Kontak Li.strik Resistivitas Rendah Pada Bulk Super Konduktor Keramik Tc Tinggi Sistim YBa2CuJO1.X(Wisnu Ari Adi)
KONTAK LISTRIK RESISTIVITAS RENDA" PADA BULK SUPER KONDUKTOR KERAMIK Tc TINGGI SISTIM YBa2Cu3O7-X Wisnu Ari Adi, Engkir Sukirman, Didin S. Winatapura Pusat Penelitian don Pengembangan Iptek Bahan BATAN E-mail..
[email protected]
ABSTRAK KONTAK LISTRIK RESISTlVrrAS RENDAH PADA BULKSUPERKONDUKTOR KERAMIK Tc TINGGI SISTIM YBa2Cu3O7J1:'Telah dilakukan penelitian kontak listrik pads bulk superkonduktor Tc tinggi (STT) sistim YBCO. Tujuan penelitian ini adalah mencari suatu metode penyambu1lgan listrik antara logam dan superkonduktor keramik dengan resistivitas kontak yang serendah-rendahnya.Ada dUB konfigurasi yang digunakan pada penelitian ini, yaitu konfigurasi penanaman kawat perak dan konfigurasi penanaman kawat tembaga, yang rossing-roBBingmenggunakan pastaperak Ada beberapaproses yang dilakukan dalam membuat kontak listrik ini, yaitu: proses pcnanaman, proses pelekatan pasta peTak,dan proses perlakuan panas (anil). Pads prosesanil ini bcrtujuan untuk menghilangkan beberapapolimer yang adapads pastapeTak.Kedua konfigurasi ini menghasilkan resistivitas kontak cukup rendah dengan Pcberturut-turut 6,94 x 10.7O.cm2 dan 1,10 x 10" O.cm2 Dari dUBmetode tersebut yang paling efektif dan baik adalah metode penanaman kawat peTak. Metode kontak ini diharapkan sangat berguna dan penting untuk perkembanganteknologi aplikasi bulk superkonduktor
Kala kunci
Superkonduktor, Suhu Transisi Kritis, Resistivitas Kontak, Arus Kritis.
ABSTRACT LOW-RESISTIVITY ELECTRIC CONTACT FOR HIGH Tc BULKS CERAMIC SUPERCONDUCTOR YBa1CuJO7-xSYSTEM. Electrical contact investigation of high Tc Superconductor bulk of YBCO (123) systems has been done. The purpose of this investigation is to look for an electrical method connecting metal and ceramic superconductor which has a low resistance We prepared two configurations, i.e., by embedding silver wire and embedding copper wire using silver paste as binder. There are some steps for preparation of measurements, i.e., embedding process, binding process using silver paste, and heat treatment process (annealing) The purpose of annealing process is to eliminate polymers which are contained in silver paste. Both methods yield a low resistivity contact suitable with it's Pc about 6.94 x 10.7Q.cm2 and 1.10 x 10's O.cm2, respectively. From both methods, embedding silver wire method is more effective and good. The contact method is expected to give a better solution for application of technology bulk superconductor. Key words: Superconductor, Critical Temperature, Resistivity of Contact, Critical Current.
PENDAHULUAN Kebanyakan dalam aplikasi komersial, tidak bisa Ketika kawat dilekatkan pada pennukaan bulk dihindarkan bahwa superkonduktor harus dihubungkan superkonduktor dengan menggunakan solder, seperti dengan komponen peralatan lain. Dalam hal ini yang Indium Alloys, maka resistansikontak relatif tinggi akibat paling mendasar yang harus dipenuhi adalah bahwa interface tersebut. Aliran arus sering menghasilkan panas pada kontaknya, daD menimbulkan kenaikan resistivitas sambungan haruslah serendah mungkin, terutama jika bahan superkonduktor digunakan untuk resistivitas pada bahan superkonduktor, sehingga mengalirkan arus tinggi, misalnya dalam pemakaian pengukuranrapat arus kritis (Jc)tidak akurat [1,9]. Hal ini merupakan suatu fenomena umum yang terjadi pada sebagai kabel transmisi daya, generator, motor, penyimpan energi, dan aplikasi lainnya. Sambungan bahan Superkonduktor Temperatur Tinggi (STT). Berbagai tara dilakukan orang untuk mengurangi efek resistivitas rendah juga disyaratkan manakala superkonduktor digunakan sebagai bagian daTi suatu panas daD tingginya resistansi kontak tersebut. Tujuan rangkaian elektronika, rnisalnya di dalam komputer super penelitian ini adalah mencari suatu metode yang tepat untuk memperoleh kontak dengan resistivitas yang cepat. cukup rendah. '
27
'\6. ""
Jurnal SainsMateri Indonesia IndonesianJournal o/Materials Science
Vol.1 No.3, Juni 2000, hal: 27 -32 ISSN: 1411-1098
Ekin, [I J berhasil membuat kontak listrik dengan resistivitas kontak Pc sangat rendah sekitar 10-10Ocm2. Kontak dibuat dengan depo.sisi (metode sputtering) emaslperak pada permukaan mperkonduktorYBCO dan dianil pacta suhu 500-600 °C dalam aliran oksigen. Kemudian Jin, [2J juga melaporkan bahwa dengan menggunakan lapisan emas basil penguapan pada lapisan tipis YBCO diperoleh Pcsekitar 10-10Ocm-2. Begitu juga Van der Maas [3J membuat kODiak listrik dengan metoda
3.
