Sintesis Bahan Piezoelektrik Ramah Lingkungan Berbasis Bi0,5 Na0,5 TiO3 Menggunakan Metode Solid State Reaction Dengan Penambahan Dopan Ta2O5
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Bahan piezoelektrik merupakan suatu fenomena yang menarik, yakni jika
diterapkan gaya pada suatu bahan akan menimbulkan muatan listrik pada
permukaan bahan tersebut, dan sebaliknya jika diterapkan tegangan listrik akan
menimbulkan perubahan bentuk bahan.
Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun 1880‐an oleh
Jacques Curie dan Pierre Curie. Kata piezo berarti tekanan, dan elektrik berarti
listrik, sehingga efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika
material dikenai tekanan mekanik. Bahan piezoelektrik alami diantaranya: Kristal
quartz (SiO2), berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatan
diantaranya: Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead
titanate (PbTiO3) dsb.
Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yang terpolarisasi sehingga
beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan
negatif
membentuk elektroda‐elektroda yang menempel pada dua sisi yang
berlawanan dan menghasilkan medan listrik material yang dapat berubah akibat
gaya mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang
terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang
terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi.
Dewasa ini telah banyak aplikasi-aplikasi bahan piezoelektrik, seperti
sensor-sensor ultrasonic, loudspeaker piezo, industri-industri automotif, minyak,
gas alam, pembangkit listrik mikro atau alat kesehatan ultrasonografi (USG).
Salah satu aplikasi yang paling banyak digunakan saat ini adalah alat USG. Hal
yang utama pada komponen alat USG yaitu transduser. Komponen yang dipegang
dokter atau tenaga medis ini, berfungsi mengalirkan gelombang suara/mekanik
dan menerima pantulannya dan mengubah gelombang akustik ke sinyal
elektronik. Transducer adalah komponen USG yang ditempelkan pada bagian
tubuh yang akan diperiksa, seperti dinding perut atau dinding poros usus besar
Universitas Sumatera Utara
pada pemeriksaan prostat. Di dalam transducer terdapat kristal yang digunakan
untuk menangkap pantulan gelombang yang disalurkan oleh transducer.
Gelombang yang diterima masih dalam bentuk gelombang akustik sehingga
fungsi kristal disini adalah untuk mengubah gelombang tersebut menjadi
gelombang elektronik yang dapat dibaca oleh komputer sehingga dapat
diterjemahkan dalam bentuk gambar.
(a)
(b)
(c)
Gambar 1.1 (a) Penggunaan bahan piezoelektrik pada alat kesehatan USG,
(b) probe sebagai sumber gelombang ultrasonic (sensor), dan (c) Hasil dari USG
Bahan piezoelektrik yang banyak diaplikasikan dewasa ini adalah bahan
keramik PbZrxTi(1-x)O3 (lebih dikenal dengan PZT). Akan tetapi pada proses
sintesa dan bahan teraplikasinya sangat perlu diwaspadai sekali, dikarenakan sifat
beracun yang dimiliki lead oxides dan senyawa lead (sebagai bahan dasar PZT).
Selain itu PZT juga memiliki nilai polarisasi remanen Pr = 39.2 C/cm2 dengan
suhu Curie tertinggi 450ºC. Begitu juga proses penguapan selama proses sintesa
akan dan telah menyebabkan problem yang cukup serius secara jangka panjang.
Maka dari itu kebijaksanaan nasional jangka panjang, mau tak mau, baik pada
skala labor maupun industri harus ramah lingkungan. Oleh karena itu, banyak
Universitas Sumatera Utara
ilmuwan dunia kemudian melakukan kegiatan litbang bahan-bahan piezoelektrik
untuk menggantikan PZT.
Keluarga keramik berstruktur bismuth ini telah menjadi pilihan yang tepat
dalam penelitian kali ini untuk menyiasati bahan yang tidak beracun dan
mempunyai sifat piezoelektrik kuat. Sehingga bahan berstruktur bismuth
Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) menjadikan kandidat kuat bahan piezoelektrik bebas Pb,
disamping itu BNT juga memiliki polarisasi remanen dan suhu transisi fasa yang
tinggi, yakni berturut-turut, Pr = 38 C/cm2 dan Tc = 320ºC, menjadikan tertinggi
selain PZT. Pada penelitian kali ini dilakukan dengan penambahan dopan Ta2O5
yang bertujuan untuk dapat meningkatkan sifat piezoelektrik yang lebih kuat.
