KARAKTERISASI SIFAT FISIK, SIFAT OPTIK DAN SIFAT LISTRIK PADA KACA TZBPN.
KARAKTERISASI SIFAT FISIK, SIFAT OPTIK DAN SIFAT
LISTRIK KACA TZBPN
Disusun oleh :
ARUM LUVITA SARI
M0212019
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS ILMU MATEMATIKA DAN PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
Oktober, 2016
i
HALAMAN PERSETUJUAN
SKRIPSI
KARAKTERISASI SIFAT FISIK, SIFAT OPTIK DAN SIFAT LISTRIK
KACA TZBPN
Oleh:
ARUM LUVITA SARI
M0212019
Telah disetujui oleh:
Pembimbing 1
Tanggal: …………………
Dra. Riyatun, M.Si
NIP. 196802261994022001
Pembimbing 2
Tanggal: …………………
Drs. Hery Purwanto, M.Sc
NIP. 195905181987031002
2
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul : Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik, dan Sifat Listrik Kaca
TZBPN
Yang ditulis oleh :
Nama : Arum Luvita Sari
NIM : M0212019
Telah diuji di depang dewan penguji pada:
Hari : …………
Tanggal: …………
Dewan Penguji :
1. Ketua Penguji
Dr. Fuad Anwar, S.Si., M.Si.
NIP. 197006102000031001
.......................................
2. Sekertaris Penguji
Drs. Suharyana, M.Sc
NIP. 196112171989031003
.......................................
3. Anggota Penguji I
Dra. Riyatun, M.Si.
NIP. 196802261994022001
.......................................
4. Anggota Penguji II
Drs. Hery Purwanto, M.Sc.
NIP. 195905181987031002
.......................................
Disahkan pada tanggal ………..
Oleh
Ketua Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret Surakarta
Dr. Fahru Nurosyid S.Si.,M.Si
NIP. 197210132000031002
3
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul
“KARAKTERISASI SIFAT FISIK, SIFAT OPTIK, DAN SIFAT LISTRIK
KACA TZBPN “ adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini
Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain
atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di
Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah
dituliskan di daftar pustaka Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua
pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau
di fotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 3 Oktober 2016
ARUM LUVITA SARI
4
MOTTO
-Tiada ragu mengucap syukur, maaf, dan terima kasih-“Hai orang-orang yang beriman. Bersabarlah kamu dan kuatkanlah
kesabaranmu dan tetaplah bersiaga-siaga (diperbatasan negrimu)
dan bertaqwalah kepada Allah supaya kamu beruntung”(Q.S AL Imran: 200)
5
PERSEMBAHAN
To
- Apriarti Purwaningsih, Suprapto, Yoga Prakosa
Who always beside me, support me, and praying for me whereever
you are-all my bestfriend who always love meand
-and my physics science-
6
Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik, dan Sifat Listrik Kaca TZBPN
Arum Luvita Sari
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Kaca merupakan jenis material padat yang mempunyai struktur amorf
Pada penelitian kaca tellurite difabrikasi dengan metode melt-quenching pada
suhu 900°C dengan komposisi 55TeO2- (41-x) ZnO-2Bi2O3-2PbO-xNa2O yang
disebut kaca TZBPN. Simbol x merupakan variasi komposisi dengan nilai x= 2,
2,5, 3, 3,5. Karakterisasi terhadap sifat kaca TZBPN dilakukan untuk mengetahui
nilai densitas, indeks bias, metalisasi, energi gap, energi urbach, polarisabilitas
elektronik ion oksida, basisitas, massa reduksi, rentang transmitansi, dan arus
yang dapat mengalir. Diperoleh nilai densitas (5,7776 - 6,1104) gr/cm3, indeks
bias (2,006 - 2,035), metalisasi (0,565 - 0,568), energi gap (3,14±0,05) –
(3,37±0,05) eV, energi urbach (0,12±0,13) – (0,27±0,11) eV, polarisabilitas ion
oksida (2,23-2,81) Å3, basisitas (0,922 – 1,07), massa reduksi (0,0364 – 0,0520)
gr, rentang UV-Vis edge (365,2-336,7) nm, rentang IR edge (6363,1 - 6563,4)
nm, dan arus (0 – 0,02) A. Berdasarkan karakterisasi yang diperoleh disimpulkan
bahwa kaca TZBPN ditinjau dari sifat optik dan listriknya memiliki sifat sebagai
semikonduktor.
Kata kunci : densitas, tellurite, melt-quenching, energi gap.
