Kontak Li.strik Resistivitas Rendah Pada Bulk Super Konduktor Keramik Tc Tinggi Sistim YBa2CuJO 1.X (Wisnu Ari Adi)

KONTAK LISTRIK RESISTIVITAS RENDA"PADA BULK SUPER KONDUKTOR KERAMIK Tc TINGGI

SISTIM YBa2Cu3O7-X

Wisnu Ari Adi, Engkir Sukirman, Didin S. WinatapuraPusat Penelitian don Pengembangan Iptek Bahan BATAN

E-mail.. dwisnuaa@batan.go.id

ABSTRAK

KONTAK LISTRIK RESISTlVrrAS RENDAH PADA BULKSUPERKONDUKTOR KERAMIKTc TINGGI SISTIM YBa2Cu3O7J1:' Telah dilakukan penelitian kontak listrik pads bulk superkonduktor Tctinggi (STT) sistim YBCO. Tujuan penelitian ini adalah mencari suatu metode penyambu1lgan listrik antaralogam dan superkonduktor keramik dengan resistivitas kontak yang serendah-rendahnya. Ada dUB konfigurasiyang digunakan pada penelitian ini, yaitu konfigurasi penanaman kawat perak dan konfigurasi penanaman kawattembaga, yang rossing-roBBing menggunakan pasta perak Ada beberapa proses yang dilakukan dalam membuatkontak listrik ini, yaitu: proses pcnanaman, proses pelekatan pasta peTak, dan proses perlakuan panas (anil).Pads proses anil ini bcrtujuan untuk menghilangkan beberapa polimer yang ada pads pasta peTak. Kedua konfigurasiini menghasilkan resistivitas kontak cukup rendah dengan Pc berturut-turut 6,94 x 10.7 O.cm2 dan 1,10 x 10"O.cm2 Dari dUB metode tersebut yang paling efektif dan baik adalah metode penanaman kawat peTak. Metodekontak ini diharapkan sangat berguna dan penting untuk perkembangan teknologi aplikasi bulk superkonduktor

Kala kunci Superkonduktor, Suhu Transisi Kritis, Resistivitas Kontak, Arus Kritis.

ABSTRACT

LOW-RESISTIVITY ELECTRIC CONTACT FOR HIGH Tc BULKS CERAMIC SUPERCON-DUCTOR YBa1CuJO7-x SYSTEM. Electrical contact investigation of high Tc Superconductor bulk of YBCO(123) systems has been done. The purpose of this investigation is to look for an electrical method connectingmetal and ceramic superconductor which has a low resistance We prepared two configurations, i.e., by embed-ding silver wire and embedding copper wire using silver paste as binder. There are some steps for preparation ofmeasurements, i.e., embedding process, binding process using silver paste, and heat treatment process (anneal-ing) The purpose of annealing process is to eliminate polymers which are contained in silver paste. Bothmethods yield a low resistivity contact suitable with it's Pc about 6.94 x 10.7 Q.cm2 and 1.10 x 10's O.cm2,respectively. From both methods, embedding silver wire method is more effective and good. The contact methodis expected to give a better solution for application of technology bulk superconductor.

Key words: Superconductor, Critical Temperature, Resistivity of Contact, Critical Current.

PENDAHULUAN

Kebanyakan dalam aplikasi komersial, tidak bisadihindarkan bahwa superkonduktor harus dihubungkandengan komponen peralatan lain. Dalam hal ini yangpaling mendasar yang harus dipenuhi adalah bahwaresistivitas sambungan haruslah serendah mungkin,terutama jika bahan superkonduktor digunakan untukmengalirkan arus tinggi, misalnya dalam pemakaiansebagai kabel transmisi daya, generator, motor,penyimpan energi, dan aplikasi lainnya. Sambunganresistivitas rendah juga disyaratkan manakalasuperkonduktor digunakan sebagai bagian daTi suaturangkaian elektronika, rnisalnya di dalam komputer super

cepat.

Ketika kawat dilekatkan pada pennukaan bulk

superkonduktor dengan menggunakan solder, sepertiIndium Alloys, maka resistansi kontak relatif tinggi akibatinterface tersebut. Aliran arus sering menghasilkanpanas pada kontaknya, daD menimbulkan kenaikanresistivitas pada bahan superkonduktor, sehinggapengukuranrapat arus kritis (Jc) tidak akurat [1,9]. Hal inimerupakan suatu fenomena umum yang terjadi padabahan Superkonduktor Temperatur Tinggi (STT).Berbagai tara dilakukan orang untuk mengurangi efekpanas daD tingginya resistansi kontak tersebut. Tujuanpenelitian ini adalah mencari suatu metode yang tepatuntuk memperoleh kontak dengan resistivitas yangcukup rendah. '

27

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal o/Materials Science

Vol. 1 No.3, Juni 2000, hal: 27 -32ISSN: 1411-1098

3.

