4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Yarosit Yarosit merupakan salah satu bahan mineral yang banyak mengandung besi. Salah satu cara pemanfaatan pasir besi yang tersebar secara luas di Indonesia yang tersebar dipesisir utara pulau jawa, Sumatra , Kalimantan dan Bangka adalah dengan membuat bahan yang lebih bermanfaat (Dani Gustaman, 2007-a, Zulfalina Manaf, 2004). Yarosit yang di gunakan pada percobaan ini berasal dari P.D Kerta Pertambangan Jabar (Dani Gustaman, 2007-b). Yarosit merupakan bahan mineral yang memiliki kandungan utama hematite Fe 2O3, disamping Fe2O3 juga terdapat material ikutan lain seperti SiO2, Al2O3, TiO2, K2O, Na2O, MgO. Adapun komposisi kimia dari pasir yarosit ini adalah sebagai berikut:
Tabel 2.1 Komposisi kimia serbuk mineral yarosit ( Dani Gustaman, 2007-c). No. Oksida Kadar (% berat) 1.
Fe2O3
93.86
2.
SiO2
2.26
3.
Al2O3
2.63
4.
TiO2
1,2
5.
CaO
0,19
6.
MnO
1,054
7.
K2O
1,02
8.
Na2O
2,11
9.
MgO
0,67
10.
LOI
0,506
Ket: LOI = Lost of ignition
5
2.2 Titanium dioksida (TiO2) TiO2 merupakan bahan yang termasuk kedalam bahan material oksida, yang strukturnya berikatan kovalen. TiO2 memiliki tiga macam bentuk kristal diantaranya adalah anatase, rutile dan brookite. TiO2 termasuk kedalam semikonduktor karena memiliki celah energi di bawah 6 eV, TiO2 memiliki celah energi sebesar 3.05 – 3.5 eV dengan resistivitas dalam suhu ruang 10 13 cm . Bentuk kristal anatase memiliki energi gap sebesar 3.0 eV – 3.1 eV, dan untuk rutile memiliki energi gap sebesar 3.2 eV – 3.3 eV. (anonym-a, 2005).
Gambar 2.1. Struktur kristal TiO2 rutille (www. ruby.colorado.edu ).
6
Gambar 2.2. Struktur kristal TiO2 anatase (www. ruby.colorado.edu ).
Gambar 2.3. Struktur kristal TiO2 brookite (www. ruby.colorado.edu ). Adapun perbedaan rutile, anatase dan brookite terlihat dalam Tabel 2.2.
7
Tabel 2.2 Perbedaan , Rutile, Anatase, Brookite (www. ruby.colorado.edu ). Rutile Anatase Brookite Form.Wt.
79.890
79.890
79.890
Z
2
4
8
CrystalSystem
Tetragonal
Tetragonal
Ortorombik
PointGroup
4/mm
4/mm
-
SpaceGroup
P42/mnm
I41/amd
Pbca
a(Å)
4.5845
3.7842
9.184
b(Å)
-
-
5.447
c(Å)
2.9533
9.5146
5.145
Vol
18.693
136.25
257.38
Density
4.2743
3.895
4.123
UnitCell
2.3
Hematit (Fe2O3) Hematit adalah bijih besi yang paling banyak dimanfaatkan karena kadar
besinya tinggi, mencapai 66% dan kadar kotorannya relatif rendah. Istilah hematit berasa dari bahasa Yunani yang memiliki arti “seperti darah” karena hematit berbentuk serbuk yang berwarna merah gelap menyerupai warna darah. Hematit memiliki bilangan koordinasi 6 sehingga setiap ion Fe 3 di kelilingi oleh 6 ion O2
dan setiap ion O 2
di kelilingi oleh 4 ion Fe 3 . Struktur kristal hematit
digambarkan pada Gambar 2.4.
8
Gambar 2.4. Sruktur kristal Hematit Fe2O3 (www. ruby.colorado.edu ). Hematit ini memiliki massa jenis 5.255 gram/cm 3 , berat molekul 159.69 gram/mol (Barsoum,1997). Hematit tergolong pada suatu semi konduktor tipe-n dengan memiliki band gap sebesar 3.1 eV (kingery,1960).