7
Characterization of Physical Properties, Optical Properties and Electrical
Properties of TZBPN Glass
Arum Luvita Sari
Physics Department, Faculty of Matehmatics and Natural Sciences,
Sebelas Maret University
ABSTRACT
Glass is a kind of solid material that has an amorphous structure research
tellurite glass fabricated by the melt-quenching method at 900 ° C with composition
55TeO2-(41-x) ZnO-2Bi2O3-2PbO-xNa2O called TZBPN glass. Symbol x is a
variation of the composition with x = 2, 2.5, 3, 3.5. Characterization of glass TZBPN
conducted to determine the value of density, refractive index, metallization, energy
gap, the energy urbach, electronic polarizability ion oxide, basisitas, mass reduction,
transmittance ranges, and the current can flow. Density values obtained (5.77768 to
6.11041) g / cm3, refractive index (2.006 to 2.035), the metallization (0.5656 to
0.5689), the energy gap (3.14 ± 0.05) - (3, 37 ± 0.05) eV, energy urbach (0.12 ± 0.13)
- (0.27 ± 0.11) eV, polarizability ion oxide (2.23 to 2.81) A3, basisitas (0.922 to 1 ,
07), the mass reduction (0,0364 – 0,0520) gr, the range of UV-Vis edge (365,2336,7) nm, range of IR edge (6363,1 - 6563,4) nm, and the current (0-0,02) A.
Based on the characterization of the obtained glass TZBPN concluded that in terms of
the optical properties and electrical properties as a semiconductor.
Keywords: density, tellurite, melt-quenching, gap energi.
8
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat ALLAH SWT yang telah melimpahkan rahmat,
hidayah, inayah dan segala kenikmatan luar biasa banyaknya. Sholawat serta
salam semoga selalu tercurahkan kepada Nabi kita Muhammad SAW,
keluarganya, para sahabatnya dan umatnya yang selalu istiqomah dijalan
kebenaran.
Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan
gelar sarjana sains ini penulis beri judul “Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik
dan Sifat Listrik kaca TZBPN”. Terselesaikannya skripsi ini adalah suatu
kebanggaan dan kepuasan tersendiri bagi penulis. Setelah sekitar lebih dari satu
semester penulis harus berjuang untuk bisa menyelesaikan skripsi. Kepada
berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan skripsi ini penulis
mengucapkan terima kasih. Atas bantuannya yang sangat besar selama proses
pengerjaan skripsi ini, ucapan terima kasih secara khusus penulis sampaikan
kepada:
1. Ibu Dra. Riyatun, M.Si selaku pembimbing satu dan pembimbing akademik
yang telah memberikan bimbingan dan saran dalam menyelesaikan tugas akhir
penulis.
2. Bapak Drs. Hery Purwanto, M.Sc selaku pembimbing dua yang telah
memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas akhir penulis.
3. Keluarga tercinta papa Suprapto, mama Apri, mas Yoga, adek Shofi dan
seluruh keluarga besar yang terus memberikan semangat dan motivasi penulis
untuk menyelesaikan tugas akhir.
4. Bapak dan Ibu dosen serta Staff di Program Studi Fisika FMIPA UNS yang
telah banyak memberikan ilmu tidak ternilai besarnya bagi penulis.
5. Keluarga selama merantau di Solo “Cemewew”, Aninda, Ira, Nita dan Dian
yang selalu menjadi saksi perjuangan selama merantau, thanks a lot guys for
everything has you did for me.
9
6. Saudaraku di Laboratorium Optics & Photonics Research Group (OPRG),
Dian Putri, Hali, Gitrin, Anin, mas Edi, Ega, Carol, teh Lita, ECP, mas Icas,
mas Aftah and so on.
7. Keluarga kedua dari jaman SMA “Ndologenkss”, Piti, Cun, Cam, Tante
makasih masih setia menemani selama 7 tahun ini, makasih support-nya,
makasih untuk tempat mengeluhnya, tempat berbagi suka duka, not a word
can describe you.
8. Asogy member keluarga selama merantau di Solo, Meri, Hali, teh Lita, Dita,
Cece, Hisan, dan semua mbak mbak adek adek.
9. Teman-teman Creativity oF physiCians (CFC) 2012 yang telah memberikan
motivasi bagi penulis.
Semoga ALLAH SWT membalas segala kebaikan yang telah diberikan.
Penulisan skripsi ini masih jauh dari sempurna, sehingga masukan dan
kritikan yang membangun, sangat penulis harapkan demi kedepan yang lebih baik
dan semoga bermanfaat.
Surakarta, 3 Oktober 2016
Penulis
10
PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya yang berjudul “Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik, dan
Sifat Listrik kaca TZBPN” telah dipublikasikan pada Sebelas Maret University
Institutional Repository (UNS-IR), pada tanggal 29 September 2016, Universitas
Sebelas Maret Surakarta.