Penelitian ini menggunakan metode padatan (Solid State Reaction) karena metode
ini sangat sederhana dan mudah dalam pengerjaannya serta bisa menghasilkan
sifat piezo yang lebih baik.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka dirumuskan suatu permasalahan
bagaimana pengaruh penambahan dopan Ta2O5 terhadap perubahan struktur
kristal dari bahan piezoelektrik BNT (Bi0,5 Na0,5TiO3) dengan metode padatan
(solid state reaction).
1.3 Batasan Masalah
Untuk menghindari adanya pembahasan diluar perumusan masalah diatas maka
penelitian ini difokuskan pada sintesa menggunakan metode solid state reaction,
dibatasi dengan memvariasikan penambahan Ta2O5 sebesar 0%, 1,5%, 3%, 4,5%,
6%, dan 15% mol.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah:
1. Mengetahui pengaruh variasi penambahan dopan Ta2O5 terhadap sistem
kristal dari bahan Bi0,5 Na0,5TiO3 (BNT).
2. Menentukan nilai temperatur curie dari bahan piezoelektrik BNT dengan
penambahan dopan Ta2O5.
Universitas Sumatera Utara
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Meningkatkan kualitas dari bahan piezoelektrik BNT, agar berdampak
jangka panjang dan meningkatkan kualitas aplikasinya.
2. Mengetahui pengaruh variasi penambahan dopan Ta2O5 terhadap
perubahan struktur kristal dengan metode solid state reaction pada bahan
BNT (Bi0,5 Na0,5TiO3).
3. Menjadi
acuan
untuk
penelitian
lanjutan
(aplikasi)
dalam
hal
meningkatkan unjuk kerja instrument aplikasi.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan pada masing – masing bab adalah sebagai berikut :
Bab 1 Pendahuluan
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasan masalah yang
akan diteliti, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian,
tempat penelitian, dan sistematika penelitian
Bab 2 Tinjauan Pustaka
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk
proses pengambilan data, analisa data serta pembahasannya.
Bab 3 Metodelogi Penelitian
Bab ini membahas tentang peralatan dan bahan penelitian, diagram alir
penelitian, dan pengujian sampel.
Bab 4 Hasil dan Pembahasan
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa yang
diperoleh dari penelitian
Bab 5 Kesimpulan dan Saran
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari penelitian
dan memberikan saran untuk penelitian yang lebih lanjut
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Bahan piezoelektrik merupakan suatu fenomena yang menarik, yakni jika
diterapkan gaya pada suatu bahan akan menimbulkan muatan listrik pada
permukaan bahan tersebut, dan sebaliknya jika diterapkan tegangan listrik akan
menimbulkan perubahan bentuk bahan.
Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun 1880‐an oleh
Jacques Curie dan Pierre Curie. Kata piezo berarti tekanan, dan elektrik berarti
listrik, sehingga efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika
material dikenai tekanan mekanik. Bahan piezoelektrik alami diantaranya: Kristal
quartz (SiO2), berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatan
diantaranya: Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead
titanate (PbTiO3) dsb.
Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yang terpolarisasi sehingga
beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan
negatif
membentuk elektroda‐elektroda yang menempel pada dua sisi yang
berlawanan dan menghasilkan medan listrik material yang dapat berubah akibat
gaya mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang
terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang
terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi.
Dewasa ini telah banyak aplikasi-aplikasi bahan piezoelektrik, seperti
sensor-sensor ultrasonic, loudspeaker piezo, industri-industri automotif, minyak,
gas alam, pembangkit listrik mikro atau alat kesehatan ultrasonografi (USG).
Salah satu aplikasi yang paling banyak digunakan saat ini adalah alat USG. Hal
yang utama pada komponen alat USG yaitu transduser. Komponen yang dipegang
dokter atau tenaga medis ini, berfungsi mengalirkan gelombang suara/mekanik
dan menerima pantulannya dan mengubah gelombang akustik ke sinyal
elektronik. Transducer adalah komponen USG yang ditempelkan pada bagian
tubuh yang akan diperiksa, seperti dinding perut atau dinding poros usus besar
Universitas Sumatera Utara
pada pemeriksaan prostat. Di dalam transducer terdapat kristal yang digunakan
untuk menangkap pantulan gelombang yang disalurkan oleh transducer.
Gelombang yang diterima masih dalam bentuk gelombang akustik sehingga
fungsi kristal disini adalah untuk mengubah gelombang tersebut menjadi
gelombang elektronik yang dapat dibaca oleh komputer sehingga dapat
diterjemahkan dalam bentuk gambar.