2.4
Keramik Berdasarkan sifatnya bahan keramik memiliki keunggulan dibanding
material yang lain. Pemilihan bahan keramik sebagai bahan dasar divais semikonduktor didasarkan pada sifat-sifat yang dimilikinya yaitu (Van Vlack, 1991): a).
Kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah.
b).
Tahan korosi.
c).
Dilihat dari sifat kelistriknya dapat bersifat sebagai insulator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor .
d).
Dilihat dari sifat kemagnetannya dapat bersifat magnetik dan nonmagnetik, keras dan kuat, namun getas.
9
Dua jenis ikatan dapat terjadi dalam keramik, yakni ikatan ionik dan ikatan kovalen. Sifat keseluruhan material bergantung pada ikatan yang dominan. Klasifikasi bahan keramik dapat dibedakan menjadi dua kelas yaitu kristalin dan amorf (non kristalin). Dalam material kristalin terdapat keteraturan jarak dekat maupun jarak jauh, sedangkan dalam material amorf tidak memiliki keteraturan pada jarak jauh. Keramik memiliki sifat termal yang meliputi: kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Keramik memiliki sifat mekanik kuat, keras namun rapuh.
Semua sifat ini memungkinkan keramik dijadikan perangkat teknologi semikonduktor baik untuk teknologi piezoelectric transducer (pengubah gaya tekanan menjadi arus listrik atau sebaliknya), alat komunikasi, sensor gas, mikrokontroler maupun fungsi yang lain (Van Vlack, 1991). Diketahui secara teoritis karakterisasi listrik keramik dapat diubah dengan berbagai cara, salah satunya yaitu dengan penambahan zat aditif. Aditif yang ditambahkan dapat larut padat ataupun tidak, dapat diketahui dengan melihat struktur kristal keramik sebelum dan sesudah ditambah zat aditif. Larut padat merupakan hasil stuktur kristal sebelum dan sesudah ditambah zat aditif memiliki struktur kristal yang sama. Apabila zat aditif ini dapat larut padat pada keramik matrik maka salah satu kemungkinan yang terjadi adalah ion-ion akan masuk secara subsitusi menggantikan ion-ion keramik matrik (Dani Gustaman, 2007-b). Apabila zat aditif berbentuk AX2 ditambahkan kedalam keramik matrik B2X3 dan dapat larut padat didalamnya maka berdasarkan prinsip kesetimbangan massa dan netralitas
10
muatan, akomodasi ion A
4
dari AX2 di dalam kristal B2X3 secara subsitusi akan
mengikuti reaksi cacat: (Dani Gustaman, 2007-b, Barsoum M,1997).
2 AX 2 2 A
Dengan, A
1
N
1
B
3X ( x)
adalah ion A
1 X2 2e.......... .......... .......... .......... ........( 2.1 ) 2 ( gas ) 4
yang masuk ke subkisi B didalam kisi B2X3, X(x)
adalah ion X dari MX2 yang masuk ke subkisi X di dalam kisi B2X3X2 adalah gas yang dilepaskan dan e merupakan elekron.
3 AX 2
Dengan, A
1
N
3A
1
N
VN
3
adalah ion A
6 X ( x ) .......... .......... .......... .......... .......... ...( 2.2)
4
yang masuk ke subkisi B didalam kisi B2X3, X(x)
adalah ion X dari MX2 yang masuk ke subkisi X di dalam kisi B2X3, dan VN
3
2.4.1
adalah cacat kekosongan N.
Keramik Oksida Fe2O3 dan TiO2 Keramik Oksida Fe2O3 dan TiO2 memiliki karakteristik yang berbeda.
Karakteristik yang dimiliki oleh keramik Oksida Fe 2O3 dan TiO2 dapat dilihat dalam Tabel 2.3.
11
Tabel 2.3 karakteristik keramik Fe2O3 dan TiO2 (www. Kimianet.LIPI). Karakteristik Fe2O3 TiO2 Energi band gap 3.1eV 3.0-3.4 eV Struktur kristal Hexagonal Rutile,anatase,brookit (distorsi cubik) 3. Titik lebur 1735K berubah 1875 K menjadi Fe3O4 dan oksigen 4. Densitas 5.18 g/cm 3 4.25g/ cm 3
No 1. 2.