11
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL .................................................................................... i
HALAMAN PERSETUJUAN .................................................................... ii
HALAMAN PERNYATAAN ................................................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN .................................................................... iv
HALAMAN MOTTO ..................................................................................v
HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................. vi
HALAMAN ABSTRAK ........................................................................... vii
HALAMAN ABSTRACT........................................................................ viii
KATA PENGANTAR................................................................................ ix
HALAMAN PUBLIKASI ......................................................................... xi
DAFTAR ISI ............................................................................................. xii
DAFTAR TABEL .................................................................................... xiv
DAFTAR GAMBAR .................................................................................xv
DAFTAR SIMBOL .................................................................................. xvi
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................... xvii
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................1
1.1.Latar Belakang Masalah .........................................................................1
1.2.Batasan Masalah .....................................................................................3
1.3.Perumusan Masalah................................................................................3
1.4.Tujuan Penelitian....................................................................................3
1.5.Manfaat Penelitian..................................................................................4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................5
2.1.Teori Dasar Kaca ....................................................................................5
2.2.Fabrikasi Kaca ........................................................................................7
2.2.1.Melt Quenching Tecnique ( MQT ) ...................................... …7
2.2.2.Chemical Vapor Deposition (CVD) ........................................... 8
2.2.3.Sol-gel Proscess .......................................................................... 8
2.3.Kaca Tellurite .........................................................................................9
2.4.Karakteristik Kaca ................................................................................10
2.4.1.Indeks bias ............................................................................... 10
2.4.2.Pengukuran indeks bias dengan metode teori sudut Brewster
............................................................................................................ 12
2.4.3.Rapat massa (Densitas) ........................................................... 14
2.4.4.Absorbansi dan Transmitansi .................................................... 15
2.4.5.Karakteristik kaca pada gelombang UV-VIS....................... 16
2.4.5.1.Energi gap ..................................................................... 16
2.4.6.Karakteristik kaca pada gelombang IR ................................ 18
2.4.7.Karakteristik kelistrikan kaca ............................................... 20
2.4.7.1.Polarisabilitas elektronik ion oksida dan basisitas........ 21
BAB III METODE PENELITIAN .............................................................22
3.1.Tempat dan Waktu Penelitian ..............................................................22
3.2.Alat dan Bahan Penelitian ....................................................................22
12
3.2.1.Alat yang Digunakan dalam Penelitian ................................. 22
3.2.1.1.Alat Fabrikasi................................................................ 22
3.2.1.2.Alat Karakterisasi ......................................................... 23
3.2.1.3.Bahan yang Digunakan dalam Penelitian ..................... 23
3.3.Prosedur Penelitian ...............................................................................24
3.3.1.Persiapan Alat dan Bahan ...................................................... 25
3.3.2.Fabrikasi Kaca......................................................................... 25
3.3.3.Karakterisasi Kaca .................................................................. 27
3.3.3.1.Pengukuran Densitas Kaca ........................................... 27
3.3.3.2.Pengukuran Indeks Bias Kaca ...................................... 27
3.3.3.3.Karakterisasi dengan Spektrometer UV-Vis ................ 28
3.3.3.4.Karakterisai dengan Spektrometer FTIR ...................... 28
3.3.3.5.Pengukuran Rentang Transmitansi ............................... 28
3.3.4.I-V meter .................................................................................. 29
3.3.5.Analisa ...................................................................................... 29
3.3.6.Kesimpulan .............................................................................. 29
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................37
4.1.Hasil Fabrikasi Kaca ............................................................................37
4.2.Karakterisasi Kaca................................................................................38
4.2.1.Sifat Fisik.…………………………………………..…………38
4.2.1.1.Densitas Kaca ….……………………………………..38
4.2.2.Sifat Optik…………..………..………………………………..3λ
4.2.2.1.Indeks Bias Kaca…………………..…………….……39
4.2.2.2.Metalisasi (M)…………………………………..……..43
4.2.2.3.Energi gap pada UV-Vis………………………………43
4.2.2.4.Polarisabilitas Elektronik Ion Oksida dan Basisitas
Optik…………………………………………………………..41
4.2.2.5.Transmitansi Kaca pada IR…………………………...48
4.2.2.5.1.Rentang Transmitansi……………………….50
4.2.2.6.Karakterisasi Kelistrikan Kaca………………………..53
BAB 5 PENUTUP ......................................................................................55
5.1.Kesimpulan...........................................................................................55
5.2.Saran .....................................................................................................56
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................57
LAMPIRAN ...............................................................................................60
13
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1.
Tabel 2.2.
Tabel 3.1.
Tabel 4.1.
Tabel 4.2.
Tabel 4.3.
Tabel 4.4.
Tabel 4.5.
Tabel 4.6.
Tabel 4.7.
Tabel 4.8.
Tabel 4.9.
Tabel 4.10.
Tabel 4.11.
Halaman
Indeks bias, indeks bias non-linier, dan range transmitansi
kaca
pada
kaca
telurium,
silika
dan 10
fluoride…….……………………………………………….
Posisi puncak spektrum FTIR...……………………...........
Komposisi kaca TZBPN dalam mol %........………............
Densitas hasil perhitungan dan pengukuran...…...................
Indeks bias perhitungan dan pengukuran...………...............
Volume molar, refraksi molar dan metalisasi ..…….............
Nilai Koefisien absorpsi sampel kaca K1, K2, K3,
K4…………………………………………………………..
Egap perhitungan dan pengukuran kaca K1, K2, K3, dan
K4....………………………………………………………..
