Pembuatan dan Karakteristik Serbuk PiezoelektrikPb(Zr,Ti)03 tanpa subtitusi dan dengan Nb substitusi

Silvester Tursiloadi

Pusat Penelitian dan Pengembangan Kimia TerapanLembaga IImu Pengetahuan Indonesia

Kawasan Puspitek Serpong 15314 Indonesia

INTISARIKarakreristik dari piezoelekirik PZT dan PZT yang didope

dengan niobium (PNZT) yang dibuat melalui proses kimia telahdiamati. PZT 55/45 tanpa dope dan di dope dengan Nb205 telahdib uat dengan dekomposisi hidrol isa dari campuran metalalkoksida, dan reaksi zat padat dari PbO, Zr02 dan Ti02• Ukuranpart ikel rata-rata ad al ah 0.-15 J..lm.Hasil diffr aksi sinar Xmenunjukkan bahwa, transformasi dari endapan bentuk amorpmenjadi bentuk: kristal PZT setelah diklasinasi pada suhu 50() 0('

selama 6 jam. Hasil deferensiasi iermal analisis menunjukkonterjadinya fasa antara (pbTi0.J pad a 490 dc. Dengan difraksisinar X, terjadinya fasa-fasa tertragonal dan rombohedral dart[erro elektrik PZT yang tergantung dari komposisi kimia awalpenc ampuran dapat diamati. Serbuk PZT yang dibu at daripencampuran metal alkoksida, mudah mengalami aglomerasi padasuhu kalsinasi yang rendah, dan bila bahan tersebut dikalsinasipada suhu diatas 600°C akan memberikan has 11 sinter yang kurangbaik. Serbuk yang dikalsinasi pada 500°C selama 6 jam dandilanjutkan pada 1200 °C memberikan berat jenis yang tinggi,sekitur 95% dari berat jenis yang dihitung secara teoritis.

Dart hosil percob aa n dap at diperkirakan bahwa denganpeng adukan yang seksama terhadap reakt an sel ama prosesdekomposisi hidrolitik dapat menghasilkan serbuk yang homogen.Akan tetapi perbedaan kecepatan hidrolisa atau polimerisasi darimu s ing-m as ing metal al koks id a menyebabkan hasil yangstoikimetrik susah didapat.

ABSTRACTThe characteristics of chemically prepared piezoelectric PZT

and doped PZT with niobium (PNZT) were investigated. PZT 55/-15, both unmodified and doped with Nb105 were prepared by thehydrolysis of metal alkoxides and solid state reaction from PbO,ZrO, and TiO,. The average particle size was 0.45 J..lm.X-raydiffr~ction results indicated that transformation of the amorphousprecipitate be came well crystallized PZT after heating at 500 0('

for 6 hours. DTA results suggested the formation of an intermediatePbTiOJphase at 490 0c. Using X-ray diffractton can be investigatedoccurring of both tetragonal and rombohedral ferroelectric PZTphases. That case depends on the initial mixing of chemicalcomposition. The PZT powders which preparedfrom alkoxides wereagglomerated easly at low temperature calcining. Poor sinteredbodies will he resulted it was calcinated above 600°C. Powderscalcined at 500 DC for 6 hours and sintered at 1200 °C producedhigh body densities approaching 95% of theoretical density.

The experimental results suggest that intimate mixing ofconstit uents during the hdrolyt ic decomposition produces a

JKTI, Vol. 8, No. 1-2, Desember 1998

homogeneous powder. However, differences in the rate hydrolysisor polymerization of the respective metal alkoxides fend to (X)1Isethe stoichiometric results difficult to be found.

PENDAHULUANKeramik Timbal zirkonat titanat [Pb(Zr,Ti)OJ atau PZT]

penggunaanya sangat luas sebagai bahan-bahan ferroelektrik,seperti piezoelektrik, elektro-optik, elektro akoustik dan efeknon linearoptik, sebab PZf mempunyai koefisienpiezoelectriccoupling yang tinggi 1.2) Sifat-sifat ferroelektrik telah diketahuiterjadi hanya pada beberapa kristal yang tidak mempunyaistruktur centrosymmetric.

