EFEK SUHU DAN WAKTU TAHAN SINTERING PADA BARIUM TITANAT

(BaTiO3) TERHADAP STRUKTUR MIKRO DAN KONSTANTA DIELEKTRIK

MENGGUNAKAN METODE COPRECIPITATION

TESIS

Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister

Program Studi Ilmu Fisika

Oleh:

RAMONA DYAH SAFITRI

NIM S911408002

PASCASARJANA

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2016

i

EFEK SUHU DAN WAKTU TAHAN SINTERING PADA BARIUM TITANAT

(BaTiO3) TERHADAP STRUKTUR MIKRO DAN KONSTANTA DIELEKTRIK

MENGGUNAKAN METODE COPRECIPITATION

TESIS

Disusun untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister

Program Studi Ilmu Fisika

Oleh:

RAMONA DYAH SAFITRI

S911408002

PASCASARJANA

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2016

ii

iii

iv

v

KATA PENGANTAR

Alhamdulillahi Rabb al ‘alamin puji syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan

karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tesis yang berjudul, “Efek Suhu

Dan Waktu Tahan Sintering Pada Barium Titanat (BaTiO3) Terhadap Struktur Mikro dan

Konstanta Dielektrik Menggunakan Metode Coprecipitation”. Penyusunan tesis ini bertujuan

untuk memenuhi sebagian persyaratan guna memperoleh gelar Magister pada Program Studi

Ilmu Fisika Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Penulis menyadari bahwa dalam penelitian dan penyusunan laporan tesis ini tidak

lepas dari bantuan dan dukungan berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan rasa tulus ikhlas dan

rasa terima kasih yang sebesar-besarnya penulis ucapkan kepada :

1. Prof. Dr. M. Furqon Hidayatullah, M.Pd, selaku Direktur Program Pascasarjana

Universitas Sebelas Maret Surakarta.

2. Prof. Drs.Cari, M.Sc., M.A., Ph.D, selaku KepalaProgram Studi Ilmu Fisika

Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta, sekaligus Pembimbing

Akademik yang telah banyak memberikan banyak bimbingan dan arahan serta

motivasi kepada penulis sehingga mampu menyelesaikan tesis ini.

3. Dr. Yofentina Irani, S.Si., M.Si selaku pembimbing I yang telah dengan sabar

membimbing, motivasi, arahan dan masukan selama melaksanakan penelitian dan

memberikan bagian proyek penelitian melalui Hibah Penelitian Unggulan Perguruan

Tinggi (PUPT) No. 0581/E3/2016.

4. Dr. Agus Supriyanto, S.Si., M.Si selaku pembimbing II yang telah memberikan saran

dan masukan dalam penyelesaian tesis.

5. Anif Jamaludin S.Si., M.Si atas saran dan kesempatan diskusi yang telah diberikan

dalam penyusunan tesis.

6. Bapak/Ibu Dosen Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret

Surakarta yang telah memberikan banyak ilmu tentang fisika.

7. Yunita, Isma, Piko, Friska sebagai teman seperjuangan di Lab Material dalam

Yopen’s Team.

8. Teman-teman seperjuangan di Ilmu Fisika Pascasarja yang telah memberikan

bantuan dan semangat dalam penyusunan tesis ini.

vi

9. Semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan tesis ini.

10. Keluarga tercinta yang terus memberikan semangat dan motivasi, sehingga penulis

dapat menyelesaikan tesis ini dengan lancar.

Semoga Allah SWT memberikan balasan yang sebaik-baiknya atas kebaikan dan bantuan

yang telah diberikan. Semoga laporan penelitian ini dapat memberi manfaat bagi penulis

khususnya dan pembaca pada umumnya.