4.

5.

6.

Ekin, [I J berhasil membuat kontak listrik dengan

resistivitas kontak Pc sangat rendah sekitar 10-10 Ocm2.

Kontak dibuat dengan depo.sisi (metode sputtering)emaslperak pada permukaan mperkonduktorYBCO dan

dianil pacta suhu 500-600 °C dalam aliran oksigen.

Kemudian Jin, [2J juga melaporkan bahwa dengan

menggunakan lapisan emas basil penguapan pada lapisantipis YBCO diperoleh Pc sekitar 10-10 Ocm-2. Begitu juga

Van der Maas [3J membuat kODiak listrik dengan metoda

pengendapan lapisan peTak pada YBCO dan memperoleh

Pc sekitar 10-8 Ocm2 setelah dianil pada 500 °C dalam aliran

oksigen. Suasmoro [4J melaporkan bahwa pada umumnya

resistansi an tara elektroda dengan superkonduktorberkisar 10. Dengan resistansi sebesar ill, maka arus 5 A

dapat menimbulkan disipasi panas sebesar 25 watt. Daya

sebesar ini sebagian dibuang ke kriostat nitrogen cair

daD sebagian lagi masuk ke dalam cuplikan

superkonduktor. Sehingga suhu pada permukaan cuplikanlebih besar dati 77 K. Kenyataan ini merupakan kendala

dalam pengukuran.Pada penelitian terdahulu [5J penulis

menggunakan metode pelekatan kawat tembaga dengan

menggunakan pasta peTak. Namun metode ini sering

men gal ami kegagalan yang disebabkan oleh daya lekat

pasta peTak tersebut kurang baik terutama pada saat subu

mencapai 77 K (subu didih nitrogen cair). Sehingga seringterjadi fluktuasi daD peningkatan resistansi pada basil

pengukuran. Resistansi kontak semacam ill kurang layak

digunakan dalam pengukuran sifat listrik bahan.

Mengacu pada penelitian-penelitian sebelumnyaseperti tersebut di atas, maka diperlukan suatu terobosan

ilmiah bagaimana membuat resistarisi kODiak yang rendah

sehingga dapat digunakan sebagai standar untuk

pengukuran sifat-sifat listrik bahan. Pada penelitian ini

dikembangkan suatu metode penanarnan kawat perak dan

tembaga pada cuplikan. Metode ini berlaku untuk

cuplikan yang berbentuk bulk saja, dengan syaratcuplikan cukup tebal. Hal ini diperlukan disamping untuk

proses penanamanjuga untuk kalibrasi pengukuran [6,7J.

lobang tersebut ditanamkan kawat yang akandigunakan sebagai titik kontak listrik.Dalam penelitian ini diuji dua jenis kawat, yaknikawat peTak dan tembaga, yang selanjutnya bertumt-turut disebut konfigurasi AgiYBCO dan CuNBCO.Kedua jenis kawat tersebut masing-masingberdiameter 0,5 mm, dan panjang sekitar 0,5 cm.Sebelum kawat dimasukkanke dalam lobang, lobangtersebut ditetesi pasta peTak sedemikian rupasehingga luas permukaan tete san kira-kiraberdiameter 1 mill. Pasta peTak yang digunakanadalah Silver Loaded Epoxy Adhesive (RS 186-3616) dengan kandungan peTak 75-80~ dan

Triethylenetetramine.Kemudian kawat-kawat tersebut dimasukkan kedalam lobang dan cuplikan dibiarkan selama 5 jamuntuk mengeringkan pasta petak tadi.Selanjutnya setiap konfigurasi (Ag/YBCO dan CuIYBCO) dipanaskan di udara (proses anil) selama Ijam, laju pemanasan/ pendinginan 2 DC per menitdengan variasi suhu anil 100 DC, 150 DC, 200 DC,250 DC, 400 DC, daD 500 DC, selanjutnya kondisicuplikan berturut-turutdisebut K-lOO, K-150, K-200,K-250, K-400, danK-500.Setelah proses annealing, keempat probe padasetiap cuplikan dihubungkan dengan kabelmenggunakan solder, kemudian cuplikan dibungkusdengan isolasi yang bertujuan agar keempat probetadi tidak langsung bersentuhan dengan nitrogencairo

7

Resistansi kontak untuk setiap cuplikan dengankondisiK-IOO, K-150,K-200, K-250, K-400, danK-500,diukur masing-masing lima kali baik untuk konfigurasi

(a)

BAHAN DAN TATA KERJA

'\

.~'\ i)MSTAft~

(b)

/

""

/"'"Gambar 1. Skema metode penanaman kawat kedalam bulk superkonduktor dengan memakai pastaperak (a) Tampak samping, (b) Tampak atas.