Pengaruh penambahan elemen lain secara subtitusi (dope)pada pembuatan keramik PZT telah banyak dipelajari, dimanajenis substitutornya (dopand) terbagai menjadi dua tipe". Tipedopant yang pertama adalah sebagai aseptor yang mempunyaikarakter menaikkan coercive fiels, electrical, dan faktor qualitasmekanik. Tipe yang kedua adalah sebagai donor yakni atom-atom lantanida dan tanah jarang, yang mempunyai tendensimenaikkan konstanta dielektrik dan menurunkan coercivefield. Efek dopant dinyatakan atas dasar kompensasikekosongan dalam lattice perovskite. Fungsi dari penambahanelemen dopant dalam senyawa PZT sangat diperlukan didalamaplikasinya pada pembuatan memori ferroelektrik, karenadapat memberikan coercive fieldnya yang rendah, dankecepatan aging dielektriknya lebih lambat dibanding denganPZT tanpa dope. Diantara donor dopant, lantanida (yakni Ladan Nb) mempunyai efek yang spesifik, yang dihasilkan padasifat-sifat material PZT. Atom La mempromosikanpertumbuhan butir yang seragam, kekompakan yang homogendan fasa tunggal dan mikrostruktur yang bebas dari pori-poridalam keramik PZT4) Penambahan atom Nb dalam keramikPZT akan menaikkan konstanta dielektrik, menghalangipertumbuhan butir dengan merintangi mobilitas batas butirdan menaikkan poses sinter.

Pembuatan dan sifat-sifat dari keramik yang dibuat daricampuran serbuk oksida sebagai bahan dasar telah banyakdipelajari", Metode pencampuran serbuk oksida menghasilkanbahan-bahan dengan kemurnian rendah, mempunyai koposisidan struktur tidak homogen dalam keramik, sehinggamempengaruhi sifat-sifat ferroelektrik dari material yangdihasilkan. Di sisi lain parameter yang perlu diperhatikandalam pembutan keramik ini adaIah ukuran partikel dari serbuk

materialnya. Karena ukuran partikel yang kecil umumnyamenunjukkan reaktifitas kimia clan termal yang tinggi. Olehkarena itu untuk membuat material yang mempunyai beratjenis yang tinggi harus dibuat dari bahan dasar yangmempunyai ukuran kristal keciI. Jadi teknik pembuatan yangclapat menghasilkan material dengan kemumian yang tinggidan serbuk yang halus adalah sangat diperlukan. Kemumianyang tinggi dari serbuk submicron kerarnik merupakan bagianyang menarik pada pembuatan material ferrolektrik,piezoelektrik dan elekro-optik yang kompak. Bermacam-macam metode pembuatan serbuk keramik yang halus telahdiamati 1.2.5), tetapi untuk menclapatkan hasil yang mempunyaisifat stokiometrik yang konsisten, kemurnian yang tinggi clanserbuk sub-micron masih perIu diteliti.

Pembuatan sebuk PZT dengan proses kimia dapatmenghasilkan material yang lebih halus, sehingga prosesnyaakan lebih mudah dibanding pencampuran serbuk oksida,sebab pada skala serbuk sub-micron, ukuran partikel yang lebihkecil mempunyai kecenderungan yang lebih besar untukmembentuk agregat selama kalsinasi. Partikel agregat inimernpermudah terbentuknya material yang kompak danseragam, ukuran pori-pori yang kecil, dan dengan perlakuansinter pada suhu yang relatif rendah akan didapat berat jenisrelatif 100%.

Dalam penelitian ini Nb dipilih sebagai dopant untukdiamati perubahan ukuran kristal clan pengaruh dalam beratjenis yang dihasilkan. Komposisi keramik Pb(Zr055' Ti04) 03dipilih sebagai dasarnya. Ion Nb5+ didopekan pacla posisi(Zr,TI)4+67) yang akan memberikan rumus kimia untuk dopeNb pada PZT 55/45 sebagai Pb1_xJ2Nbx(Zr 055' TioA5) 1_,0,(PNZT). Dalam naskah ini juga dilaporkan, sifat-sifat clankarakteristik dari ferroelektrik timbal zirkonat titanat dantimbal niobat zirkonat titanat yang telah dibuat dari metalalkoksicla dengan cara pengendapan. Metocla yang dipilihuntuk diteliti adalah dekomposisi hidrolisa dimana metodaini telah dilaporkan lebih unggul dari pada metodadekomposisiterrnal"" yang merupakan metode tradisional. keunggulanmetada dekomposisi hidrolisa adalah :I) Serbuk ferroelektrik dengan komposisi stoikiometri yang

tepat siap diperoleh.2). Serbuk yang halus dengan campuran yang seragam mudah

terenclapkan.3) Kontaminasi dapat dihindari sehingga menghasilkan

serbuk dengan kemurnian yang tinggi.Dalam tulisan ini dilaporkan perbandingan sifat-sifat

endapan PZT dan PNZT yang dibuat dengan larutanalkoksicla dan dengan metoda konvensional dari campuranoksida untuk dapat dipilih metoda yang unggul dalampembuatan bahan ferroelektrik.