Adapun proses penyisipan zat aditif TiO2 pada Fe2O3 di gambarkan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5. 2.4.2
Posisi ion TiO2 didalam Fe2O3.
Keramik Semikonduktor Pergerakan muatan didalam keramik digolongkan menjadi tiga yaitu:
1.
Adanya eksitasi melewati band gap (intrinstik) Akibat adanya elekron yang tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi
yang meninggalkan hole pada pita valensi, dimana jumlah hole dan elekron sama.
12
2.
Dengan menambahkan pengotor (ekstristik) Konduktivitas semikonduktor ekstrinsik sangat ditentukan oleh kehadiran
pengotor dari luar. Terdapat dua jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor
tipe-n,
merupakan
semikonduktor
akibat
adanya
ketidakmurnian kimiawi, yang mengakibatkan karakteristik bahan semikonduktor berubah. Dikarenakan bertambahnya konsentrasi hole dan elektron, golongan V dapat menghasilkan pembawa muatan negatif
yang berfungsi sebagai donor
sehingga membentuk semikonduktor ekstrinsik tipe-n. Semikonduktor tipe-p, merupakan pencampuran golongan III yang memiliki elektron valensi 3, sehingga untuk membentuk ikatan yang stabil dibutuhkan elektron tambahan. Atom yang memiliki 4 elektron valensi mampu mengisi kekosongan itu. Ketidakmurnian kimiawi menyebabkan muatan negatif dan atom-atom pembentuk kristal yang kehilangan satu elektron menjadi bermuatan positif membentuk hole. Semikonduktor yang didoping oleh akseptor disebut semikonduktor tipe-p karena muatan positif (hole) sebagai pembawa muatan. 3.
Membuat menjadi non stokiometri Pada semikonduktor nonstokiometri, elekron dan hole yang tereksitasi di
pita konduksi dan valensi merupakan suatu hasil dari reduksi dan oksidasi.
13
Gambar 2.6.
2.5
Skema tingkat energi untuk (a) Semikonduktor interistik, (b)semikonduktor ekstrinsik, (c) semikonduktor nonstokiometri (Barsoum,1997).
Cacat Pada Struktur Kristal Kristal terdiri dari susunan atom yang teratur dan periodik. Tetapi, ternyata
tidak ada kristal yang sempurna. Cacat kristal ini terjadi selama proses pertumbuhan kristal, proses pemurnian, dan bahkan seringkali cacat kristal sengaja diciptakan untuk menghasilkan sifat-sifat tertentu. Cacat kristal dapat dibedakan menjadi : cacat titik, cacat garis, cacat bidang dan cacat ruang. 2.5.1
Cacat Titik Cacat titik adalah ketidak sempurnaan kristal yang terjadi pada suatu titik
kisi tertentu. Cacat tersebut dapat berupa : a. Kekosongan (vacancy) Vacansi adalah kekosongan sisi kisi, yaitu sisi yang seharusnya ditempati atom, kehilangan atomnya. Vakansi terbentuk selama proses pembekuan, dan juga karena getaran atom yang mengakibatkan perpindahan atom dari sisi kisi normalnya.
14
Gambar 2.7.
Gambar Cacat kekosongan (John Willey, 1964).
b. Ketidak murnian (impurity) Impuritas adalah atom asing yang hadir pada suatu material, penambahan atom impuritas ke dalam logam akan mengakibatkan pembentukan larutan padat atau fasa baru. Larutan padat terbentuk ketika atom solute ditambahkan ke material induk, struktur kristal tetap dijaga, dan tidak ada struktur baru yang terbentuk. Larutan padat terbentuk ketika atom solute ditambahkan ke material induk, dimana struktur kristalnya tetap di jaga sehingga tidak adanya struktur baru yang terbentuk. Dalam menentukan derajat kelarutan atom yang larut di pengaruhi faktor ukuran atom, struktur kristal,elektonegatifan dan valensi.
15
Gambar 2.8.