Sintesis bulk superkonduktor sistim YBCO telah

dilakukan pacta pekerjaan sebelumnya menggunakanmetode reaksi padatan [8]. Pacta makalah ini dipersiapkancuplikan YBCO dalam bentuk bulk. Dengan diametercuplikan sekitar 2,5 cm dan ketebalan sekitar 0,75 cm.

Pengukuran sifat listrik cuplikan dilakukan denganmetoda/our-point probe. Kontak listrik antara logam dancuplikan dibuat dengan cara sebagai berikut :1. Cuplikan dilobangi sebanyak empat titik dengan

menggunakan bor tangan (mini drill), dengandiameter lobang 0,5 nun dengan kedaIaman lobang 3

mm, dan jarak antar lobang atau yang dikenal sebagaijarak antar probe .~ sebesar 2 nun, seperti ditunjttkkanpacta Gambar 1.

2. Setelah cuplikan dilubangi, kemudian pacta lobang-

Kontak Listrik Resistivitas Rendah Pada Bulk Super Konduktor Keramik Tc Tinggi Sistim YBa,Cu,O 7.X(Wisnu Ari Adi)

Tabel 1. Data pengukuran tegangan kontak untui<konfigurasi Cu/YBCO

AgiYBCO maupun Cu/YBCO. Dengan demikian akandidapat 30 data resistansi kontak setiap konfigurasi. Dari30 data resistansi kontak tersebut, dipilih cuplikan dengandata dengan resistansi terendah. Kemudian pada cuplikandengan resistansi yang paling rendah tadi, dilakukanpengukuran arus kritisnya baik untuk konfigurasi CuIYBCO maupun Ag/YBCO.

Peralatan yang digunakan untuk pengukuranresistivitas kontak ini terdiri dati 4 komponen, yaituperangkat komputer, sumber arus dengan batas keluaranarus daTi 10 mA sampai 20 A, voltmeter dengan bataspengukuran terkecil sampai skala nanovolt, daDpengontrol suhu. Ketiga komponen terakhir dihubungkandengan komputer mela1ui panel depan (IEEE-488 GPffi)dan Chart Thermometer, sehingga pengukuran ini dapatdikontrol melalui komputer.

BASIL DAN PEMBABASAN

Superkonduktivitas cuplikan YBCO yangdigunakan untuk pengujian resistansi kontakdikarakterisasi terlebih dahulu. Hasil karakterisasiditunjukkan pada Gambar 2. Tampak bahwa cuplikanmenampilkan fenomena superkonduktivitas dengan suhutransisi kritis T 1 = 91 K daD T t = 113 K, daD adanya

0,1" .,onupelebaran transisi resistif. Pelebaran transisi resistifterjadiakibat distribusi suhu cuplikan tidak merata pada saatpengukuran [9]. Namun demikian, kurva ini telahmenunjukkan bahwa cuplikan YBCO merupakan bahansuperkonduktor yang mempunyai suhu transisi kritiscukup tinggi, sehingga cuplikan ini layak digunakansebagai cuplikan uji untuk pengukuran resistivitas kontak.

Hasil pengukuran tegangan kontak ditunjukkanpada Tabell daD 2 berturut-turut untuk konfigurasi CuiYBCO daD Ag/YBCO. Terlihat bahwa tegangan rata-rataterkecil terdapat pada kondisi anil K-250 daD K-500,bertumt-turut untukkonfigurasi Cu/YBCO dan AgfYBCO.Dengan menggunakan hukum OhmR=V/I, dapat dihitungbesarnya resistansi dari kedua konfigurasi tersebut,

dengan memasukkan arus I = 1 A (Arus kritis cuplikan

sekitar 1,5 A). Resistivitas kontak dihitung daTi rumus p= R.A, dimana A adalah luas penampang kontak [1,2].

Dengan asumsi bahwa kontak berbentuk silinder yangsangat pipih seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Databasil perhitungan resistivitas ditunjukkan pada Tabel 3.

Dari Tabel 3 dibuat grnfik antara suhu ani! terhadapresistivitas sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5. Jelasterlihat bahwa resistivitas kontak semakin kecil denganmeningkatnya suhu anil. Hal ini disebabkan karenasemakin berkurangnya beberapa polimer yang ada padapasta peTak tersebut dengan indikasi bahwa terjadipenurunan tegangan saat suhu anil dinaikkan sepertiyang terlihat pada tabel 3.