PERCOBAANPembuatan contoh :

Timbal Zirkonat titanat dibuat dengan dua macam metodayang berbeda, yaitu:1) Pengendapan dari campuran metal alkoksida. 2) Kalsinasikonvensional dari campuran oksida.

2

1) Pengendapan dari campuran metal alkoksida.

Bahan dalam bentuk alkoksida mudah terhidrolisasehingga pelarut yang dipakai harus bebas air. PZT 55\45dibuat dengan melarutkan metal alkoksida dalam etanol,direflux dan diaduk pada suhu 76°C selama I jam Alkoksidayang digunakan adalah timbal iso propoksida Pbi iso-OC3H7)4' Zirkonium tetranormal butoksidaZr(OC4H9)" clantetra isopropil orto titanat Ti [(CH3):CHol.. Reaksipengendapan dilakukan dalam tabung reaksi gelas denganmenggunakan mantel pemanas. Tube Kalsium dimasukkankedalam reflux kondensor untuk menjaga clari kotoran yangmasuk pacla tabung reaksi. Konsentrasi dari PZT ditentukansebesar 0.08 M. Kemudian dilakukan penambahan air yangtelah dicampur dengan etanol/air (I 0% wt. air) berlebih 10kali clari stoikiometri yang diperlukan. Penambahan etanollair perlahan-lahan ke dalam campuran alkoksida, setelah itupengadukan dilanjutkan selama 1 jam,kemudian suhuditurunkan sampai pada suhu kamar dan endapan didiamkanselama 24 jam. Endapan yang terjadi disaring dan dicucidengan etanol, kemudian dikeringkan pada suhu 80°Cselama 12jam. Pencucian endapan dengan air dihindari sebabtegangan muka air yang relatif tinggi dapat mengakibatkanagiomerisasi dari endapan. PNZT dibuat dengan mendope 2mol% Nb pasa PZT 55/45 dengan cara menambahkan Nb.O,pada campuran alkoksida. Endapan yang diperoleh kemudiandikeringkan.

2). Kalsinasi konvensional dari campuran oksida.

Campuran timbal oksida, zirkonium dan titanium oksidadengan perbandingan molar 1:055: 045 untuk Pb:Zr:Tidilakukan dengan "wet ball milled" dalam etanol selama6 jam, disaring, dikeringkan pada suhu 80°C selama 12 jamdan kemudian dihaluskan kembali. Carnpuran oksida itukemudian dikalsinasi dalam udara pada 600oe, 8000e dan9000e masing-masing selama 2 jam.

Contoh serbuk PZT dan PNZT kering yang telah dibuatdan metode pembuatannya dijelaskan dalam tabel 1berikut:

Tabel 1. Kondisi pembuatan PZT clan PNZT

Simbul SuhuMetoda pembuatancontoh pembuatan

A 76°C Pengendapan dari campuran metalalkoksida

B 76°C Pengendapan dari campuran metalalkoksida yang didope dengan 2 mol%Nb'-

C Suhu kamar campuran dari PbO, Zrt), clan TiOdengan wet ball milled selama 6 jam

JKTI, Vol. 8, No. 1-2, Desember 1998

Karakterisasi bahan:

Differential thermal annalysis (DTA)Serbuk contoh dianalisa dengan DTA (Rigaku Thermaflex

M 80 76) Kecepatan pemanasan l O'Czmenit dalamlingkungan udara dan DTA range ± 50 v.

Difraksi sinar X (XRD)Contoh dianalisa dengan difrasi sinar X dengan metoda

bubuk dengan kondisi operasi sebagai berikut : Merk Rigakudengan menggunakan Cuka radiasi, Filter Ni atau mono,Tegangan 30 kV, Arus 15 mA, konstanta waktu 1 detik,Kecepatan scanning 2°/menit, Keeepatan kertas 2 emlmenit,soller slit 1, divergency slit 1, scatterslit 1 dan receiving slit0.3 mm.

Spektrum infra merah (JR)Contoh dianalisa FTIR merk Biorad dengan

menggunakan metode sel KBr dengan jarak bilangangelombang 4000-400 cm' .