Energi Urbach sampel K1, K2, K3, dan K4..………............
Data Polarisabilitas pengukuran dan perhitungan.................
Data basisitas optik berdasarkan indeks bias dan energi
gap...…………………………..……………........................
Pita wavenumber dengan transmitansi untuk sampel K1,
K2, K3, dan K4………………..………………....................
Massa reduksi dan frekuensi vibrasi sampel K1, K2, K3,
dan K4…………………...……………………....................
Rentang tranmitansi UV-VIS edge
dan IR edge
...……………………………..…………………..................
14
20
26
31
36
36
38
40
41
42
43
45
46
46
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1
Gambar 2.2.
Gambar 2.3.
Gambar 2.4.
Gambar 3.1.
Gambar 3. 2
Gambar 4.1
Gambar 4.2
Gambar 4.3
Gambar 4.4
Gambar 4.5
Gambar 4.6
Gambar 4.7
Gambar 4.8
Gambar 5.1
Halaman
Ilustrasi Bentuk Dua Dimensi dari Susunan Atom Kaca… 5
Kurva pendinginan dalam pembentukan kaca dan Kristal... 6
Skema proses pemantulan dan pembiasan pada (a) θp<
sudut Brewster (b) θp = sudut Brewster…………………... 11
Hasil FTIR kaca TZ (TeO2 dan ZnO)……………..……… 19
Diagram alir tahap eksperimen…………………..………
24
Skema spektrometer metode Brewster Angel……………
27
Kaca TZBPN K1, K2, K3, dan K4……………..………… 31
Pengukuran reflektansi Mode TE dan TM pada K1 dengan
rentang sudut 10°-70°……………..……………………… 33
Pengukuran reflektansi Mode TE dan TM pada K1, (a)
rentang sudut 55° - 65°……………..…………………….
34
Spektrum absorbansi pada kaca K1, K2, K3, K4 (a)
panjang gelombang (200-1100)…..……………..………… 37
Grafik
dan
untuk indirect Band Gapsampel
kaca K1, K2, K3, dan K4…………………………………. 39
Grafik
dan
untuk Urbach energi sampel K1............ 40
(a) Spektrum transmisi IR hubungan transmitansi dengan
44
wavenumber pada sampel……………..…………………
Karakterisasi kelistrikan kaca TZBPN sampel K1, K2, K3
dan K4…….……………..………………………………… 47
Data arus dan tegangan kaca TZBPN sampel K1, K2, K3,
dan K4……………..……………………………………… 50
15
DAFTAR SIMBOL
Satuan
T
Tg
Tm
Tf
n
θ
θp
r
Egap
Rf
T
E
B
TE
TM
m
V
A
It
Io
t
Vt
I
= Suhu/temperatur
= Suhu/temperatur transisi
= Suhu/temperatur melted
= Fictive Temperature
= indeks bias
= sudut
= sudut polarisasi
= koefisien reflektansi
= Energi band gap
= Reflektansi
= Transmitansi
= Medan listrik
= Medan magnet
= Tranverse electric
= Transerve Magnetic
= Refraksi molar
= Volume molar
= Koefisien Absorbansi
= Polarisabilitas molekul
= Polarisabilitas kation
= Polarisabilitas ion oksida
= Densitas
= Massa
= Volume
= Absorbansi
= Konstanta Planck
= Frekuensi
= Panjang gelombang
= Kecepatan cahaya
= Massa reduksi
= Intensitas cahaya keluar
= Intensitas cahaya awal
= Tebal medium
= Basisitas
= kation oksida
= Ion oksida
= Bilangan Avogadro
= Energi Urbach
= Tegangan
= Arus
16
°C
°C
°C
°C
Derajat (°)
eV
%
V/m
Tesla
cm3/mol
cm3/mol
m-1
Å3
Å3
Å3
gr/cm3
Kg
cm3
Js
Hz
M
m/s
Kg
M
6,022 × 1023 mol-1
eV
Volt
Ampere
R
Ω
= Hambatan
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1
Lampiran 2
Lampiran3
Lampiran 4
Lampiran 5
Lampiran 6
Lampiran 7
Lampiran 8
Lampiran 9
Lampiran 10
Halaman
Gambar alat dan bahan………………………………..
