Perhitungan Polarisasi Spontan Pada Bahan Ferroelektrik BaxSr1-xTiO3 dengan Variasi Sr
PERHITUNGAN POLARISASI SPONTAN PADA BAHAN
FERROELEKTRIK BaxSr1-xTiO3 DENGAN VARIASI Sr
IMAN RIZKY NURZAMAN
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Perhitungan Polarisasi
Spontan Pada Bahan Ferroelektrik BaxSr1-xTiO3 dengan Variasi Sr adalah benar
karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam
bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di
bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, 16 Maret 2015
Iman Rizky Nurzaman
NIM G74100002
ABSTRAK
IMAN RIZKY NURZAMAN. Perhitungan Polarisasi Spontan Pada Bahan
Ferroelektrik BaxSr1-xTiO3 dengan Variasi Sr. Dibimbing oleh SIDIKRUBADI
PRAMUDITO dan IRZAMAN.
BaxSr1-xTiO3 (BST) merupakan salah satu material ferroelektrik yang dapat
dimanfaatkan untuk sensor suhu. Kepekaan BST terhadap panas berkaitan dengan
nilai polarisasi spontannya. Dengan mengetahui parameter kisi dan momen dipol
dapat diketahui nilai-nilai polarisasi spontannya. Terdapat sembilan tipe susunan
ion pada suatu lapisan tipis BST yang dibuat dengan mencampurkan BaTiO 3 dan
SrTiO3 dengan berbagai fraksi mol. Peluang kemunculan setiap tipe susunan
bergantung pada fraksi mol BaTiO3 dan SrTiO3. Nilai polarisasi spontan BST
dengan fraksi mol tertentu adalah jumlah dari hasil kali peluang kemunculan
dengan polarisasi spontan masing-masing tipe. Hasil yang diperoleh dari
perhitungan secara teori didapatkan bahwa polarisasi spontan BST berkisar antara
17.942 µC cm-2 – 18.778 µC cm-2. Nilai tersebut telah mendekati hasil yang
didapatkan dari pengukuran secara eksperimen.
Kata kunci: BST, ferroelektrik, polarisasi spontan, susunan ion.
ABSTRACT
IMAN RIZKY NURZAMAN. The Calculation Spontaneous Polarization of
Ferroelectric material BaxSr1-xTiO3 with Variation of Sr. supervised by
SIDIKRUBADI PRAMUDITO and IRZAMAN.
BaxSr1-xTiO3 (BST) is one of Ferroelectric material wich can be used for
temperature sensors. BST’s sensitivity to heat associated with its spontaneous
polarization. By knowing the lattice parameters and dipole moment the values of
spontaneous polarization can be determined. There are nine types of ion
composition on a thin layer of BST which are made by mixing BaTiO3 and
SrTiO3 with various mole fractions. The appearance opportunity of ion structure
depends on BaTiO3 and SrTiO3 mole fractions. Spontaneous polarization value
BST with spesific mole fraction is the sum of the product of chance occurrence
with spontaneous polarization of each type. The results from theoretical
calculations showed that the spontaneous polarization BST ranges from
17.942 µC cm-2 – 18.778 µC cm-2. That value has approached the result of
experimental measurements.
Keywords: BST, ferroelectric, ion structure, spontaneous polarization.