Ukuran partikelDistribusi ukuran partikel ditentukan dengan

menggunakan Shimadzu Centrifugal Partiee1 Analyzer SA-CP 2. Media suspensi yang digunakan adalah etanol dankecepatan rotasinya 1000 rpm.

Proses sinter.Telah diketahui bahwa timbal oksida dalam larutan padat

timbal zirkonat titanat mempunyai sifat mudah menguap.Kehilangan timbal oksida pada proses sinter suhu tinggi,dapat dikontrol dengan meneampur bahan tersebut dalamlingkungan yang mengandung uap timbal oksida."? Untukalasan tersebut, eontoh yang akan digunakan ditempatkanpada cawan platina, dan dilindungi oleh serbuk ZrOz danPbZrO, (gambar 1).

zirkonium oksida

campuran dari timbalzirkonat dan timbal

oksidaPt foi Contoh

Gambar l.Penampungan lintang dari cawan platina yangdigunakan pada proses sinter.

Contoh dicetak menjadi bentuk pelet dengan ukurandiameter 5 mm. tanpa menggunakan bahan pengikat. Cawandisusun sedemikian rupa (gambar 1) selanjutnya diletakkandalam furnace dan dipanaskan dalam udara dengankecepatan pemanasan 8°C/menit sampai suhu sintertercapai.Beratjenis diukur dengan menggunakan metoda piknometricstandar.

JKTI, Vol. 8, No. 1-2, Desember 1998

BASIL DAN PEMBABASAN

1). DTA dan difraksi sinar X

Hasil DTA dari eontoh endapan alkoksida untukpembuatan PZT dan PNZT, memperlihatkan adanya puncakendotermik pada 1000e yang menunjukkan terjadinyadehidrasi dan puncak-puncak eksotermik pada sekitar 340oe,4900e dan 610°C (gambar 2). Munculnya puneak eksotermikpada 3400e disebabkan adanya pembakaran residu senyawaorganik, hal ini didukung dengan data dari defraksi sinar X(gambar 3 dan 4) yang menunjukkan struktur amorp setelahpemanasan pada 3800e selama 2 jam. Puncak eksotermikpada 4900e menunjukkan terjadinya kristalisasi PbTi03,

keadaan ini didukung dari hasil penelitian sebelumnya yaitupada pembuatan PbTi03 dimana struktur PbTiO, didapatsetelah pemanasan pada 500°C selama 2 jam 10). KristalisasiPZT ditunjukkan dengan adanya puncak eksotermik pada610°C. Kondisi ini didukung dengan data dari defraksi sinarX (gambar 3) yang memperlihatkan strukturPZT setelah pemanasan pada 6000e selama 2 jam.

Chandratreya dan kawan-kawan 1.2, telah melaporkanbahwa dalam pembentukan larutan padat PZT, PbTi03

terbentuk sebagai hasil antara pada pemanasan 450oe. Dalampembentukan PZT ini dapat tetjadi perpindahan difusi untukPb", ZrZT dan Ti4+ pada antar permukaan PbTiO/Zr02 danPbOIPbTi03. Pada pembentukan PZT 55/45 dari eampuranalkoksida, terjadi perpindahan seeara berangsur angsur daribentuk amorp menjadi kristal PZT 55/45 yang bagus, yangdapat diamati secara jelas dengan difraksi sinar X. KristalPZT 55/45 yangeukup, sempurnadidapat setelah pemanasanpada suhu 5000e selama 6jam (gambar 3) Hasil antaratimbal titanat terbentuk pada 4900e dalam bentuk amorp,sebab dari hasil analisa difraksi sinar X pada pemanasan500°C tidak menunjukkan adanya kristal PbTi03. Hasil DTAdari Nb 5+ yang didopekan pada PZT (gambar 2) tidakmenunjukkan perbedaan yang berarti dari PZT tanpa didope.Pemanasan selanjutnya serbuk PZT yang terbuat darieampuran alkoksida pada 800°C menghasilkan fasa PbO yangterpisah, atau lebih menyerupai PbO berlebih yang terkristal.Kejadian ini Juga terdapat pada fase tetragonal danrombohedral pada pemanasan 800°C (gambar3). Fase PbO111ijuga terjadi pada PNZT yang teramati pada difraksi sinarX setelah pemanasan pada suhu diatas 600°C (gambar 4)Adanya PbO mungkin disebabkan penambahan timbalalkoksida berlebih yang kurang hati-hati selama proses awalhidrolisa.