55
Data massa masing-masing bahan dalam gram………
58
Data Pengukuran Densitas dengan Piknometer dan Data
Perhitungan Densitas…………………………………… 58
Data Pengukuran Indeks Bias Perhitungan……………
59
Data Pengukuran Egap Perhitungan……………………
61
Data Polarisabilitas Pengukuran dan Perhitungan……… 63
Data FTIR kaca TZBPN sampel K1, K2, K3 dan K4…… 63
Data Grafik Pengukuran Indeks Bias Tahap Pertama
hingga Ketiga………………………………………......... 64
Data Grafik Pengukuran Energi Urbach pada sampel K2,
K3, dan K4……………………………………………… 68
Data Pengukuran I-V meter pada kaca TZBPN sampel
K1, K2, K3, dan K4…………………………………….. 70
17
LISTRIK KACA TZBPN
Disusun oleh :
ARUM LUVITA SARI
M0212019
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS ILMU MATEMATIKA DAN PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
Oktober, 2016
i
HALAMAN PERSETUJUAN
SKRIPSI
KARAKTERISASI SIFAT FISIK, SIFAT OPTIK DAN SIFAT LISTRIK
KACA TZBPN
Oleh:
ARUM LUVITA SARI
M0212019
Telah disetujui oleh:
Pembimbing 1
Tanggal: …………………
Dra. Riyatun, M.Si
NIP. 196802261994022001
Pembimbing 2
Tanggal: …………………
Drs. Hery Purwanto, M.Sc
NIP. 195905181987031002
2
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul : Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik, dan Sifat Listrik Kaca
TZBPN
Yang ditulis oleh :
Nama : Arum Luvita Sari
NIM : M0212019
Telah diuji di depang dewan penguji pada:
Hari : …………
Tanggal: …………
Dewan Penguji :
1. Ketua Penguji
Dr. Fuad Anwar, S.Si., M.Si.
NIP. 197006102000031001
.......................................
2. Sekertaris Penguji
Drs. Suharyana, M.Sc
NIP. 196112171989031003
.......................................
3. Anggota Penguji I
Dra. Riyatun, M.Si.
NIP. 196802261994022001
.......................................
4. Anggota Penguji II
Drs. Hery Purwanto, M.Sc.
NIP. 195905181987031002
.......................................
Disahkan pada tanggal ………..
Oleh
Ketua Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret Surakarta
Dr. Fahru Nurosyid S.Si.,M.Si
NIP. 197210132000031002
3
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul
“KARAKTERISASI SIFAT FISIK, SIFAT OPTIK, DAN SIFAT LISTRIK
KACA TZBPN “ adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini
Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain
atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di
Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah
dituliskan di daftar pustaka Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua
pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau
di fotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 3 Oktober 2016
ARUM LUVITA SARI
4
MOTTO
-Tiada ragu mengucap syukur, maaf, dan terima kasih-“Hai orang-orang yang beriman. Bersabarlah kamu dan kuatkanlah
kesabaranmu dan tetaplah bersiaga-siaga (diperbatasan negrimu)
dan bertaqwalah kepada Allah supaya kamu beruntung”(Q.S AL Imran: 200)
5
PERSEMBAHAN
To
- Apriarti Purwaningsih, Suprapto, Yoga Prakosa
Who always beside me, support me, and praying for me whereever
you are-all my bestfriend who always love meand
-and my physics science-
6
Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik, dan Sifat Listrik Kaca TZBPN
Arum Luvita Sari
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Kaca merupakan jenis material padat yang mempunyai struktur amorf
Pada penelitian kaca tellurite difabrikasi dengan metode melt-quenching pada
suhu 900°C dengan komposisi 55TeO2- (41-x) ZnO-2Bi2O3-2PbO-xNa2O yang
disebut kaca TZBPN. Simbol x merupakan variasi komposisi dengan nilai x= 2,
2,5, 3, 3,5. Karakterisasi terhadap sifat kaca TZBPN dilakukan untuk mengetahui
nilai densitas, indeks bias, metalisasi, energi gap, energi urbach, polarisabilitas
elektronik ion oksida, basisitas, massa reduksi, rentang transmitansi, dan arus
yang dapat mengalir. Diperoleh nilai densitas (5,7776 - 6,1104) gr/cm3, indeks
bias (2,006 - 2,035), metalisasi (0,565 - 0,568), energi gap (3,14±0,05) –
(3,37±0,05) eV, energi urbach (0,12±0,13) – (0,27±0,11) eV, polarisabilitas ion
oksida (2,23-2,81) Å3, basisitas (0,922 – 1,07), massa reduksi (0,0364 – 0,0520)
gr, rentang UV-Vis edge (365,2-336,7) nm, rentang IR edge (6363,1 - 6563,4)
nm, dan arus (0 – 0,02) A. Berdasarkan karakterisasi yang diperoleh disimpulkan
bahwa kaca TZBPN ditinjau dari sifat optik dan listriknya memiliki sifat sebagai
semikonduktor.
Kata kunci : densitas, tellurite, melt-quenching, energi gap.