Gambar Cacat Impuritas (John Willey, 1964).
c. Cacat Schottky Adalah suatu cacat yang terjadi didalam kristal ionik akibat adanya kekosongn ion negatif dan ion positif pada keadaan setimbang termal. d. Cacat Frenkel Adalah suatu cacat cacat dimana jumlah kisi yang kosong sama dengan atom yang menyisip 2.5.2
Cacat Garis Cacat garis adalah cacat yang terjadi pada sederetan titik kisi yang
bersambung dan membentuk suatu garis (dislokasi). 2.5.3 Cacat Bidang Cacat bidang adalah cacat yang terjadi karena adanya perubahan transisi arah keteraturan atom, dan ini menimbulkan cacat pada daerah batas butir, sehingga disebut cacat batas butir.
16
2.5.2
Cacat Ruang Cacat ruang adalah cacat yang terjdi di pori-pori (voids) atau salah susun
(stacking fault).
2.6 Termistor Termistor adalah suatu komponen elektronik yang berubah resistifitas sesuai dengan berubahnya temperature (seperti terlihat pada gambar 2.8). Secara bahasa “thermistor” merupakan singkatan dari thermal resistor. Termistor di bagi menjadi 2 jenis berdasarkan nilai koefisien hambatan temperatur yaitu: a. Termistor PTC (positive temperature coeffient) Merupakan suatu termistor yang memiliki nilai hambatan yang bertambah seiring dengan bertambahnya temperatur. Bahan PTC yang banyak di gunakan adalah BaTiO3 (Hyde, 1972). b. Termistor NTC (Negatif temperature coefficient) Merupakan suatu jenis termistor yang akan menunjukan pengurangan nilai seriring dengan meningkatnya temperatur.
17
Gambar 2.9.
Grafik hubungan antara hambatan dengan temperatur untuk termistor NTC dan PTC.
Kedua dari termistor tersebut memiliki fungsi yang ideal sebagai sensor. Termistor NTC sering menggunakan berbagai bahan material oksida dari mangan, nikel, kobalt, besi dan titanium. Dalam pembuatan keramik termistor NTC biasanya menggabungkan beberapa bahan oksida, yang di sinter pada suhu tertentu, seperti: (FeTi)2O3, MgAl2O4 dan Mg Cr2O4 (Dani Gustaman , 2004-a). Hambatan (R) bergantung pada ukuran penghantar yaitu panjang penghantar dan luas bidang (A) yang di tembus oleh arus listrik dan
merupakan
nilai resistifitas bahan (Dani Gustaman, 2004-a).
R Dengan :
l …………………………………………………..(2.3) A = Tahanan jenis listrik (Ohm.cm),
R = Tahanan listrik (Ohm) A = Luas penampang perpukaan pellet (cm2) L = Tebal pelet (cm)
18
Didalam termistor terdapat dua parameter yang sangat penting yaitu konstanta termistor (B) dan sensitifitas termistor( ) . Kedua nilai ini tergantung pada nilai R-T termistor. Konstanta B merupakan karakteristik dari material termistor yang dibuat karena berhubungan dengan energi aktivasi bahan (energi minimal yang dibutuhkan atom-atom bahan untuk berpindah), sedangkan nilai merupakan karakter dari berkurangnya nilai hambatan setiap kenaikan 1K, yang dihitung pada suhu kamar(25oC) dan 85oC. Hubungan hambatan listrik termistor NTC terhadap temperatur pada gambar 2.5, menunjukan hubungan eksponensial yang dapat di tuliskan pada persamaan 2.4 (Dani Gustaman,2004-b, Moulson dan Herbet,1990):
0
Dengan :
exp
(T ) =
B .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ... 2.4 T
Resistifitas listrik pada suhu tertentu (ohm)
=
Konstanta (Resistifitas listrik pada T tak hingga)
B
=
Konstanta termistor (K)
T
=
Suhu termistor (K)
e
=
Bilangan logaritma natural ( 2.71828)
0
19
ln
ln
o
.