PERHITUNGAN POLARISASI SPONTAN PADA BAHAN
FERROELEKTRIK BaxSr1-xTiO3 DENGAN VARIASI Sr
IMAN RIZKY NURZAMAN
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Judul Skripsi : Perhitungan Polarisasi Spontan Pada Bahan Ferroelektrik
BaxSr1-xTiO3 dengan Variasi Sr
Nama
: Iman Rizky Nurzaman
NIM
: G74100002
Disetujui oleh
Drs. Sidikrubadi Pramudito, M.Si
Pembimbing I
Dr. Ir. Irzaman, M.Si
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si
Ketua Departemen
Tanggal:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 ini ialah
polarisasi spontan, dengan judul Perhitungan Polarisasi Spontan Pada Bahan
Ferroelektrik BaxSr1-XTiO3 dengan Variasi Substitusi Sr.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Drs. Sidikrubadi Pramudito,
M.Si dan Dr. Ir. Irzaman, M.Si selaku pembimbing. Di samping itu, penghargaan
penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Husin Alatas, kepala bagian Fisika Teori
IPB dan seluruh dosen Fiska IPB atas bantuannya sehingga membantu kelancaran
dalam penelitian ini serta inspirasi yang diberikan selama penulis melaksanakan
perkuliahan dan penelitian. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada
ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, 16 Maret 2015
Iman Rizky Nurzaman
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR PERSAMAAN
vii
DAFTAR LAMPIRAN
vii
PENDAHULUAN................................................................................................... 1
Latar Belakang..................................................................................................... 1
Perumusan Masalah ............................................................................................. 1
Hipotesis .............................................................................................................. 1
Tujuan Penelitian ................................................................................................. 1
Manfaat Penelitian ............................................................................................... 1
TINJAUAN PUSTAKA.......................................................................................... 2
Material Ferroelektrik .......................................................................................... 2
Barium Stronsium Titanat (BST) ........................................................................ 2
Peluang ................................................................................................................ 3
METODE ................................................................................................................ 4
Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................................. 4
Alat dan Bahan .................................................................................................... 4
Prosedur Penelitian .............................................................................................. 4
Data Parameter Kisi dan Pergeseran Ion Ti4+ dan O2- ..................................... 4
Penentuan Tipe Susunan Ion pada Kristal BST ............................................... 4
Perhitungan Nilai Parameter Kisi dari 9 Tipe Susunan ................................... 4
Penentuan Posisi Ion Pada 9 Tipe Susunan ..................................................... 5
Penentuan Nilai Polarisasi Spontan 9 Tipe Susunan ....................................... 6
Perumusan Peluang Setiap Tipe Berdasarkan Fraksi Mol ............................... 7
Perhitungan Polarisasi Spontan dari BST Dengan Fraksi mol Tertentu.......... 8
Perbandingan Data Teori dengan Data Literatur ............................................. 8
HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................................. 10
Susunan Ion pada Kristal BST .......................................................................... 10
Parameter Kisi Setiap Tipe ................................................................................ 12
Posisi Ion Penyusun ........................................................................................... 13
Polarisasi Spontan Setiap Tipe .......................................................................... 14
Peluang Kemunculan Setiap Tipe Berdasarkan Fraksi Mol ............................. 15
Polarisasi Spontan Untuk Fraksi Mol Tertentu ................................................. 16
Perbandingan dengan Nilai Literatur................................................................. 17
SIMPULAN DAN SARAN .................................................................................. 18
Simpulan ............................................................................................................ 18
Saran .................................................................................................................. 18
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................ 18
LAMPIRAN .......................................................................................................... 20