Suhu anil untuk konfigurasi Cu/YBCO maksimum

"""1"1

Gambar 2. Kurva resistivitas terhadap suhu cuplikan superkonduktor sistim YBCOfasa-123 yang mempunyai T c.ool = 91 K dengan masukan arus 10 mA.

29

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal o/Materials Science

Vol. 1 No.3, Juni 2000, hal: 27 -32ISSN: 1411-1098

Tabel 3. Data pengukuran resistivitas kontak untukkonfigurasi CuNBCO dan Ag/YBCO pada arus 1 A danluas penampang kontak 7,85 K 10-3 cm'-

,OOE-O3

1.00E-o4aiYJrn~

(D) ql6xl

2,~xl !q~xlO' ;

8.~xla'

1,OOE-O5

7,e6x.lcf , 7,e6xiU"!~l4,92,,10"

6,82 x 10'

4,92xlO' I 3,"~xlO"

KaIJjsi V(Volt)AriI

K-IOO 6,16x 1

K-l~ 2,'fixl

~3)) 6,'fixl

K-~ a,84xl ~ij'l5,35xld'

l~xl<r'~

4~xla'l,:tixl

1,4)xl

K-4X>

K-»J

-~

pada 250 °C dengan resistivitas kontak sebesar6,94 x 10-7 .o..cm2, karena pada suhu di atas itu permukaankawat Cu sudah menga1ami oksidasi, sehinggamengakibatkan resistansi yang cukup besar. Namununtuk konflgurasi Ag/YBCO suhu ani! maksimum pada500 °C dengan resistansi kontak sebesar 1, lOx 10-8 .0.. cm2.Hal ini disebabkan pada suhu di atas itu terjadinya

1,OOE-10

1;OOE-11 SuhuPengukuran

!)ada 77 K

1 ,ooe-f 20 100 200 300 400 500 600

Suhu Annealing (OC)

Gambar 50 Kurva Resistivitas Kontak terhadap SuhuAnnealing dengan laju pemanasan clan pendinginan 2 .C/menit selama 1 jam di udarao

perubahan pada jumlah kandungan oksigen pada sampe1ini cukup besar [8], sehingga mengakibatkan perubahanpacta struktur bahan tersebut.

Pacta Gambar 6a dan 6b menunjukkan kurva antSterhadap tegangan berturut-turut untukkonfigurasi CuIYBCO dan Ag/YBCO. Ter1ihat bahwa ants kritis untukkonfigurasi Cu/YBCO 1ebih keci1 dibanding dengan aruskritis untuk konfigurasi Ag/YBCO yaitu berturut-turut1,2 A dan 1,4 A. Perbedaan ini merupakan fenomenaperambatan energi panas yang diakibatkan oleh resistansikontak dari kedua konfigurasi tersebut. Pacta dasamyakontak antara logam sebagai penghantar dan bahankeramik akan menimbulkan barrier listrik. Hal ini dapatmenimbulkan resistansi pada permukaan kontak, sehinggaapabila dialiri arus akan menimbulkan panas akibat disipasipanas, dan panas ini akan semakin besar apabila antsyang dialirkan semakin besar. Karena resistansi kontakuntuk konfigurasi CulYBCO lebih besar dibandingkandengan resistansi kontak konfigurasi Ag/YBCO, makaenergi panas yang ditimbu1kan kontak dengankonfigurasi CulYBCO 1ebih besar pula dibandingkandengan kontak konfigurasi Ag/YBCO. Sehingga hal inimenyebabkan terjadinya petbedaan arus kritis pada keduakonfigurasi tersebut walaupun tidak cukup signifikan.Hal ini sesuai dengan teori Barden Cooper Schrifer (BSC)dalam superkoduktor bahwa ants dibawa oleh elektron-elektron yang berpasang-pasangan yang sering disebutsebagai cooper pairs [7,10]. Dengan adanya ants yang

Gambar 4. Foto makro dari Luas Penampang Kontakuntuk :(a-b)Konfigurasi Cu/YBCO ; (c-d)Konfigurasi Ag/YBCO

30

Kantak Listrik Resistivitas Rendah Pada Bulk Super Kanduktar Keramik Tc Tinggi Sistim YBa,Cu JO 7-X (Wisnu Ari Adi)

~

t(b)

mengalir pada cuplikan, maka timbul energi ekstemal yangakan ikut membantu memutuskan pasangan elektron. Jikaenergi yang terlibat lebih besar dari energi ikat pasanganelektron, maka pasangan tersebut akan putus menjadielektron-elektron tunggal sehingga bahan menjadikonduktor biasa. Dalam hal ini salah satu energi yangterlibat adalah energi panas yang diakibatkan oleh adanyaresistansi kontak, sehingga apabila resistansi kontak itubesar maka akan mempercepat bahan tersebut untukmenjadi non superkonduksi. Berkaitan dengan keduakonfigurasi di atas maka terlihat bahwa konfigurasi CuiYBCO lebih cepat berada pada keadaan non

superkonduksi dibandingkan dengan konfigurasi Ag/YBCO.