Hasil dari DTA untuk eontoh yang dibuat dari eampuranmetal oksida memperlihatkan adanya puncak-puncakeksotermis yang lemah pada 508°e dan 736°e yangmenunjukkan adanya pembentukan PbTiO, dan PZT (gambar 2).Setelah kalsinasi eampuran oksida pada 600°C selama 2jam,pola difraksi sinar X, menunjukkan adanya kristal yang bagusdari hasil samping PbTi03, PbO dan Zr02 yang belumbereaksi pada pembentukkan PZT (gambar 5). PZT 55/45didapat setelah pemanasan pada 8000e selama 2jam. Setelah

3

pemanasan pada 900°C selama 2 jam, puncak-puncak difraksiPZT sangat tajam dan tidak mengandung oksida-oksidareaktan yang tidak bereaksi (gambar 5). Pada pembuatancontoh PZT 55/45 secara tradisional menunjukkan adanyadua fasa yaitu fasa tetragonal dan rombohedral setelahkalsinasi pada SOOoCselama 2 jam, yang menunjukkan olehadanya puncak-puncakpada20 (44), (49) dan(54) (gambar5).Gambar 6 menunjukkan perhitungan harga d untuk bidangrobohedral (101) dimana dasar perhitungannya meng-gunakan harga-harga unit sel yang telah dilaporkan oleh Jaffedan kawan-kawan 13) Dibandingkan dengan harga dlol (tabeI2)hasil pengamatan dan gambar 6, terlihat bahwa, PZT yangtelah dibuat dari campuran alkoksida setelah dipanaskan pada500°C mempunyai harga d yang dekat dengan komposisiPb(ZrowTio45)O). Pemanasan selanjutnya akan menurunkanharga d. Hal ini disebabkan karena komposisi tersebut adadalam daerah fluktuasi, yang kaya akan Zr (PZTrombohedral) dan daerah yang kurang akan Zr (PZTtetragonal). Telah dilaporkan bahwa zirkonium alkoksidayang tidak terhidrolisa, tidak tergantung pada perbandinganair/alkoksida II) Sisa zirkonium yang tak terhidrolisa, akantertinggal dalam larutan sebagai polimer. Jika hal ini terjadi,derajat hidrolisa titanium alkoksida harus sesuai denganzirkonium, kalau tidak, stoikmetri yang tepat tidak akandiperoleh.

Penambahan atom Nb tidak memberikan efek yang berartiterhadap harga dlol' Harga dlol sedikit lebih rendah untukPNZT setelah dipanaskan pada SOOOC, ini mungkindisebabkan karena efek penambahan Nb yang disebabkanadanya kekosongan Pb berlebih, dope Nb 5+untuk (Zr,Ti)4+,atau gabungan dari keduanya diatas.

Contoh yang dipanaskan pada temperatur antara 600oC-9000e memberikan ukuran kristal yang serupa yaitu sekitar300A. Ini disebabkan contoh-contoh yang dipanaskan padatemperatur tersebut diatas, kecepatan pertumbuhan kristalnyalambat.

Tabel 2. Harga-harga dari dlol dan ukuran kristal

Nama contoh Suhu pemanasan Barga d101 Ukuran kristal (A)

500oe, 6 jam 2.893A 600oe,2 jam 2.893 300

800oe,2 jam 2.889 300

500oe,6 jam 2.892B 600oe, 2 jam 2.892 270

800oe,2 jam 2.883 285

800oe, 2 jam 2.885 285e 900oe,2 jam 2.877 285

Dalam percobaan yang terpisah, PZT 60/40 telah dibuatdari campuran alkoksida dan dipanaskan pada SOOOCselama2 jam. Fasa tetragonal tidak teramati, tetapi ada fasaortorombik PbO yang teramati. Ini sangat menarik untuk

4

dicatat karena fasa PbO yang berlainan yaitu tertragonaluntuk PZT 55/45, akan tetapi ortorambik untuk PZT 60/40.Boleh jadi fasa rombohedral PZT distabilkan oleh fasa PbOortorombik, mengingat adanya fasa tertragonal PZT lebihmudah terjadi dengan adanya fasa litharge. Litharge adalahbentuk yang lebih stabil pada tempertur dan tekanan normal,tetapi adanya pengotor akan mudah menstabilkan PbObentuk ortorombik pada temperatur kamar.

2). Spektrum pengukuran infra merah (fR).