RIWAYAT HIDUP ............................................................................................... 33
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Perhitungan Parameter kisi kristal BST ................................................. 5
Tabel 2 Penentuan posisi atom penyusun kristal BST ........................................ 6
Tabel 3 Perhitungan Polarisasi Spontan Kristal BST ......................................... 7
Tabel 4 Perhitungan peluang kemunculan setiap tipe susunan kristal BST ....... 8
Tabel 5 Perhitungan polarisasi spontan kristal BST dengan fraksi mol tertentu 8
Tabel 6 Keadaan susunan kristal BST .............................................................. 12
Tabel 7 Parameter kisi kristal BST setiap tipe ................................................. 13
Tabel 8 Susunan posisi atom penyusun kristal BST tipe 1 .............................. 14
Tabel 9 Polarisasi spontan setiap tipe ............................................................... 15
Tabel 10 Peluang tipe susunan berdasarkan fraksi mol ................................. 16
Tabel 11 Polarisasi spontan Ba0.25Sr0.75TiO3 ................................................... 16
Tabel 12 Polarisasi spontan Ba0.5Sr0.5TiO3 ...................................................... 17
Tabel 13 Polarisasi spontan Ba0.75Sr0.25TiO3 ................................................... 17
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Struktur Kristal BaTiO3 ..................................................................... 3
Gambar 2 Urutan Susunan Ion pada BST ........................................................... 5
Gambar 3 Diagram Alir Penelitian ..................................................................... 9
Gambar 4 Susunan Kristal BST ........................................................................ 11
DAFTAR PERSAMAAN
Persamaan 1 Peluang .......................................................................................... 3
Persamaan 2 Perhitungan Parameter Kisi a ........................................................ 5
Persamaan 3 Perhitungan Parameter Kisi c ....................................................... 5
Persamaan 4 Momen Dipol Listrik ..................................................................... 6
Persamaan 5 Volume per kisi ............................................................................. 6
Persamaan 6 Polarisasi Spontan ......................................................................... 6
Persamaan 7 Peluang Kemunculan Setiap Tipe ................................................. 7
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Susunan Posisi Ion Semua Tipe .................................................... 20
Lampiran 2 Contoh Perhitungan Polarisasi Spontan BST ................................ 25
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Penelitian terhadap material ferroelektrik semikonduktor telah banyak
dilakukan karena aplikasinya yang sangat luas, diantaranya digunakan sebagai
bahan dielektrik, penyangga, bahkan sensor cahaya, suhu, dan tekanan.1 Salah
satu material yang banyak dikembangkan adalah Barium Stronsium Titanat (BST).
Pembuatan BST dilakukan dengan berbagai metode, di antaranya chemical
solution decomposition (CSD) yang dilakukan tidak dalam kondisi vakum.2
Sifat dari film tipis BaxSr1-xTiO3 yang terbentuk tergantung pada fraksi mol
barium dan stronsium. Contohnya Ba0.55Sr0.45TiO3. berarti fraksi barium 55% dan
stronsium 45%. Pengembangan material tersebut selama ini dilakukan dengan
memvariasikan fraksi barium dan stronsium. Untuk beberapa aplikasi pada alat
tertentu diperlukan sifat yang spesifik, sehingga untuk mendapatkan sifat material
yang diinginkan memerlukan percobaan yang berulang-ulang. Hal ini akan
menjadi masalah, karena memakan waktu dan biaya yang tidak sedikit.
Salah satu solusi dari masalah tersebut adalah dengan membuat perumusan
umum untuk mencari komposisi fraksi barium dan stronsium yang tepat. Pada
penelitian ini penulis menghitung peluang distribusi penyebaran molekul barium
dan stronsium pada BST untuk membuat perumusan polarisasi atom titanium
Ba0,55Sr0,45TiO3 yang kemudian dibandingkan dengan data hasil eksperimen. Dari
hasil tersebut kemudian bisa dibuat perumusan umum polarisasi atom titanium
pada film tipis BST.
Perumusan Masalah
Bagaimana polarisasi spontan pada lapisan tipis BaxSr1-xTiO3 akibat
pengaruh distribusi peluang keadaan posisi ion Ba2+ dan Sr2+?
Hipotesis
Polarisasi spontan lapisan tipis BaxSr1-xTiO3 dipengaruhi distribusi peluang
keadaan posisi ion Ba2+ dan Sr2+. Distribusi peluang keadaan posisi ion Ba2+ dan
Sr2+ pada lapisan tipis BaxSr1-xTiO3 berupa sebaran normal.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah menghitung polarisasi spontan pada lapisan
tipis BaxSr1-xTiO3 sebagai pengaruh distribusi peluang keadaan posisi ion Ba 2+ dan
Sr2+.
Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah untuk memprediksi nilai polarisasi
spontan lapisan tipis BST dengan berbagai fraksi mol, sehingga dapat menghemat
biaya penelitian secara eksperimen.