Surakarta, 2016

Penulis

vii

Ramona Dyah Safitri. S911408002. “Efek Suhu Dan Waktu Tahan Sintering Pada

Barium Titanat (BaTiO3) Terhadap Struktur Mikro dan Konstanta Dielektrik

Menggunakan Metode Coprecipitation”. Tesis Pasccasarjana Program Studi Ilmu

Fisika Universitas Sebelas Maret Surakarta. Pembimbing: (1). Dr. Yofentina Iriani,

M.Si (2). Dr. Agus Supriyanto, M.Si

ABSTRAK

Material Ferroelektrik Barium Titanat (BaTiO3) telah dibuat menggunakan metode

coprecipitation. Sampel di-sintering dengan variasi suhu 800°C dan 900°C serta variasi

waktu tahan 1 jam, 2 jam, 3jam, 4 jam. Karakterisasi sampel dilakukan menggunakan

peralatan XRD untuk mengetahui tingkat kekristalan, ukuran kristal dan parameter kisi.

Morfologi BaTiO3 diuji dengan Scanning Electron Microscopy (SEM), semakin tinggi

suhu sintering dan waktu tahan menyebabkan ukuran butir kristal semakin besar.

Rangkaian sawyer tower digunakan untuk mendapatkan kurva histerisis.Pengujian

menggunakan peralatan RLC meter untuk mengetahui konstanta dielektrik, pengukuran

dilakukan pada rentang frekuensi 1 kHz sampai 100 kHz. Konstanta dielektrik (K)

tertinggi adalah pada suhu 900°C dengan waktu tahan 4 jam yaitu sebesar 184.

Kata Kunci: Barium Titanat, Konstanta Dielektrik, Coprecipitation, Ukuran butir

viii

Ramona Dyah Safitri. S911408005. “Temperature and Holding Time of Sinterring

Effects of Barium Titanat (BaTiO3) to Microstructure and Dielectric Constants Using

Coprecipitation Method”. Thesis: Physics Department Graduate Program, Sebelas

Maret University. Advisors: (1) Dr. Yofentina Iriani, M.Si (2) Dr. Agus Supriyanto, M.Si.

ABSTRACT

Barium Titanat as a Ferroelectric Material has been prepared using Copricipitation

method. The samples were sintered at temperature 800oC and 900oC with variation of

holding time 1, 2, 3, and 4 hours. Samples characterization was performed by using X-

Ray Diffraction (XRD) instrument to determine crystallinity, crystallite size and lattice

parameter. The morfologi BaTiO3 was characterized by Scanning Electron Microscopy

SEM, the increase of sintering temperature and holding time cause grain size increase.

The sawyer tower loop circuit to obtain histerisis loop. The measurement by RLC meter

used to obtain dielectric constants, where measurement performed in the frequancy range

1 kHz to 100 kHz. The highest of dielectric constantwas obtained at 900°Cand by holding

time 4 hours is 184.

Keywords: Barium titanat, Dielectric constant, Coprecipitation, Grain Size.

Motto

ix

Allah tidak membebani seseorang

melainkan sesuai dengan

kesanggupannya.

(Al-Baqarah : 286 )

Teruslah berusaha dan belajar karena setiap kesulitan terdapat kemudahan

Jangan menganggap tugas belajarmu sebagai sebuah kewajiban,

melainkan pandanglah sebagai sebuah kesempatan untuk menikmati betapa

indahnya dunia ilmu pengetahuan, kepuasan hati yang diberikannya

serta manfaat yang akan diterima oleh masyarakat

apabila jerih payahmu berhasil.

(Albert Einstein)

PERSEMBAHAN

Terimakasih ya Allah sudah di berikan kemudahan dan kelancaran dalam penyusunan Tesis ini dan Tesis ini

kupersembahkan kepada orang-orang yang sangat berarti buat saya:

Kedua Orang tua tercinta terimakasih untuk semua pengorbanan, kesabaran, doa, nasehat dan kasih

sayang yang tiada henti dan selalu kasih yang terbaik buat anaknya.

Adikku Winanda dyah utari yang selalu mendukung dan memberi suport buat cita-cita kakanya.