B .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......( 2.5) T
Dari persamaan tersebut diketahui bahawa B dapat di cari dari kemiringan kurfa ln
terhadap 1/T. Untuk mencari nilai konstanta
(sensitivitas) dapat dicari dengan
persamaan 2.6 (Dani Gustaman, 2006). B x100%......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... (2.6) T2
Dengan : = Sensitifitas (%/K) B = Koefisien termistor (K) T = Suhu (K) Nilai B dan
merupakan ukuran kualitas termistor yang telah di buat,
semakin besar nilai keduanya semakin baik termistor yang terlah terbentuk. 2.7 Proses Pabrikasi Keramik 2.7.1
Proses Preparasi Serbuk Merupakan proses pengambilan bahan dari mineral, proses penghalusan
serta pencampuran. Pada tahapan penghalusan menggunakan dry milling atau penggerusan secara manual. Pada proses pencampuran menggunakan cairan inert sebagai media pencampurnya.
20
2.7.2
Proses kompaksi Proses kompaksi material keramik di golongkan ke dalam 3 golongan
yaitu: - Metode kompaksi kering Merupakan pembentukan terhadap serbuk halus yang mengandung sedikit air yang diberi tekanan yang dibatasi oleh cetakan. - Metode kompaksi basah Metode ini menggunakan penekanan dan penyaringan larutan serbuk didalam suatu medan magnet. - Metode HIP (Hot Isostatic Pressing) Pada pembentukan keramik ini proses pembentukan dan berlangsung secara bersamaan. Secara skematis dapat dilihat pada gambar 2.10. Repacking
Deformation
Increasing pressure
Gambar 2.10. Tahap-tahap kompaksi serbuk keramik (Riady, N,2002)
21
2.7.3
Proses Sintering Sintering merupakan pemanasan di bawah temperature cairnya, tujuannya
adalah penghilangan pori diantara serbuk awal. Sehingga terbentuknya partikelpartikel yang seragam. Temperatur sintering biasanya 0.6 – 0.8 dari temperatur leleh bahan yang akan di gunakan (Van Vlack,1984).
Gambar 2.11. Sinter padat (a) sebelum sinter partikel mempunyai permukaan sendiri-sendiri.(b) setelah sinter butiran-butiran hanya memiliki satu permukaan saja (Van Vlack,1984). 2.8 Difrasi Sinar – X Difraksi sinar-X merupakan proses hamburan sinar-X oleh bahan kristal. Sinar-X adalah radiasi elekromagnetik transversal, seperti cahaya tampak, tetapi dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek, jangkau panjang gelombangnya tidak terdefinisi dengan jelas dan diperkirakan memiliki panjang gelombang cahaya unggu hingga sinar gamma yang dipancarkan oleh bahanbahan radioaktif. Dalam kristalografi, panjang gelombang yang digunakan berkisar antara 0.5 sampai dengan 2.5 amstrong (Guiner 1963). Diketahui bahwa gelombang elekromagnetik memiliki interpretasi ganda sebagai gelombang dan
22
sebagai partikel. Pada pembahasan difraksi sinar-x banyak menggunakan sinar-x yang membawa sifat gelombang. Karena berupa gelombang elekromagnetik, sinar-x menjalar pada media apapun dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya didalam vakum. Karena selalu menjalar sepanjang garis lurus sinar-x tidak dapat dibelokan oleh lensa, namun sinar-x dapat dipantulkan oleh cermin, dari teori mengenai optic geometri diketahui bahwa sebuah berkas yang menjalar diudara bertemu dengan permukaan sebuah medium padat dengan indeks n<1, maka peristiwa pantulan sempurna (total reflection) bisa terjadi saat sudut datang cukup kecil. Sinar-x secara prinsip memiliki gelombang yang berinteraksi dengan suatu material dapat di manfaatkan untuk mengeksplorasi „keadaan mikroskopik‟. Dari sinilah kemudian berkembang ilmu analisis sinar-x yang meliputi spektroskopi, difraksi, refleksi dan polarisasi dan sebagainya. Penggunaan sinar-x bertujuan untuk membantu menunjukan sifat-sifat material diantaranya: a.
Penentuan struktur kristal
b.
Penentuan ukuran sel satuan
c.