2
TINJAUAN PUSTAKA
Material Ferroelektrik
Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara
spontan pada material tanpa gangguan medan listrik dari luar. Ferroelektrivitas
merupakan fenomena yang ditunjukkan oleh kristal dengan suatu polarisasi
spontan dan efek histerisis yang berkaitan dengan perubahan dielektrik ketika
diberikan medan listrik. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat
diterapkan pada sel memori dynamic random acsess memory dengan kapasitas
penyimpanan melampaui 1 Gbit,3 Sifat piezoelektrik dapat dimanfaatkan sebagai
sensor tekanan karena kemampuannya menghasilkan listrik karena adanya
tekanan mekanik,4 dan sifat optik dapat diterapkan sebagai sensor cahaya,
misalnya sifat yang dimiliki BST yang memiliki spektrum absorbansi cahaya pada
gelombang yang lebar.2
Material ferroelektrik merupakan kelompok material yang dapat
terpolarisasi listrik secara internal pada rentang suhu tertentu. Polarisasi terjadi
sebagai akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri pada struktur
kristalografi di dalam sel satuan. Jika pada material ferroelektrik dikenakan medan
listrik, maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran dan menimbulkan momen
dipol listrik. Momen dipol ini yang mengakibatkan terjadi polarisasi. Momen
dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisasi dielektrik.5
Struktur kristal material ferroelektrik adalah tetragonal jika parameter kisi
c lebih besar dari parameter kisi a dan pseudo tetragonal jika parameter kisi c
lebih kecil dari parameter kisi a.6 Fenomena polarisasi terjadi karena pada
material ferroelektrik muatan positif dan muatan negatif tidak dalam keadaan
berhimpit dan sebagai akibatnya ada jarak antara muatan negatif dan muatan
positif sehingga menimbulkan terjadinya pengkutuban atau momen dipol.7
Barium Stronsium Titanat
Material ferroelektrik yang banyak dikembangakan diantaranya BST.
Material tersebut memiliki struktur berupa tetragonal dan pada literatur lain
strukturnya berupa pseudo tetragonal. Pengembangan BST berawal dari
penemuan material BaTiO3 yang kemudian didadah dengan atom stronsium. Suhu
Curie pada barium titanat adalah 120 oC dan dengan adanya dadah stronsium suhu
curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada piranti yang
memerlukan suhu kamar.8
Pembuatan BST menggunakan teknik pembuatan lapisan tipis diantaranya
seperti sputtering, laser ablation, metal oxide vapour chemical depodition,
chemical solution deposition (CSD), chemial vapour deposition.2 Metode CSD
merupakan salah satu metode yang menarik karena kontrol stokiometri yang baik,
mudah dalam pembuatan dan suhu sintesis rendah. 9 Struktur kristal BaTiO3
diperlihatkan pada Gambar 1.10
3
Gambar 1 Struktur Kristal BaTiO3.10
(a) BaTiO3 pada suhu kamar
(b) Dilihat dari satu muka, diperlihatkan pergeseran ion Ti 4+ dan O2dari pusat muka searah sumbu z
Suatu kristal dikatakan terpolarisasi jika memiliki dipol lisrik yang
permanen karena pusat muatan posistif dan muatan negatifnya bukan di pusat selsatuan. Seperti diperlihatkan oleh BaTiO3. Di atas temperatur 1200C BaTiO3
berbenuk kubus. Selama BaTiO3 simetrik, maka tidak ada momen dipol permanen.