Hasil IR yang terlihat pada gambar 7 dan 8, menunjukkanbahwa semua serbuk PZT dan PNZT yang dibuat denganmetoda pencampuran alkoksida dan pencampuran oksidamasih mangandung air walaupun telah dilakukan kalsinasisampai pada suhu 600°C. (pncak-puncak Hp terdeteksi pada3400 dan 1600 em"), Adanya puncak-puncak pada 1500-1300 cm-l mungkin disebabkan oleh adanya OH dan sisa-sisa organik seperti CH3 grup pada 1375 cm-JI2) Akan tetapispektra IR untuk PZT yang dibuat dari pencampuran oksida,tidak menunjukkan beberapa puncak absorpsi yang berartipada 1500-1300 cm-l (gambar 8). Puncak-puncak pada1500-1300cm-1 dari endapan kering, tidak begitu tampaksetelah endapan dikalsinasi pada 6000e (gambar 7) Olehkarena itu, diperkirakan puncak eksotermik pada data DTAsekitar 340°C terjadi karena pembakaran senyawa organik.

Dari hasil spektra IR yang diperoleh dari PZT yang dibuatmelalui pencampuran oksida (gambar 8) dan dibandingkandengan hasil spektra dari PbTiO, yang telah dibuatsebelumnya'?', serta didukung hasil data difraksi sinar X(gambar 5), maka dapat ditarik kesimpulan bahwa, dalampembuatan PZT memlaui pencampuran serbuk oksida dapatmemberikan hasil antara yang berupa fasa PbTin,.

3). Distribust ukuran partike/ dan sinter

Distribusi ukuran partikel seperti yang diperlihatkandalam (gambar9,lO dan 11) menunjukkan bahwa, distribusiukuran partikel PZT yang dibuat dari pencampuran akoksidalebih kecil dan homogen dibanding dengan PZT yang dibuatdari pencampuran oksida. Dengan menaikkan pemanasansampai 7500e selama 20 menit, terjadi kaikkan ukuranpartikel rata-rata yang cukup berarti dari 0.5 sampai O.Smikron (tabeI3). Ini disebabkan karena terjadinya aglomerasiuntuk contoh yang dibuat dengan cara pencampuranalkoksida. Keadaan ini terjadi antara lain karena serbuk PZTyang terbuat dari pencampuran alkoksida mempunyai energipermukaan yang tinggi, sehingga menyebabkan terjadinyaaglomerasi walaupun hanya dapat terjadi kenaikantemperatur yang rendah pada proses sinter temperatur rendah.Contoh serbuk yang terbuat dari pencampuran alkoksidasetelah dikalsinasi pada soooe, yang mempunyai ukuranpartikel rata-rata 0.7-1.0 mikron, adalahjauh lebih kecil danpada ukuran partikel rata-rata dari contoh yang terbuat daripencampuran oksida (5.0 mikron).

JKTI, Vol. 8, No. 1-2, Desember 1998

Tabel 3. Ukuran rata-rata partikel contoh

Nama Contoh TemperaturUkuran rata-ratapartikel (um)

SODC,12 jam. 0.4600DC, 2 jam. 0.5

A 600DC. 2 jam; 750De,20 min O.SSOODC,2 jam. LO

SODe, 12 jam. 0.4B 600DC, 2 jam 0.5

SOODC,2 jam 0.7

z-o, 1.0

TiO; 2.0e PbO 4.0

600De, 2 jam 0.5800De, 2 jam 5.0

Serbuk contoh yang telah dikalsinasi pada 500DC selama6 jam dan 800°C selama 2 jam, dicetak untuk bentuk pletdengan diameter 5mm, dan disenter pada 12000C selama 1jam. Tabel 4 menunjukkan berat jenis dari contoh sebelumdisinter (green density) dan sesudah pada 1200DC selama 1jam. Dari tabel tersebut menunjukkan bahwa contoh yangdikalsinasi pada 800DC selama 2 jam dan disenter 12000Cselama I jam mempunyai berat jenis yang jauh lebih kecildari berat jenis secara teoritis (sekitar 8.0 g/cm"). Hal inidisebabkan karena terjadinya aglomerat yang besar padakalsinasi 800DC selama 2 jam, sehingga menghalangi prosessinter. Dengan adanya aglomerat mengakibatkan adanya pori-pori yang terjebak (trapping pores), sehingga mengurangidifusi sinter batas butir.