Tabel 4. Rasio resistansi pada 9uhu ruang dengan resistansipada suhu 77 K

Tabel4 menunjukkan bahwa rasio resistansi padasuhu ruang daD suhu kamar untuk konfigurasi AgiYBCOlebih kecil dibandingkan dengan konfigurasi Cu/YBCO.Rasio konfigurasi Cu/YBCO hampir 57 kali konfigurasiAgiYBCO. Fenomena ini sarna dengan yang ditunjukkanpada gambar 5 dan 6. Dengan demikian resistivitas koDiak

yang cukup baik terdapat pacta konfigurasi AgiYBCOyang mempunyai resistivitas kODiak 1,10 x 10-8 O.cm2 padasuhu anil 500 "C selama 1 jam dengan laju pemanasan/pendinginan sebesar 2 °C/menit di udara.

UCAPAN TERIMAKASm

Kami ucapkan terimakasih kepada DR Wuryantoselaku Kepala Puslitbang Iptek Bahan dan DR. Ridwanselaku Kepala Bidang Zat Mampat yang banyakmemberikan semangat dan arahan-arahannya dalampenulisan ill. Dan kepada Drs. Wagiyo H., M. T yang

telah membantu dalam pengambilan gambar dengan

photo makroskopiknya.

31

Jur11G1 Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 1 No.3, Juni 2000, hat : 27 -32lSSN:1411-1098

DAFTAR ACUAN [6]. WISNU, A.A., SUKIRMAN, E., IuklakPemakaianAlat Ukur Rapat AlUS Kritis (Ic) dan Suhu Transisi

EKIN, J.W., BOULDER, COLa, PANSON, A.J., Kritis (Tc) Superkonduktor denganBErrY, High Tc Superconductor Contact Unit Hav- Menggunakan Metoda Four Point Probe,ing Low Interface Resistivity, And Method of LaporanteknisBZM-P3IBBATAN, Serpong,I999.Making, Appl. No: 274.881, USA, November 22, [7]. WISNU, A.A., SUKIRMAN, E., WINATAPURA,1988. D.S., Teknik Pengukuran Rapat Arus Kritis BulkJIN, S., DAVIS, M.E., TIEFEL,T.H., VAN DOVER, Superkonduktor Tc Tinggi dengan Metode

R.B., SHERWOOD, R.C., O'BRYAN, H.M., EkstrapolasiLinier, disajikanpada Seminar SainsKAMMLOTT, G.W., FASTNACHT, R.A.,Low-re- danTeknologi Nuklir, P3TN, Bandung, 11-12Julisistivity contacts to bulk high Tc superconduc- 2(XO.tors, AT&T Bell Laboratories, Murray Hill, New [8]. SUKIRMAN, E., Pengaruh Distribusi Kekosongan

Jersey, (1989). Oksigen pada Superkonduktivitas YBa2CujO7-X 'VAN DER MAAS, J., GASPAROV, V.A., PA VUNA, Thesis Master Fakultas Pasca Sarjana UniversitasD., Nature, 328 (1987) 603. Indonesia, 1991.SUASMORO, Pembatas Kemampuan (Perfor- [9]. FONTANA, F., PERSICO, V., LIVANOV, D.V.,mance limits) dan Alternatif Riset Superkonduktor BALESTRINO, G., Resistive Transition inYBa Cu o Disa J.ikan Pada Diskusi Ilmiah Bi Sr C:I Cu 0 Phase, Sov. P;Jn,s. IETP Left., 60,' "2 2" 3 IO+X "f

Su~rkofidMor'98, PPSM Serpong, 22 April 1998. 12(1994).

SUKIRMAN, WISNU, A.A., E., SULISWORO, P., [10]. BUCKEL, W., Superconductivity, VCH PublisherPRASUAD, W., The Increase of Critical Current mc., New York, (1991)29-36.Density on the Bulk of BSCCO-System Supercon-ductor With Silver Additions, Workshop on theUtilization of Research Reactors Proceeding,Yogyakarta, February 8-11, 1999.

[1]

[2]

[3]

[4].

[5].

32