Ibu yofentina tercinta terimakasih atas bimbingannya, motivasinya, kebasaranya dalam membimbing

saya.

Kekasih hatiku Subur Pramono terimaksih atas dukungannya, semangatnya yang tiada henti.

Terimakasih sahabat-sahabatku Linda, Fifah, Ega, Mpy, Mely, Ncha kalian takan terganti

Pejuang Ferroelektrik yopen’s Team Yunita, Alpi,Arny, Dianisa,Piko, Isma, Friska kalian luar biasa selama

penelitian.

Terimakasih buat teman seperjuagan ilmu fisika mas-mas dan mbak-mbak semua atas masukan dan

motivasinya selama perkuliahan berlangsung.

DAFTAR ISI

x

Halaman

HALAMAN JUDUL ....................................................................................... i

HALAMAN PERSETUJUAN ...................................................................... ii

HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................ iii

SURAT PERNYATAAN.. .............................................................................. iv

KATA PENGANTAR .................................................................................... v

HALAMAN ABSTRAK ................................................................................. vii

HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN ........................................... ix

DARTAR ISI ................................................................................................... x

DAFTAR TABEL ........................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xiii

DAFTAR SIMBOL......................................................................................... xv

DAFTAR LAMPIRAN................................................................................... xvi

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................ 1

A. Latar Belakang Masalah .............................................................. 1

B. Rumusan Masalah........................................................................ 3

C. Tujuan Penelitian ......................................................................... 4

D. Batasan Masalah .......................................................................... 4

E. Manfaat Penelitian ....................................................................... 4

BAB II LANDASAN TEORI ...................................................................... 5

A. Dielektrik dan Polarisasi .............................................................. 5

B. Jenis-jenis Polarisasi .................................................................... 9

1. Polarisasi Elektronik .............................................................. 9

2. Polarisasi Ionik ...................................................................... 9

3. Polarisasi Orientasi ................................................................ 10

C. Ferroelektrik ................................................................................. 11

D. Struktur Perovskite Barium titanat (BaTiO3) ............................... 12

E. Metode Coprecipitation ............................................................... 18

F. Sintering ....................................................................................... 19

G. Karakterisasi ................................................................................. 20

1. X-Ray Difraction (XRD) ........................................................ 20

2. Scanning Elektron Microscopy (SEM) ................................... 22

3. Sawyer Tower ......................................................................... 23

4. RLC meter ............................................................................. 24

BAB III METODE PENELITIAN ............................................................... 31

xi

A. Tempat dan Waktu Penelitian...................................................... 31

B. Alat dan Bahan Penelitian ........................................................... 31

1.Alat-alat yang digunakan.......................................................... 31

2. Bahan-bahan yang digunakan .................................................. 32

C. Metode Penelitian ........................................................................ 32

D. Pembuatan Sampel....................................................................... 33

1. Persiapan Alat dan Bahan ........................................................ 33

2.Perhitungan dan Penimbangan ................................................. 33

3.Larutan ...................................................................................... 33

4. Proses Pencucian dan Pengendapan Larutan ........................... 33

5.Proses Pengeringan ................................................................... 33

6.Kompaksi (Press) BaTiO3 ........................................................ 33

7.Sintering BaTiO3 ...................................................................... 34

8. Karakterisasi BaTiO3 ............................................................... 34

a. X-Ray Diffraction (XRD)..................................................... 34

b. Scanning Electron Microscopy (SEM) ................................ 34

c.Sawyer Tower (Uji Kurva Histerisis).................................... 34

d. Resistance Capacitance Indctance (RCL) ........................... 34

9. Pengolahan dan Analisis Data ................................................ 35

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .............................. 37