Tabel4. Beratjenis dari contoh

Nama Contoh Sebelum proses sinterSetelah prosessinter, 1200De

A

500oe. 6 jam 3.9 7.6800DC, 2 jam 3.5 5.4

B500°C. 6 jam 3.9 7.4see-c. 2 jam 3.5 5.S

eSOODe,2 jam 3.7 5.6

Oleh karena itu, karena serbuk yang dibuat daricampuran alkoksida mempunyai energi permukaan yangbesar, maka serbuk endapan yang terjadi harus dikalsinasipada temperatur yang rendah untuk menghindari aglomerasiyang merugikan.

JKTI, Vol. 8, No. 1-2, Desember 1998

KESIM:PULAN

I). Endapan PZT yang telah dikeringkan mempunyai bentukamorp. Endapan serbuk PZT bentuk amorp tersebut mulaitertranformasikan ke bentuk kristal pada suhu 480°C.

2). Data dari DTA menunjukkan puncak-puncak eksotermikpada 340°C, 490°C dan sekitar 610°C. Puncak eksotermikpada 340°C adalah pembakaran sisa-sisa organik, puncakeksotermik pada 490°C menunjukkan terjadinyakristalisasi PbTi03 dan puncak eksotermik pada 610°Cmenunjukkan terjadinya kristalisasi PZT.

3). Adanya fasa-fasa ferroelektrik tetragonal danrombohedral untuk kedua serbuk contoh yang dibuat daricampuran alkoksida dan campuran oksida, disebabkanoleh karena fluktuasi dalam komposisi. Lebih lanjut,perbedaan kecepatan hidrolisa at au polimerisasi darialkoksida-alkoksida akan menghasilkan fluktuasikomposisi serbuk endapan PZT.

4). Serbuk endapan yang dibuat dari campuran alkoksidaadalah mempunyai ukuran partikel yang kecil danseragam dengan energi permukaan yang tinggi.

5). Efek penambahan Nb tidak begitu berpengaruh terhadapukuran kristal, ukuran partikel dan be rat jenis.

6). Serbuk endapan yang dibuat dari campuran alkoksidayang telah dikalsinasi pada 500°C selama 6 jam, danselanjutnya disinter dalam udara pada 12000C selama Ijam memberikan berat jenis yang tinggi , diperkirakan95% dari berat jenis teoritis.

DAFTAR PUSTAKAI). A. L. Stuijts, New Fabrication Methods for Advanced

Electronic Materials, Science od Ceramics, 5, pp. 335,( 1970)

2). J. Y. Biggers and S Venkatramani, Preparation andReactivity of Lead Zirconate Titanate Solid Solutions byPrecipation from Aqueous Solutitions, Mat Res. Bull. 13,pp. 717-722, (1978).

3). Y Wu Ferroelectric Meterials and Their Applications(North Holland. New York. 1991).

4). G.H HaetIing and C.E Land J. Am. Ceram. Soc. Lett.11.327 (1992).

5). S.H Cho and J.V Biggers, Characterization and Sintertingof Lead Zirconate Titanate Powders, J. Am. Ceram . Soc.66( I0),4 73( 1983).

6). R.B. Atkin RL Holman and RM. Fulrath. Substitutionof Bi and Nb Ions in Lead Zirconate Titanate. 1. Am.Ceram. Soc. 54 (2), 113 (1971).

7). R B. Atkin and RM Fulrath, Point Defects and Sinteringof Lead Zirconate Titanate, 1. Am. Ceram Soc. 54 (5)264( 1971).

8). K.S. Mazdiyasni, Fine Particle Perovskite Processing,Ceramic Bulletin 63 (4), 591 (1984).

9). E. Wu, K.C. Chen, and J.D. Mackenzie. FerroelctricCeramics- The Sol Gel Method Versus Conventional

5

t SI sI ell

! :IUi PbO

rJI C

'E .$•.. .5s0oolI:W

Processing, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 32, pp. 169(1984).

10). Silvester Tursiloadi, Pembuatan dan KarakterisasiSerbuk Piezoelectrik PbTi03 dengan Proses Kimia,Proseding Pemasaran hasil litbang ilmu pengetahuanteknik, Peran lembaga penelitian IPTEK dalam eraglobalisasi dan perdagangan bebas, Lembaga IimuPengetahuan Indonesia, Bandung, 14-16 Oktober 1996.(inpress),

II). Takashi Yamaguchi and Hiroaki Yanagita, CeramicsProcessing, Gihodo Shuppan, 1985.

12). N. Tohge, S. Takashi and T Minami, JAm. Ceram.Soc,74(1),67(1991).

13). B. Jeffe. RS. Roth. et. aL Properties of PiezoelectricCeramics in the Solid Solution Series PbTi03-PbZr03, JRes. NatL Bur. Stand. 55(5) 239-54(1955).