4.
pengendapan lapisan peTak pada YBCO dan memperoleh Pcsekitar 10-8Ocm2 setelah dianil pada 500 °C dalam aliran oksigen. Suasmoro [4J melaporkan bahwa pada umumnya resistansi an tara elektroda dengan superkonduktor berkisar 10. Dengan resistansi sebesar ill, maka arus 5 A dapat menimbulkan disipasi panas sebesar 25 watt. Daya sebesar ini sebagian dibuang ke kriostat nitrogen cair daD
sebagian
lagi
masuk
ke
dalam
5.
cuplikan
superkonduktor. Sehingga suhu pada permukaan cuplikan lebih besar dati 77 K. Kenyataan ini merupakan kendala
dalam pengukuran. Pada
penelitian
terdahulu
[5J
penulis
menggunakan metode pelekatan kawat tembaga dengan menggunakan pasta peTak. Namun metode ini sering men gal ami kegagalan yang disebabkan oleh daya lekat pasta peTak tersebut kurang baik terutama pada saat subu mencapai 77 K (subu didih nitrogen cair). Sehingga sering terjadi fluktuasi daD peningkatan resistansi pada basil pengukuran. Resistansi kontak semacam ill kurang layak digunakan dalam pengukuran sifat listrik bahan. Mengacu pada penelitian-penelitian sebelumnya seperti tersebut di atas, maka diperlukan suatu terobosan ilmiah bagaimana membuat resistarisi kODiak yang rendah sehingga dapat digunakan sebagai standar untuk pengukuran sifat-sifat listrik bahan. Pada penelitian ini
7
lobang tersebut ditanamkan kawat yang akan digunakan sebagaititik kontak listrik. Dalam penelitian ini diuji dua jenis kawat, yakni kawat peTakdan tembaga,yang selanjutnyabertumtturut disebutkonfigurasi AgiYBCO dan CuNBCO. Kedua jenis kawat tersebut masing-masing berdiameter0,5 mm, dan panjang sekitar 0,5 cm. Sebelumkawat dimasukkanke dalam lobang,lobang tersebut ditetesi pasta peTak sedemikian rupa sehingga luas permukaan tete san kira-kira berdiameter 1 mill. Pasta peTak yang digunakan adalah Silver Loaded Epoxy Adhesive (RS 1863616) dengan kandungan peTak 75-80~ dan Triethylenetetramine. Kemudian kawat-kawat tersebut dimasukkan ke dalam lobang dan cuplikan dibiarkan selama 5 jam untuk mengeringkan pastapetak tadi. Selanjutnya setiap konfigurasi (Ag/YBCO dan CuI YBCO) dipanaskan di udara (proses anil) selama I jam, laju pemanasan/pendinginan 2 DCper menit dengan variasi suhu anil 100 DC,150 DC,200 DC, 250 DC,400 DC,daD 500 DC,selanjutnya kondisi cuplikan berturut-turutdisebut K-lOO, K-150, K-200, K-250, K-400, danK-500. Setelah proses annealing, keempat probe pada setiap cuplikan dihubungkan dengan kabel menggunakansolder, kemudian cuplikan dibungkus dengan isolasi yang bertujuan agar keempatprobe tadi tidak langsung bersentuhan dengan nitrogen cairo
Resistansi kontak untuk setiap cuplikan dengan kondisiK-IOO, K-150,K-200, K-250, K-400, danK-500, diukur masing-masing lima kali baik untuk konfigurasi
dikembangkan suatu metode penanarnan kawat perak dan tembaga pada cuplikan. Metode ini berlaku untuk cuplikan yang berbentuk bulk saja, dengan syarat cuplikan cukup tebal. Hal ini diperlukan disamping untuk proses penanamanjuga
untuk kalibrasi pengukuran [6,7J. (a)
BAHAN DAN TATA KERJA Sintesis bulk superkonduktor sistim YBCO telah dilakukan pacta pekerjaan sebelumnya menggunakan metodereaksipadatan [8]. Pactamakalah ini dipersiapkan cuplikan YBCO dalam bentuk bulk. Dengan diameter cuplikan sekitar 2,5 cm dan ketebalan sekitar 0,75 cm. Pengukuransifat listrik cuplikan dilakukan dengan metoda/our-point probe. Kontak listrik antara logam dan cuplikan dibuat dengan cara sebagaiberikut : 1. Cuplikan dilobangi sebanyak empat titik dengan menggunakan bor tangan (mini drill), dengan diameter lobang 0,5 nun dengankedaIamanlobang 3 mm, danjarak antar lobang atauyang dikenal sebagai jarak antarprobe .~sebesar2 nun, sepertiditunjttkkan pactaGambar 1. 2. Setelah cuplikan dilubangi, kemudian pactalobang-
(b)
.~'\ i) /
MSTAft~
"'"
/
Gambar 1. Skema metode penanaman kawat ke dalam bulk superkonduktor denganmemakai pasta perak (a) Tampak samping, (b) Tampak atas.