(a)
(b)
(c)
Gambar 1.1 (a) Penggunaan bahan piezoelektrik pada alat kesehatan USG,
(b) probe sebagai sumber gelombang ultrasonic (sensor), dan (c) Hasil dari USG
Bahan piezoelektrik yang banyak diaplikasikan dewasa ini adalah bahan
keramik PbZrxTi(1-x)O3 (lebih dikenal dengan PZT). Akan tetapi pada proses
sintesa dan bahan teraplikasinya sangat perlu diwaspadai sekali, dikarenakan sifat
beracun yang dimiliki lead oxides dan senyawa lead (sebagai bahan dasar PZT).
Selain itu PZT juga memiliki nilai polarisasi remanen Pr = 39.2 C/cm2 dengan
suhu Curie tertinggi 450ºC. Begitu juga proses penguapan selama proses sintesa
akan dan telah menyebabkan problem yang cukup serius secara jangka panjang.
Maka dari itu kebijaksanaan nasional jangka panjang, mau tak mau, baik pada
skala labor maupun industri harus ramah lingkungan. Oleh karena itu, banyak
Universitas Sumatera Utara
ilmuwan dunia kemudian melakukan kegiatan litbang bahan-bahan piezoelektrik
untuk menggantikan PZT.
Keluarga keramik berstruktur bismuth ini telah menjadi pilihan yang tepat
dalam penelitian kali ini untuk menyiasati bahan yang tidak beracun dan
mempunyai sifat piezoelektrik kuat. Sehingga bahan berstruktur bismuth
Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) menjadikan kandidat kuat bahan piezoelektrik bebas Pb,
disamping itu BNT juga memiliki polarisasi remanen dan suhu transisi fasa yang
tinggi, yakni berturut-turut, Pr = 38 C/cm2 dan Tc = 320ºC, menjadikan tertinggi
selain PZT. Pada penelitian kali ini dilakukan dengan penambahan dopan Ta2O5
yang bertujuan untuk dapat meningkatkan sifat piezoelektrik yang lebih kuat.
Penelitian ini menggunakan metode padatan (Solid State Reaction) karena metode
ini sangat sederhana dan mudah dalam pengerjaannya serta bisa menghasilkan
sifat piezo yang lebih baik.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka dirumuskan suatu permasalahan
bagaimana pengaruh penambahan dopan Ta2O5 terhadap perubahan struktur
kristal dari bahan piezoelektrik BNT (Bi0,5 Na0,5TiO3) dengan metode padatan
(solid state reaction).
1.3 Batasan Masalah
Untuk menghindari adanya pembahasan diluar perumusan masalah diatas maka
penelitian ini difokuskan pada sintesa menggunakan metode solid state reaction,
dibatasi dengan memvariasikan penambahan Ta2O5 sebesar 0%, 1,5%, 3%, 4,5%,
6%, dan 15% mol.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah:
1. Mengetahui pengaruh variasi penambahan dopan Ta2O5 terhadap sistem
kristal dari bahan Bi0,5 Na0,5TiO3 (BNT).
2. Menentukan nilai temperatur curie dari bahan piezoelektrik BNT dengan
penambahan dopan Ta2O5.
Universitas Sumatera Utara
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Meningkatkan kualitas dari bahan piezoelektrik BNT, agar berdampak
jangka panjang dan meningkatkan kualitas aplikasinya.
2. Mengetahui pengaruh variasi penambahan dopan Ta2O5 terhadap
perubahan struktur kristal dengan metode solid state reaction pada bahan
BNT (Bi0,5 Na0,5TiO3).
3. Menjadi
acuan
untuk
penelitian
lanjutan
(aplikasi)
dalam
hal
meningkatkan unjuk kerja instrument aplikasi.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan pada masing – masing bab adalah sebagai berikut :
Bab 1 Pendahuluan
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasan masalah yang
akan diteliti, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian,
tempat penelitian, dan sistematika penelitian
Bab 2 Tinjauan Pustaka
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk
proses pengambilan data, analisa data serta pembahasannya.
Bab 3 Metodelogi Penelitian
Bab ini membahas tentang peralatan dan bahan penelitian, diagram alir
penelitian, dan pengujian sampel.
Bab 4 Hasil dan Pembahasan
Bab ini membahas tentang data hasil penelitian dan analisa yang
diperoleh dari penelitian
Bab 5 Kesimpulan dan Saran
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari penelitian
dan memberikan saran untuk penelitian yang lebih lanjut
Universitas Sumatera Utara