14).S. S.Chandratreya,RM. Fulrath and JA. Pask,ReactionMechanisms in the information of PIT Solid Salutions,J Am Ceram. Soc. 64 (7) 422 (1981)

rJI.~.$o't'CW

c

600 700100 200

Gambar 2. Kurva DTA dengan pemanasan dari contoh-contoh A)Pengendapan dari campuran metal alkoksida dan B).Pengendapan dari campuran metal alkoksida yangdidope dengan 2% mol Nb5+ dan C). Pencampurandari PbO, z-o dan Ti02.

6

25 30 35 4028

45

Gambar 3. Pola defraksi sinar x untuk PZT yang dibuat daripencampuran metal alkoksida. (a:80"C, 12 jam.b:380·C, 2 jam, c:480·C, 2 jam. d:500·C. 6 jam,e:600·C, 2 jam. f:800·C. 2 jam. g:900"C, 2 jam danh:800·C, 2 jam/1200·C, I jam.)

20 30 50 6535 40 4526

25

Gambar 4. Pola defraksi sinar x untuk PZT yang telah didopedengan Nb, dibuat dari pencampuran metal alkoksida .(a:80·C. 12 jam.b:500·C, 2 jam. c:600"C. 2 jam. dand:800·C. 2 jam)

d

c

b

4020

20 25 50

Gambar 5. Pola defraksi sinar x untuk PZT yang dibuat daripencampuran metal oksida. (a:80 C. 12 jam, b:600"C.2 jam. c:800·C, 2 jam. d:900"C, 2 jam dan e:800"C. 2jam/1200·C. I jam.)

JKTI, Vol. 8, No. 1-2, Desember 1998

2.9£102.930

................ - ....•... ,.~- _ -........•.•...

s 2.920e-

;0 2.910g, 2.900'iC~ 2.690 .

2.880 "..· ··

2.87050 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

% mol Zr

30252015105

O+---~-

II PZT milled 800°C

Gambar 6. Hasil perhitungan harga d untuk PZT. 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0Ukuran Partikel (mikrometer)

Z'C:;)>-..~:0S-Ol

~tl~ B.-------------.--~~ ~_--- _---~-----~ ...•...••..•.....aoo ·C. 2jatrl

~ \I\~• _----~.-~ 600'C.2,am.

~ \ •• , "eo

4000 3000 2000 1600 1200 800 400

A ~._~-~ r.__-,..-, V ~ IIOO'C.2Jom.--------------V~

~ ~ \ 600·C,2jam.'- ,~\ 90 ·C. 12 jam.

Gambar 9. Distribusi ukuran partikel untuk eontoh yang dibuatdari eampuran PbO, zr02 dan TiO,.

Bilangan Gelombang (em-I)

5045 ~ PZT40 II PZT 8000e

"'" 35 Ijj PZT doped 8000e;1(0 30',-,!I)en 25ell.•...t:: 20!I)VI•...d:! 15

1050

Gantbar 7. Spektra dari hasil-hasil IR untuk contoh-contohA)Pengendapan dari eampuran metal dan B)Pengendapan dari eampuran metal alkoksida yangdidope dengan 2% mol Nbs+

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2Ukuran Partikel (mikrometer)

Gambar 10. Distribusi ukuran partikel untuk eontoh endapan darieampuran metal aIkoksida dan endapan dari campuranmetal alkoksida yang didope dengan 2% mol Nb"

Z' 40'2 35:l>- 900 'c. 2 jam.... 30III

~!:;:c <;» 25•.. !I)$ 800 ·C. 2jal)1. ~ 20C1I .•...o \

t:: 15c:: !I)VIra -,,]'v •...

:t: d:! 10'E "'- 600 ·C. 2 jam.VI

'-~\ 5c::ra... 0I- ~~ 80 ·C. 12 jam0 10.0 8.0

~ lead oxide

II titanium oxide

Ijj zirconium oxide

6.0 4.0 2.0

4000 3000 2000 1600 1200 800 400Ukuran Partikel (mikrometer)

Bilangan Gelombang (em-I)

Gambar 8. Spektra dari hasil-hasil IR untuk contoh yang dibuatdari eampuran PbO, ArO, dan TiO,

Gambar 11. Distribusi partikel untuk PbO. ZrO dan TiO, yangdigunakan untuk pembuatan PZT denganpeneampuran serbuk.

JKTI, Vol. 8, No. 1-2, Desember 1998 7