisasi ini, makakonstanta dielektrik juga berkurallg.

Dengan meningkatkan temperatur~engukm'an sampai temperatur Curie Tc (120C), maka nilai E menunjukkan peningkatan

392

6000 I-sebelumilTadiasi

--sesudahilTadiasi TCIA5000 1

Gambar 1. Efek radiasi gamma terhadap temperatur Curie dari bahan keramik BaTiO3sampai dosis 5,93 x 10s Gy.

KeteranganT Cl : T emperatur Curie dari bahan keramik Ba TiO3 sebelum diiITadiasi,T~ : TemperatUl' Curie dari bahan keramik BaTiO3 sesudah diirradiasi.

temperaturpengukuran 160 DC, nilai £ menjadi1194, dengan penurunan sekitar 58 %. Iniberarti bahwa irradiasi sinar-y dapatmemberikan penurunan nilai £ yang lebih besarterhadap bahan dielektrik biasa dari kerarnik ini.Ini dapat terlihat bahwa irradiasi sinar-y bukanhanya menurunkan nilai £ saja, tapi jugamenurunkan nilai puncak £ serta menurunkantemperatur Curie dari keramik ini.Kemungkinan ini disebabkan oleh adanyaelektron yang terperangkap di dalam strukturkristalnya yang menyebabkan clara tarik antaraion titanium dengan ion-ion disekitarnya

berkurang, sehingga terjadi perubahan jarakantara ion titanium dengan ion-ion disekitarnya.Akibat dari perubahan jarak ini, maka dapatmenimbulkan perubahan bentuk struktturkristalnya yaitu dari bentuk tetragonal menjadibentukkubus. Hasil yang didapatkan ini, sesuaidengan penelitian yang telah dilakukan olehSolov'ev Cs[6], dari Rusia. Mereka telahmengamati perubahan bentuk struktur kristalBaTiG) oleh irradiasi netron cepat, yangmenimbulkan pernanjangan sisi c di dalamstJllktur kristalnya, sehingga struktur kristalnyaberubah daTi bentuk tetragonalmen.iadi bentukkubus.

pula. Nilai ini terlihat meningkat dengan tajammulai dari temperatur 70 °c, daD mencapai nilaiE tertinggi (nilai puncak E) pacta temperatur 120°c yaitu 5132, dan setelah melewati temperaturCurie maka nilai E mulai menurun. Inimenunjukkan bahwa E merupakan fungsi daritemperatur. Di alas temperatur Curie (120 °C)struktur kristal mengalami transisi daritetragonal menjadi kubik yang disertai denganperubahan sifat dielektl-ik bahan dariferroleketrik ke dielektrik biasa [1,2]. Dari basilpengukuran terlihat .juga bahwa sampaitemperaturpengukuran 160 °c, nilai E semakinkecil yaitu 2836. lni berarti bahwa keramikBaTiO3 ketika bersifat sebagai bahan dielektrikbiasa maka akan mempunyai nilai E yang lebihkecil hila dibanding dengan bahanferroelektriknya. Setelah diiradiasi dengan sinar-y sampai dosis 5,93 x 105 Oy menunjukkanpenurunan nilai puncak E menjadi 4266 (denganpenurunan sekitar 16,9 %) yang terjadi pactatemperatur 110OC. lni menunjukkan bahwain-adiasi sinar-y juga dapat menurunkantemQeratur Curie dari keramik ini, yaitu dari120 °c menjadi 110 °C. Di alas temperatur 110° C terlihat bahwa penurunan nilai E ini oleh

irradiasi sinar-y menjadi semakin besar. Pads

393

Tabell Konstanta dielektrik dari keramikBaTiO3 dengan variasi Temperaturpengukurannya sebelum clansesudah diiradiasi.

Kanazawa Institute

.Japan.2. Prof Dr. Tetsuo Miyazaki dati Applied

Chemistry Department, Faculty of

Engineering, Nagoya University, Japan,yang telah membantu kami dalampenggunaan fasilitas radiasi.

3. Prof Dr. Kenichi Takada dati Materials

Design Engineering Department,Kanazawa Institute of Technology, .Japan,yang telah mengizinkan dan me~iamkanperalatan yang diperlukan dalam penelitiankanJi.

of Technology,

Setelah

In-adiasiI No. T em~eratur

(OC)

30 3543 3252

2 40 3563 3271

32983 50 3591

60 3624 33324.

70 33795 3698

80 3802 34686.

36617 90 3987

lOO 39228. 4239

9 110 4575 4266

5132 383910 120

332611 130 4633

140 4102 271012

150 3517 206913

DAFfARPUSTAKA1 KITTEL Cffi "Introduction to Solid State

Physics", 6 ed, John Wiley & Son, NewYork, 1984,pp. 345-386.

2 HAUG A.,"Theoritical Solid StatePhysics", Vol. 1, Pergamon Press, NewYork, 1986,pp. 471-487.

3 CHOUDHARY B.K., RAO K. V.,CHOUDHARYR.N.P.,MaterLett.,~, 31.31, (1989).

4 HOLROYD.R.A.,"Radiation Chemistry",Farhataziz and M.A.J. Rodgers (eds),VCH, New York, 1987, pp. 201-233.

5 KOBAYASHI S., YATABE K.,Radioisotopes, l2, 45-48 (1970) (inJapanese).

6 SOLOV'EV S .P., KUZMIN I. I.,ZAKURKIN V.V., Ferroelectric, Vol. 1,19-22 (1970).

1194160 283614

KESIMPULANDari hasil penelitian yang telah

dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwaradiasi sinar-y pada keramik BaTiO3 dapatmenurunkan konstanta dielektrik padatemperatur ruang sekitar 8,2 %, daDmenurunkan nilai puncak kontanta dielektriksekitar 16,9 %0 serta menurunkan temperaturCurie dari 120 C menjadi 110 °C.

UCAPAN TERIMAKASrnPada kesempatan ini kami menyampaikan

terimakasih banyak kepada :1. Prof. Dr. Kyoji shinsaka yang telah

membimbing kami selama mengikutiprogram 8-2 (Master) di Materials

Design Engineering Department,

394