Di bawah temperatur 120 oC dinamakan titik Curie ferroelektrik, terdapat
pergeseran kecil tetapi penting pada ion-ionnya. Ion Ti4+ tengah bergeser kira-kira
0.006 nm terhadap ion Ba2+ sudutnya. Ion-ion O2- pada sisi samping bergeser
0.006 nm ke arah berlawanan, sedangkan pada bagian atas dan bawah bergeser
sebesar 0.008 nm. Pusat muatan positif dan pusat muatan negatif dipisahkan
sejauh panjang dipol (d).10 Polarisai spontan BaTiO3 adalah 15.5 µC cm-2 pada
rentang suhu -5 oC sampai 60 oC.11
Struktur kristal BST pada umumnya adalah tetragonal, namun dapat
berubah menjadi pseudo tetragonal (c/a
FERROELEKTRIK BaxSr1-xTiO3 DENGAN VARIASI Sr
IMAN RIZKY NURZAMAN
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Perhitungan Polarisasi
Spontan Pada Bahan Ferroelektrik BaxSr1-xTiO3 dengan Variasi Sr adalah benar
karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam
bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang
berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari
penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di
bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, 16 Maret 2015
Iman Rizky Nurzaman
NIM G74100002
ABSTRAK
IMAN RIZKY NURZAMAN. Perhitungan Polarisasi Spontan Pada Bahan
Ferroelektrik BaxSr1-xTiO3 dengan Variasi Sr. Dibimbing oleh SIDIKRUBADI
PRAMUDITO dan IRZAMAN.
BaxSr1-xTiO3 (BST) merupakan salah satu material ferroelektrik yang dapat
dimanfaatkan untuk sensor suhu. Kepekaan BST terhadap panas berkaitan dengan
nilai polarisasi spontannya. Dengan mengetahui parameter kisi dan momen dipol
dapat diketahui nilai-nilai polarisasi spontannya. Terdapat sembilan tipe susunan
ion pada suatu lapisan tipis BST yang dibuat dengan mencampurkan BaTiO 3 dan
SrTiO3 dengan berbagai fraksi mol. Peluang kemunculan setiap tipe susunan
bergantung pada fraksi mol BaTiO3 dan SrTiO3. Nilai polarisasi spontan BST
dengan fraksi mol tertentu adalah jumlah dari hasil kali peluang kemunculan
dengan polarisasi spontan masing-masing tipe. Hasil yang diperoleh dari
perhitungan secara teori didapatkan bahwa polarisasi spontan BST berkisar antara
17.942 µC cm-2 – 18.778 µC cm-2. Nilai tersebut telah mendekati hasil yang
didapatkan dari pengukuran secara eksperimen.
Kata kunci: BST, ferroelektrik, polarisasi spontan, susunan ion.
ABSTRACT
IMAN RIZKY NURZAMAN. The Calculation Spontaneous Polarization of
Ferroelectric material BaxSr1-xTiO3 with Variation of Sr. supervised by
SIDIKRUBADI PRAMUDITO and IRZAMAN.
BaxSr1-xTiO3 (BST) is one of Ferroelectric material wich can be used for
temperature sensors. BST’s sensitivity to heat associated with its spontaneous
polarization. By knowing the lattice parameters and dipole moment the values of
spontaneous polarization can be determined. There are nine types of ion
composition on a thin layer of BST which are made by mixing BaTiO3 and
SrTiO3 with various mole fractions. The appearance opportunity of ion structure
depends on BaTiO3 and SrTiO3 mole fractions. Spontaneous polarization value
BST with spesific mole fraction is the sum of the product of chance occurrence
with spontaneous polarization of each type. The results from theoretical
calculations showed that the spontaneous polarization BST ranges from
17.942 µC cm-2 – 18.778 µC cm-2. That value has approached the result of
experimental measurements.
Keywords: BST, ferroelectric, ion structure, spontaneous polarization.