A. Karakterisasi Struktur Kristal BaTiO3 ......................................... 37

B. Morfologi BaTiO3........................................................................ 43

C. Karakteristik Histerisis BaTiO3 ................................................... 44

D. Konstanta Dielektrik BaTiO3....................................................... 46

BAB V PENUTUP ........................................................................................ 50

5.1. Kesimpulan ................................................................................. 50

5.2. Saran ........................................................................................... 50

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 51

LAMPIRAN ................................................................................................... 54

DAFTAR TABEL

xii

Halaman

Tabel 2.1 Beberapa temperatur curie pada material ferrolektrik ................... 17

Tabel 4.1 Perubahan Nilai Intensitas BaTiO3 dengan variasi suhu sintering

dan waktu tahan ............................................................................ 39

Tabel 4.2 Tingkat kekristalan BaTiO3 dengan variasi suhu sintering dan

waktu tahan ................................................................................... 40

Tabel 4.3 Nilai Parameter Kisi Hasil Refinement Software GSAS dan

tetragonalitas dengan suhu 800°C dan variasi waktu tahan............ 41

Tabel 4.4 Nilai Parameter Kisi Hasil Refinement Software GSAS dan

Tetragonalitas dengan suhu900°C dan variasi waktu tahan .......... 42

Tabel 4.5 Parameter kisi dan Ukuran kristal BaTiO3 pada suhu sintering

800°C dengan variasi waktu tahan ................................................ 43

Tabel 4.6 Parameter kisi dan Ukuran kristal BaTiO3 pada suhu sintering

900°C dengan variasi waktu tahan ................................................ 43

Tabel 4.7 Ukuran Butir BaTiO3 dengan variasi suhu sintering dan waktu

tahan ..................................................................................................... 44

Tabel 4.8 Konstanta dielektrik BaTiO3 dengan variasi suhu sintering dan

waktu tahan ................................................................................... 49

DAFTAR GAMBAR

xiii

Halaman

Gambar 2.1 Kapasitor Plat Sejajar ................................................................ 6

Gambar 2.2 Skema Dipol Listrik ................................................................. 8

Gambar 2.3 Gaya terpaksa pada dipol dan penyearahan dipol oleh medan

listrik ........................................................................................ 8

Gambar 2.4 Polarisasi elektronik ................................................................. 9

Gambar 2.5 Polarisasi Ionik ......................................................................... 10

Gambar 2.6 Polarisasi Orientasi .................................................................. 10

Gambar 2.7 Kurva Histerisis ........................................................................ 11

Gambar 2.8 Penjelasan mikroskopik piezoestriction dan electrostriction .. 13

Gambar 2.9 Struktur Kristal BaTiO3 ............................................................ 16

Gambar 2.10 Polarisasi spontan dan permitivitas suatu material ferroelektrik

yang bergantung pada temperatur. ............................................ 16

Gambar 2.11 Sel Satuan dari Empat Fase BaTiO3 ......................................... 17

Gambar 2.12 Perubahan struktur mikro pada saat Sintering .......................... 19

Gambar 2.13 Difraksi Bragg ........................................................................... 18

Gambar 2.14 Skema Alat Scanning Elektron Microscopy (SEM) ................. 23

Gambar 2.15 Tegangan yang diberikan oleh sumber AC sinusoidal dengan

periode 𝑇 ................................................................................... 25

Gambar 2.16 Rangkaian seri yang terdiri dari atas resistor, induktor dan

kapasitor yang dihubungkan dengan sumber AC ..................... 25

Gambar 2.17 Hubungan-hubungan fase untuk tegangan sesaat dalam

rangkaian RLC .......................................................................... 26

Gambar 2.18 Hubungan-hubungan fase antara phasor tegangan phasor arus

untuk (a) resistor, (b) induktor, (c) kapasitor yang

dihubungkan secara seri ............................................................ 27