7
Characterization of Physical Properties, Optical Properties and Electrical
Properties of TZBPN Glass
Arum Luvita Sari
Physics Department, Faculty of Matehmatics and Natural Sciences,
Sebelas Maret University
ABSTRACT
Glass is a kind of solid material that has an amorphous structure research
tellurite glass fabricated by the melt-quenching method at 900 ° C with composition
55TeO2-(41-x) ZnO-2Bi2O3-2PbO-xNa2O called TZBPN glass. Symbol x is a
variation of the composition with x = 2, 2.5, 3, 3.5. Characterization of glass TZBPN
conducted to determine the value of density, refractive index, metallization, energy
gap, the energy urbach, electronic polarizability ion oxide, basisitas, mass reduction,
transmittance ranges, and the current can flow. Density values obtained (5.77768 to
6.11041) g / cm3, refractive index (2.006 to 2.035), the metallization (0.5656 to
0.5689), the energy gap (3.14 ± 0.05) - (3, 37 ± 0.05) eV, energy urbach (0.12 ± 0.13)
- (0.27 ± 0.11) eV, polarizability ion oxide (2.23 to 2.81) A3, basisitas (0.922 to 1 ,
07), the mass reduction (0,0364 – 0,0520) gr, the range of UV-Vis edge (365,2336,7) nm, range of IR edge (6363,1 - 6563,4) nm, and the current (0-0,02) A.
Based on the characterization of the obtained glass TZBPN concluded that in terms of
the optical properties and electrical properties as a semiconductor.
Keywords: density, tellurite, melt-quenching, gap energi.
8
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat ALLAH SWT yang telah melimpahkan rahmat,
hidayah, inayah dan segala kenikmatan luar biasa banyaknya. Sholawat serta
salam semoga selalu tercurahkan kepada Nabi kita Muhammad SAW,
keluarganya, para sahabatnya dan umatnya yang selalu istiqomah dijalan
kebenaran.
Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan
gelar sarjana sains ini penulis beri judul “Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik
dan Sifat Listrik kaca TZBPN”. Terselesaikannya skripsi ini adalah suatu
kebanggaan dan kepuasan tersendiri bagi penulis. Setelah sekitar lebih dari satu
semester penulis harus berjuang untuk bisa menyelesaikan skripsi. Kepada
berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan skripsi ini penulis
mengucapkan terima kasih. Atas bantuannya yang sangat besar selama proses
pengerjaan skripsi ini, ucapan terima kasih secara khusus penulis sampaikan
kepada:
1. Ibu Dra. Riyatun, M.Si selaku pembimbing satu dan pembimbing akademik
yang telah memberikan bimbingan dan saran dalam menyelesaikan tugas akhir
penulis.
2. Bapak Drs. Hery Purwanto, M.Sc selaku pembimbing dua yang telah
memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas akhir penulis.
3. Keluarga tercinta papa Suprapto, mama Apri, mas Yoga, adek Shofi dan
seluruh keluarga besar yang terus memberikan semangat dan motivasi penulis
untuk menyelesaikan tugas akhir.
4. Bapak dan Ibu dosen serta Staff di Program Studi Fisika FMIPA UNS yang
telah banyak memberikan ilmu tidak ternilai besarnya bagi penulis.
5. Keluarga selama merantau di Solo “Cemewew”, Aninda, Ira, Nita dan Dian
yang selalu menjadi saksi perjuangan selama merantau, thanks a lot guys for
everything has you did for me.
9
6. Saudaraku di Laboratorium Optics & Photonics Research Group (OPRG),
Dian Putri, Hali, Gitrin, Anin, mas Edi, Ega, Carol, teh Lita, ECP, mas Icas,
mas Aftah and so on.
7. Keluarga kedua dari jaman SMA “Ndologenkss”, Piti, Cun, Cam, Tante
makasih masih setia menemani selama 7 tahun ini, makasih support-nya,
makasih untuk tempat mengeluhnya, tempat berbagi suka duka, not a word
can describe you.
8. Asogy member keluarga selama merantau di Solo, Meri, Hali, teh Lita, Dita,
Cece, Hisan, dan semua mbak mbak adek adek.
9. Teman-teman Creativity oF physiCians (CFC) 2012 yang telah memberikan
motivasi bagi penulis.
Semoga ALLAH SWT membalas segala kebaikan yang telah diberikan.
Penulisan skripsi ini masih jauh dari sempurna, sehingga masukan dan
kritikan yang membangun, sangat penulis harapkan demi kedepan yang lebih baik
dan semoga bermanfaat.
Surakarta, 3 Oktober 2016
Penulis
10
PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya yang berjudul “Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik, dan
Sifat Listrik kaca TZBPN” telah dipublikasikan pada Sebelas Maret University
Institutional Repository (UNS-IR), pada tanggal 29 September 2016, Universitas
Sebelas Maret Surakarta.