PERHITUNGAN POLARISASI SPONTAN PADA BAHAN
FERROELEKTRIK BaxSr1-xTiO3 DENGAN VARIASI Sr
IMAN RIZKY NURZAMAN
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Judul Skripsi : Perhitungan Polarisasi Spontan Pada Bahan Ferroelektrik
BaxSr1-xTiO3 dengan Variasi Sr
Nama
: Iman Rizky Nurzaman
NIM
: G74100002
Disetujui oleh
Drs. Sidikrubadi Pramudito, M.Si
Pembimbing I
Dr. Ir. Irzaman, M.Si
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si
Ketua Departemen
Tanggal:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 ini ialah
polarisasi spontan, dengan judul Perhitungan Polarisasi Spontan Pada Bahan
Ferroelektrik BaxSr1-XTiO3 dengan Variasi Substitusi Sr.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Drs. Sidikrubadi Pramudito,
M.Si dan Dr. Ir. Irzaman, M.Si selaku pembimbing. Di samping itu, penghargaan
penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Husin Alatas, kepala bagian Fisika Teori
IPB dan seluruh dosen Fiska IPB atas bantuannya sehingga membantu kelancaran
dalam penelitian ini serta inspirasi yang diberikan selama penulis melaksanakan
perkuliahan dan penelitian. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada
ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, 16 Maret 2015
Iman Rizky Nurzaman
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR PERSAMAAN
vii
DAFTAR LAMPIRAN
vii
PENDAHULUAN................................................................................................... 1
Latar Belakang..................................................................................................... 1
Perumusan Masalah ............................................................................................. 1
Hipotesis .............................................................................................................. 1
Tujuan Penelitian ................................................................................................. 1
Manfaat Penelitian ............................................................................................... 1
TINJAUAN PUSTAKA.......................................................................................... 2
Material Ferroelektrik .......................................................................................... 2
Barium Stronsium Titanat (BST) ........................................................................ 2
Peluang ................................................................................................................ 3
METODE ................................................................................................................ 4
Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................................. 4
Alat dan Bahan .................................................................................................... 4
Prosedur Penelitian .............................................................................................. 4
Data Parameter Kisi dan Pergeseran Ion Ti4+ dan O2- ..................................... 4
Penentuan Tipe Susunan Ion pada Kristal BST ............................................... 4
Perhitungan Nilai Parameter Kisi dari 9 Tipe Susunan ................................... 4
Penentuan Posisi Ion Pada 9 Tipe Susunan ..................................................... 5
Penentuan Nilai Polarisasi Spontan 9 Tipe Susunan ....................................... 6
Perumusan Peluang Setiap Tipe Berdasarkan Fraksi Mol ............................... 7
Perhitungan Polarisasi Spontan dari BST Dengan Fraksi mol Tertentu.......... 8
Perbandingan Data Teori dengan Data Literatur ............................................. 8
HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................................. 10
Susunan Ion pada Kristal BST .......................................................................... 10
Parameter Kisi Setiap Tipe ................................................................................ 12
Posisi Ion Penyusun ........................................................................................... 13
Polarisasi Spontan Setiap Tipe .......................................................................... 14
Peluang Kemunculan Setiap Tipe Berdasarkan Fraksi Mol ............................. 15
Polarisasi Spontan Untuk Fraksi Mol Tertentu ................................................. 16
Perbandingan dengan Nilai Literatur................................................................. 17
SIMPULAN DAN SARAN .................................................................................. 18
Simpulan ............................................................................................................ 18
Saran .................................................................................................................. 18
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................ 18
LAMPIRAN .......................................................................................................... 20
