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) μA. 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) μA. 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…………..………..………………………………..39 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 λ dan IR edge λ ...……………………………..…………………..................
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 wavenumber pada sampel……………..………………… 44 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