Gambar 2.19 (a) Diagram phasor untuk rangkaian seri RLC yang

ditunjukkan dalam Gambar 33.13a. Phasor Δ𝑉𝑅 sefase dengan

phasor arus 𝐼𝑚𝑎𝑘𝑠, phasor Δ𝑉𝐿 mendahului 𝐼𝑚𝑎𝑘𝑠 sebesar

90°C, dan phasor Δ𝑉𝐶 tertinggal 90°C dari 𝐼𝑚𝑎𝑘𝑠. Tegangan

xiv

total Δ𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠 membentuk sudut 𝜙 dengan 𝐼𝑚𝑎𝑘𝑠. (b) Bentuk

sederhana dari diagram phasor ini ditunjukkan dibagian (a) .... 28

Gambar 2.20 Sebuah segitiga impedans untuk rangkaian RLC memberikan

hubungan 𝑍 = √𝑅2 + (𝑋𝐿 − 𝑋𝐶)2 ........................................... 29

Gambar 3.1 Alur Penelitian .......................................................................... 32

Gambar 4.1 Pola Difraksi BaTiO3 dengan variasi waktu sintering 800°C

dengan waktu tahan 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam ........................ 38

Gambar 4.2 Pola Difraksi BaTiO3 dengan variasi waktu sintering 900°C

dengan waktu tahan 1 jam, 2 jam, 3 jam, 4 jam. ....................... 40

Gambar 4.3 Hasil Penghalusan dengan Software GSAS suhu 800°C waktu

tahan 3 jam ................................................................................ 41

Gambar 4.4 Grafik Ukuran Kristal dengan Variasi Waktu Tahan .............. 43

Gambar 4.5 Foto SEM BaTiO3 ..................................................................... 44

Gambar 4.6 Karakterisasi Histerisis dengan suhu 800°C variasi waktu

tahan .......................................................................................... 45

Gambar 4.7 Karakterisasi Histerisis dengan suhu 900°C variasi waktu

tahan .......................................................................................... 46

Gambar 4.8 Grafik nilai konstanta dielektrik terhadap perubahan frekuensi

pada BaTiO3 dengan suhu 800°C dan variasi waktu tahan ....... 47

Gambar 4.9 Grafik nilai konstanta dielektrik terhadap perubahan frekuensi

pada BaTiO3 dengan suhu 900°C dan variasi waktu tahan ....... 48

Gambar 4.10 Grafik nilai konstanta dielektrik terhadap perubahan frekuensi

pada BaTiO3 dengan suhu 900°C dan waktu tahan 4 jam ........ 48

DAFTAR SIMBOL

C Kapasitansi Kapasitor (Farad)

𝐾 Konstanta Dielektrik

xv

𝜖 Permitivitas Bahan

𝜖𝑜 Permitivitas Ruang Hampa (8,85x10-12 Farad.m-1)

A Luas Keping Kapasitor (m2)

d Jarak antar Keping atau Ketebalan bulk (m)

P Polarisasi (C/m2)

𝑃𝑒 Polarisasi Elektronik

𝑃𝑖 Polarisasi Ionik

𝑃𝑜 Polarisasi Orientasi

E Kuat Medan Listrik (N/C)

°K Derajat Kelvin

°C Derajat Celsius

Tc Temperatur Curie

d Jarak antara Dua BidangKisi (Å)

θ Sudut Difraksi

λ Panjang Gelombang (m)

Å Angstrom

χ2 Chi Square

D Ukuran Kristal (nm)

η Regangan Kisi(%)

β Nilai FWHM

kHz Frekuensi (kilo Hertz)

Vrms Tegangan (Volt)

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1 Database ICDD ............................................................................ 54

xvi

Lampiran 2 Sudut diffraksi BaTiO3.................................................................. 55

Lampiran 3 Hasil Refinement dengan software GSAS........................................ 56

Lampiran 4 Data pengukuran Konstanta Dielektrik ......................................... 64

Lampiran 5 Respon Polarisasi Terhadap Perubahan Medan Listrik ................ 71

Lampiran 6 Foto SEM BaTiO3 ............................................................................. 73

Lampiran 7 Contoh perhitungan ukuran butir sampel BaTiO3 suhu 900°C

waktu tahan 3 jam ....................................................................... 74