RIWAYAT HIDUP ............................................................................................... 33
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Perhitungan Parameter kisi kristal BST ................................................. 5
Tabel 2 Penentuan posisi atom penyusun kristal BST ........................................ 6
Tabel 3 Perhitungan Polarisasi Spontan Kristal BST ......................................... 7
Tabel 4 Perhitungan peluang kemunculan setiap tipe susunan kristal BST ....... 8
Tabel 5 Perhitungan polarisasi spontan kristal BST dengan fraksi mol tertentu 8
Tabel 6 Keadaan susunan kristal BST .............................................................. 12
Tabel 7 Parameter kisi kristal BST setiap tipe ................................................. 13
Tabel 8 Susunan posisi atom penyusun kristal BST tipe 1 .............................. 14
Tabel 9 Polarisasi spontan setiap tipe ............................................................... 15
Tabel 10 Peluang tipe susunan berdasarkan fraksi mol ................................. 16
Tabel 11 Polarisasi spontan Ba0.25Sr0.75TiO3 ................................................... 16
Tabel 12 Polarisasi spontan Ba0.5Sr0.5TiO3 ...................................................... 17
Tabel 13 Polarisasi spontan Ba0.75Sr0.25TiO3 ................................................... 17
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Struktur Kristal BaTiO3 ..................................................................... 3
Gambar 2 Urutan Susunan Ion pada BST ........................................................... 5
Gambar 3 Diagram Alir Penelitian ..................................................................... 9
Gambar 4 Susunan Kristal BST ........................................................................ 11
DAFTAR PERSAMAAN
Persamaan 1 Peluang .......................................................................................... 3
Persamaan 2 Perhitungan Parameter Kisi a ........................................................ 5
Persamaan 3 Perhitungan Parameter Kisi c ....................................................... 5
Persamaan 4 Momen Dipol Listrik ..................................................................... 6
Persamaan 5 Volume per kisi ............................................................................. 6
Persamaan 6 Polarisasi Spontan ......................................................................... 6
Persamaan 7 Peluang Kemunculan Setiap Tipe ................................................. 7
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Susunan Posisi Ion Semua Tipe .................................................... 20
Lampiran 2 Contoh Perhitungan Polarisasi Spontan BST ................................ 25
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Penelitian terhadap material ferroelektrik semikonduktor telah banyak
dilakukan karena aplikasinya yang sangat luas, diantaranya digunakan sebagai
bahan dielektrik, penyangga, bahkan sensor cahaya, suhu, dan tekanan.1 Salah
satu material yang banyak dikembangkan adalah Barium Stronsium Titanat (BST).
Pembuatan BST dilakukan dengan berbagai metode, di antaranya chemical
solution decomposition (CSD) yang dilakukan tidak dalam kondisi vakum.2
Sifat dari film tipis BaxSr1-xTiO3 yang terbentuk tergantung pada fraksi mol
barium dan stronsium. Contohnya Ba0.55Sr0.45TiO3. berarti fraksi barium 55% dan
stronsium 45%. Pengembangan material tersebut selama ini dilakukan dengan
memvariasikan fraksi barium dan stronsium. Untuk beberapa aplikasi pada alat
tertentu diperlukan sifat yang spesifik, sehingga untuk mendapatkan sifat material
yang diinginkan memerlukan percobaan yang berulang-ulang. Hal ini akan
menjadi masalah, karena memakan waktu dan biaya yang tidak sedikit.
Salah satu solusi dari masalah tersebut adalah dengan membuat perumusan
umum untuk mencari komposisi fraksi barium dan stronsium yang tepat. Pada
penelitian ini penulis menghitung peluang distribusi penyebaran molekul barium
dan stronsium pada BST untuk membuat perumusan polarisasi atom titanium
Ba0,55Sr0,45TiO3 yang kemudian dibandingkan dengan data hasil eksperimen. Dari
hasil tersebut kemudian bisa dibuat perumusan umum polarisasi atom titanium
pada film tipis BST.
Perumusan Masalah
Bagaimana polarisasi spontan pada lapisan tipis BaxSr1-xTiO3 akibat
pengaruh distribusi peluang keadaan posisi ion Ba2+ dan Sr2+?
Hipotesis
Polarisasi spontan lapisan tipis BaxSr1-xTiO3 dipengaruhi distribusi peluang
keadaan posisi ion Ba2+ dan Sr2+. Distribusi peluang keadaan posisi ion Ba2+ dan
Sr2+ pada lapisan tipis BaxSr1-xTiO3 berupa sebaran normal.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah menghitung polarisasi spontan pada lapisan
tipis BaxSr1-xTiO3 sebagai pengaruh distribusi peluang keadaan posisi ion Ba 2+ dan
Sr2+.
Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah untuk memprediksi nilai polarisasi
spontan lapisan tipis BST dengan berbagai fraksi mol, sehingga dapat menghemat
biaya penelitian secara eksperimen.