11
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL .................................................................................... i
HALAMAN PERSETUJUAN .................................................................... ii
HALAMAN PERNYATAAN ................................................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN .................................................................... iv
HALAMAN MOTTO ..................................................................................v
HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................. vi
HALAMAN ABSTRAK ........................................................................... vii
HALAMAN ABSTRACT........................................................................ viii
KATA PENGANTAR................................................................................ ix
HALAMAN PUBLIKASI ......................................................................... xi
DAFTAR ISI ............................................................................................. xii
DAFTAR TABEL .................................................................................... xiv
DAFTAR GAMBAR .................................................................................xv
DAFTAR SIMBOL .................................................................................. xvi
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................... xvii
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................1
1.1.Latar Belakang Masalah .........................................................................1
1.2.Batasan Masalah .....................................................................................3
1.3.Perumusan Masalah................................................................................3
1.4.Tujuan Penelitian....................................................................................3
1.5.Manfaat Penelitian..................................................................................4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................5
2.1.Teori Dasar Kaca ....................................................................................5
2.2.Fabrikasi Kaca ........................................................................................7
2.2.1.Melt Quenching Tecnique ( MQT ) ...................................... …7
2.2.2.Chemical Vapor Deposition (CVD) ........................................... 8
2.2.3.Sol-gel Proscess .......................................................................... 8
2.3.Kaca Tellurite .........................................................................................9
2.4.Karakteristik Kaca ................................................................................10
2.4.1.Indeks bias ............................................................................... 10
2.4.2.Pengukuran indeks bias dengan metode teori sudut Brewster
............................................................................................................ 12
2.4.3.Rapat massa (Densitas) ........................................................... 14
2.4.4.Absorbansi dan Transmitansi .................................................... 15
2.4.5.Karakteristik kaca pada gelombang UV-VIS....................... 16
2.4.5.1.Energi gap ..................................................................... 16
2.4.6.Karakteristik kaca pada gelombang IR ................................ 18
2.4.7.Karakteristik kelistrikan kaca ............................................... 20
2.4.7.1.Polarisabilitas elektronik ion oksida dan basisitas........ 21
BAB III METODE PENELITIAN .............................................................22
3.1.Tempat dan Waktu Penelitian ..............................................................22
3.2.Alat dan Bahan Penelitian ....................................................................22
12
3.2.1.Alat yang Digunakan dalam Penelitian ................................. 22
3.2.1.1.Alat Fabrikasi................................................................ 22
3.2.1.2.Alat Karakterisasi ......................................................... 23
3.2.1.3.Bahan yang Digunakan dalam Penelitian ..................... 23
3.3.Prosedur Penelitian ...............................................................................24
3.3.1.Persiapan Alat dan Bahan ...................................................... 25
3.3.2.Fabrikasi Kaca......................................................................... 25
3.3.3.Karakterisasi Kaca .................................................................. 27
3.3.3.1.Pengukuran Densitas Kaca ........................................... 27
3.3.3.2.Pengukuran Indeks Bias Kaca ...................................... 27
3.3.3.3.Karakterisasi dengan Spektrometer UV-Vis ................ 28
3.3.3.4.Karakterisai dengan Spektrometer FTIR ...................... 28
3.3.3.5.Pengukuran Rentang Transmitansi ............................... 28
3.3.4.I-V meter .................................................................................. 29
3.3.5.Analisa ...................................................................................... 29
3.3.6.Kesimpulan .............................................................................. 29
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................37
4.1.Hasil Fabrikasi Kaca ............................................................................37
4.2.Karakterisasi Kaca................................................................................38
4.2.1.Sifat Fisik.…………………………………………..…………38
4.2.1.1.Densitas Kaca ….……………………………………..38
4.2.2.Sifat Optik…………..………..………………………………..3λ
4.2.2.1.Indeks Bias Kaca…………………..…………….……39
4.2.2.2.Metalisasi (M)…………………………………..……..43
4.2.2.3.Energi gap pada UV-Vis………………………………43
4.2.2.4.Polarisabilitas Elektronik Ion Oksida dan Basisitas
Optik…………………………………………………………..41
4.2.2.5.Transmitansi Kaca pada IR…………………………...48
4.2.2.5.1.Rentang Transmitansi……………………….50
4.2.2.6.Karakterisasi Kelistrikan Kaca………………………..53
BAB 5 PENUTUP ......................................................................................55
5.1.Kesimpulan...........................................................................................55
5.2.Saran .....................................................................................................56
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................57
LAMPIRAN ...............................................................................................60
13
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1.
Tabel 2.2.
Tabel 3.1.
Tabel 4.1.
Tabel 4.2.
Tabel 4.3.
Tabel 4.4.
Tabel 4.5.
Tabel 4.6.
Tabel 4.7.
Tabel 4.8.
Tabel 4.9.
Tabel 4.10.
Tabel 4.11.
Halaman
Indeks bias, indeks bias non-linier, dan range transmitansi
kaca
pada
kaca
telurium,
silika
dan 10
fluoride…….……………………………………………….
Posisi puncak spektrum FTIR...……………………...........
Komposisi kaca TZBPN dalam mol %........………............
Densitas hasil perhitungan dan pengukuran...…...................
Indeks bias perhitungan dan pengukuran...………...............
Volume molar, refraksi molar dan metalisasi ..…….............
Nilai Koefisien absorpsi sampel kaca K1, K2, K3,
K4…………………………………………………………..
Egap perhitungan dan pengukuran kaca K1, K2, K3, dan
K4....………………………………………………………..
Energi Urbach sampel K1, K2, K3, dan K4..………............