Analis kualitatif indentifikasi unsur/senyawa
d.
Analisis komposisi kimia Secara sistimatis penumbukan sinar-x di gambarkan oleh Gambar 2.10,
ketika sinar-x yang monokromatik jatuh pada sebuah kristal maka sinar-x tersebut akan dihamburkan di segala arah , akan tetapi dikarenakan ketelaruran letak atomatom dalam kristal maka pada arah tertentu saja gelombang hambur akan berinterferensi konstruktif dan pada arah lain akan berinterferensi destruktif.
23
Gambar 2.12. Skema Difraksi sinar –X (XRD) (culity,1956).
Dari gambar 2.12 tampak bahwa sinar yang dipantulkan oleh lapisan bawah menempuh lintasan yang lebih panjang. Beda lintasan antara sinar 1 dan sinar 2 BC+CD, agar terjadinya interferensi maksimum sinar 1 dan sinar 2 harus sefasa , yang berarti bahwa beda lintasan kedua sinar haruslah sama dengan panjang gelombang sinar atau kelipatannya.
BC CD n .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........( 2.7) Bragg menyebutkan sudut antara berkas sinar-X dan bidang kristal sebagai , dikarenakan sudut pada BAC sama dengan jarak AC dikalikan sin
, jarak BC akan sama dengan
:
BC = AC sin
............................................................................(2.8)
Karena jarak AC sama dengan jarak antara bidang atom d, hubungna BBC dan AC dapat dituliskan: BC = d sin Karena BC=CD maka:
................................................................................(2.9)
24
BC + CD =2 d sin ..................................................................(2.10) Diketahui hukum Bragg:
n
2d sin .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... (2.11)
n = 1, 2, 3, ........ = orde difraksi = Panjang gelombang sinar X = Sudut antara sinar datang dengan permukaan kristal d = Jarak antar kisi Pada persamaan ini memberikan gambaran antara jarak bidang dalam kristal dengan sudut dimana radiasi refeleksi yang menunjukan intensitas maksimum pada panjang gelombang tertentu. Apabila panjang gelombang lebih panjang dari 2d maka tidak ada penyelesaian untuk n dan tidak adanya pendifraksi. Parameter kisi untuk suktur hexagonal dirumuskan (2.12), ortorombik(2.13): 1 d2 1 d2
4 h2 3 h2 a2
k2 b2
hk a2
k2
l2 .......... .......... .......... .......... .......( 2.12) c2
l2 .......... .......... .......... .......... .......... .......... ...( 2.13) c2
25
2.9 Scanning Elekron Mikroscope (SEM) Scanning Electron Microscope (SEM) adalah sebuah alat karakterisasi bahan yang digunakan untuk mengetahui: a. Topografi : gambar permukaan atau tekstur dari suatu benda. b. Morfologi : ukuran dan bentuk partikel penyusun c. Komposisi : Gabungan dan komposisi unsur-unsur penyusun bahan d. Kristalografi : Sifat kekristalan yang dimiliki bahan SEM pertama kali ditemukan pada tahun 1938 oleh Von Ardenne, dengan menggunakan prinsip tumbukan berkas elektron pada permukaan bahan. Jika seberkas elektron menumbuk suatu bahan, akan dihasilkan berkas cahaya (photon). Interaksi terjadi pada sebuah volum tertentu pada bahan. Besar kecilnya volum yang berinteraksi bergantung pada: a. Nomor atom; nomor atom besar menunjukan jumlah atom banyak dan berkas elektron akan semakin banyak yang diserap, sehingga volum interaksi menjadi kecil b. Accelerating
voltage/AV
(pemercepat
tegangan);
AV
besar
akan
menghasilkan berkas elektron yang banyak sehingga volum interaksi semakin besar c. Sudut datang; semakin besar sudut datang, volum interaksi semakin kecil. Besar bulir dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.14 berikut (Anonim, 2005 : 26 ).
26
Lk
nl v
Pk
......................................................................(2.14)
Lk
= Rata-rata diameter butir
n
= Jumlah garis uji
l
= Panjang garis uji
v
= Pembesaran foto Pk = Jumlah batas butir yang terpotong