2
TINJAUAN PUSTAKA
Material Ferroelektrik
Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara
spontan pada material tanpa gangguan medan listrik dari luar. Ferroelektrivitas
merupakan fenomena yang ditunjukkan oleh kristal dengan suatu polarisasi
spontan dan efek histerisis yang berkaitan dengan perubahan dielektrik ketika
diberikan medan listrik. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat
diterapkan pada sel memori dynamic random acsess memory dengan kapasitas
penyimpanan melampaui 1 Gbit,3 Sifat piezoelektrik dapat dimanfaatkan sebagai
sensor tekanan karena kemampuannya menghasilkan listrik karena adanya
tekanan mekanik,4 dan sifat optik dapat diterapkan sebagai sensor cahaya,
misalnya sifat yang dimiliki BST yang memiliki spektrum absorbansi cahaya pada
gelombang yang lebar.2
Material ferroelektrik merupakan kelompok material yang dapat
terpolarisasi listrik secara internal pada rentang suhu tertentu. Polarisasi terjadi
sebagai akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri pada struktur
kristalografi di dalam sel satuan. Jika pada material ferroelektrik dikenakan medan
listrik, maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran dan menimbulkan momen
dipol listrik. Momen dipol ini yang mengakibatkan terjadi polarisasi. Momen
dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisasi dielektrik.5
Struktur kristal material ferroelektrik adalah tetragonal jika parameter kisi
c lebih besar dari parameter kisi a dan pseudo tetragonal jika parameter kisi c
lebih kecil dari parameter kisi a.6 Fenomena polarisasi terjadi karena pada
material ferroelektrik muatan positif dan muatan negatif tidak dalam keadaan
berhimpit dan sebagai akibatnya ada jarak antara muatan negatif dan muatan
positif sehingga menimbulkan terjadinya pengkutuban atau momen dipol.7
Barium Stronsium Titanat
Material ferroelektrik yang banyak dikembangakan diantaranya BST.
Material tersebut memiliki struktur berupa tetragonal dan pada literatur lain
strukturnya berupa pseudo tetragonal. Pengembangan BST berawal dari
penemuan material BaTiO3 yang kemudian didadah dengan atom stronsium. Suhu
Curie pada barium titanat adalah 120 oC dan dengan adanya dadah stronsium suhu
curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada piranti yang
memerlukan suhu kamar.8
Pembuatan BST menggunakan teknik pembuatan lapisan tipis diantaranya
seperti sputtering, laser ablation, metal oxide vapour chemical depodition,
chemical solution deposition (CSD), chemial vapour deposition.2 Metode CSD
merupakan salah satu metode yang menarik karena kontrol stokiometri yang baik,
mudah dalam pembuatan dan suhu sintesis rendah. 9 Struktur kristal BaTiO3
diperlihatkan pada Gambar 1.10
3
Gambar 1 Struktur Kristal BaTiO3.10
(a) BaTiO3 pada suhu kamar
(b) Dilihat dari satu muka, diperlihatkan pergeseran ion Ti 4+ dan O2dari pusat muka searah sumbu z
Suatu kristal dikatakan terpolarisasi jika memiliki dipol lisrik yang
permanen karena pusat muatan posistif dan muatan negatifnya bukan di pusat selsatuan. Seperti diperlihatkan oleh BaTiO3. Di atas temperatur 1200C BaTiO3
berbenuk kubus. Selama BaTiO3 simetrik, maka tidak ada momen dipol permanen.
Di bawah temperatur 120 oC dinamakan titik Curie ferroelektrik, terdapat
pergeseran kecil tetapi penting pada ion-ionnya. Ion Ti4+ tengah bergeser kira-kira
0.006 nm terhadap ion Ba2+ sudutnya. Ion-ion O2- pada sisi samping bergeser
0.006 nm ke arah berlawanan, sedangkan pada bagian atas dan bawah bergeser
sebesar 0.008 nm. Pusat muatan positif dan pusat muatan negatif dipisahkan
sejauh panjang dipol (d).10 Polarisai spontan BaTiO3 adalah 15.5 µC cm-2 pada
rentang suhu -5 oC sampai 60 oC.11
Struktur kristal BST pada umumnya adalah tetragonal, namun dapat
berubah menjadi pseudo tetragonal (c/a