Data Polarisabilitas pengukuran dan perhitungan.................
Data basisitas optik berdasarkan indeks bias dan energi
gap...…………………………..……………........................
Pita wavenumber dengan transmitansi untuk sampel K1,
K2, K3, dan K4………………..………………....................
Massa reduksi dan frekuensi vibrasi sampel K1, K2, K3,
dan K4…………………...……………………....................
Rentang tranmitansi UV-VIS edge
dan IR edge
...……………………………..…………………..................
14
20
26
31
36
36
38
40
41
42
43
45
46
46
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1
Gambar 2.2.
Gambar 2.3.
Gambar 2.4.
Gambar 3.1.
Gambar 3. 2
Gambar 4.1
Gambar 4.2
Gambar 4.3
Gambar 4.4
Gambar 4.5
Gambar 4.6
Gambar 4.7
Gambar 4.8
Gambar 5.1
Halaman
Ilustrasi Bentuk Dua Dimensi dari Susunan Atom Kaca… 5
Kurva pendinginan dalam pembentukan kaca dan Kristal... 6
Skema proses pemantulan dan pembiasan pada (a) θp<
sudut Brewster (b) θp = sudut Brewster…………………... 11
Hasil FTIR kaca TZ (TeO2 dan ZnO)……………..……… 19
Diagram alir tahap eksperimen…………………..………
24
Skema spektrometer metode Brewster Angel……………
27
Kaca TZBPN K1, K2, K3, dan K4……………..………… 31
Pengukuran reflektansi Mode TE dan TM pada K1 dengan
rentang sudut 10°-70°……………..……………………… 33
Pengukuran reflektansi Mode TE dan TM pada K1, (a)
rentang sudut 55° - 65°……………..…………………….
34
Spektrum absorbansi pada kaca K1, K2, K3, K4 (a)
panjang gelombang (200-1100)…..……………..………… 37
Grafik
dan
untuk indirect Band Gapsampel
kaca K1, K2, K3, dan K4…………………………………. 39
Grafik
dan
untuk Urbach energi sampel K1............ 40
(a) Spektrum transmisi IR hubungan transmitansi dengan
44
wavenumber pada sampel……………..…………………
Karakterisasi kelistrikan kaca TZBPN sampel K1, K2, K3
dan K4…….……………..………………………………… 47
Data arus dan tegangan kaca TZBPN sampel K1, K2, K3,
dan K4……………..……………………………………… 50
15
DAFTAR SIMBOL
Satuan
T
Tg
Tm
Tf
n
θ
θp
r
Egap
Rf
T
E
B
TE
TM
m
V
A
It
Io
t
Vt
I
= Suhu/temperatur
= Suhu/temperatur transisi
= Suhu/temperatur melted
= Fictive Temperature
= indeks bias
= sudut
= sudut polarisasi
= koefisien reflektansi
= Energi band gap
= Reflektansi
= Transmitansi
= Medan listrik
= Medan magnet
= Tranverse electric
= Transerve Magnetic
= Refraksi molar
= Volume molar
= Koefisien Absorbansi
= Polarisabilitas molekul
= Polarisabilitas kation
= Polarisabilitas ion oksida
= Densitas
= Massa
= Volume
= Absorbansi
= Konstanta Planck
= Frekuensi
= Panjang gelombang
= Kecepatan cahaya
= Massa reduksi
= Intensitas cahaya keluar
= Intensitas cahaya awal
= Tebal medium
= Basisitas
= kation oksida
= Ion oksida
= Bilangan Avogadro
= Energi Urbach
= Tegangan
= Arus
16
°C
°C
°C
°C
Derajat (°)
eV
%
V/m
Tesla
cm3/mol
cm3/mol
m-1
Å3
Å3
Å3
gr/cm3
Kg
cm3
Js
Hz
M
m/s
Kg
M
6,022 × 1023 mol-1
eV
Volt
Ampere
R
Ω
= Hambatan
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1
Lampiran 2
Lampiran3
Lampiran 4
Lampiran 5
Lampiran 6
Lampiran 7
Lampiran 8
Lampiran 9
Lampiran 10
Halaman
Gambar alat dan bahan………………………………..
55
Data massa masing-masing bahan dalam gram………
58
Data Pengukuran Densitas dengan Piknometer dan Data
Perhitungan Densitas…………………………………… 58
Data Pengukuran Indeks Bias Perhitungan……………
59
Data Pengukuran Egap Perhitungan……………………
61
Data Polarisabilitas Pengukuran dan Perhitungan……… 63
Data FTIR kaca TZBPN sampel K1, K2, K3 dan K4…… 63
Data Grafik Pengukuran Indeks Bias Tahap Pertama
hingga Ketiga………………………………………......... 64
Data Grafik Pengukuran Energi Urbach pada sampel K2,
K3, dan K4……………………………………………… 68
Data Pengukuran I-V meter pada kaca TZBPN sampel
K1, K2, K3, dan K4…………………………………….. 70
17