Kontak Listrik Resistivitas Rendah Pada Bulk Super Konduktor Keramik Tc Tinggi Sistim YBa,Cu,O 7.X(WisnuAri Adi)
AgiYBCO maupun Cu/YBCO. Dengan demikian akan didapat 30 data resistansikontak setiapkonfigurasi. Dari 30 data resistansikontak tersebut,dipilih cuplikan dengan datadenganresistansiterendah. Kemudian pada cuplikan dengan resistansi yang paling rendah tadi, dilakukan pengukuran arus kritisnya baik untuk konfigurasi CuI YBCO maupunAg/YBCO. Peralatan yang digunakan untuk pengukuran resistivitas kontak ini terdiri dati 4 komponen, yaitu perangkat komputer, sumber arus dengan batas keluaran arus daTi 10 mA sampai 20 A, voltmeter dengan batas pengukuran terkecil sampai skala nanovolt, daD pengontrol suhu. Ketiga komponenterakhir dihubungkan dengan komputer mela1uipanel depan(IEEE-488 GPffi) dan Chart Thermometer,sehinggapengukuran ini dapat dikontrol melalui komputer.
Tabel
1. Data pengukuran
tegangan
kontak
untui<
konfigurasi Cu/YBCO
BASIL DAN PEMBABASAN Superkonduktivitas cuplikan YBCO yang digunakan untuk pengujian resistansi kontak dikarakterisasi terlebih dahulu. Hasil karakterisasi ditunjukkan pada Gambar 2. Tampak bahwa cuplikan menampilkan fenomena superkonduktivitasdengan suhu transisi kritis T 1 = 91 K daD T t = 113 K, daDadanya 0,1"
.,onu
pelebarantransisi resistif. Pelebarantransisi resistifterjadi akibat distribusi suhu cuplikan tidak merata pada saat pengukuran [9]. Namun demikian, kurva ini telah menunjukkan bahwa cuplikan YBCO merupakan bahan superkonduktor yang mempunyai suhu transisi kritis cukup tinggi, sehingga cuplikan ini layak digunakan sebagaicuplikan uji untuk pengukuranresistivitaskontak. Hasil pengukuran tegangan kontak ditunjukkan pada Tabell daD2 berturut-turut untuk konfigurasi Cui YBCO daDAg/YBCO. Terlihat bahwa teganganrata-rata terkecil terdapat pada kondisi anil K-250 daD K-500, bertumt-turut untukkonfigurasi Cu/YBCO dan AgfYBCO. Dengan menggunakanhukum OhmR=V/I, dapatdihitung besarnya resistansi dari kedua konfigurasi tersebut,
dengan memasukkan arus I = 1 A (Arus kritis cuplikan sekitar 1,5A). Resistivitas kontak dihitung daTi rumus p = R.A, dimana A adalah luas penampang kontak [1,2]. Dengan asumsi bahwa kontak berbentuk silinder yang sangat pipih seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Data basil perhitungan resistivitas ditunjukkan pada Tabel 3. Dari Tabel 3 dibuatgrnfik antarasuhuani! terhadap resistivitassebagaimanaditunjukkan padaGambar5. Jelas terlihat bahwa resistivitas kontak semakin kecil dengan meningkatnya suhu anil. Hal ini disebabkan karena semakin berkurangnya beberapa polimer yang ada pada pasta peTak tersebut dengan indikasi bahwa terjadi penurunan tegangan saat suhu anil dinaikkan seperti yang terlihat pada tabel 3. Suhuanil untuk konfigurasi Cu/YBCO maksimum
"""1"1 Gambar 2. Kurva resistivitas terhadap suhu cuplikan superkonduktor fasa-123 yang mempunyai T c.ool= 91 K dengan masukan arus 10 mA.
sistim YBCO
29
~ -
JurnalSainsMateri Indonesia IndonesianJournal o/MaterialsScience
Vol.1 No.3, Juni 2000,hal: 27 -32 ISSN: 1411-1098
~
Tabel 3. Data pengukuran resistivitas kontak untuk konfigurasi CuNBCO dan Ag/YBCO pada arus 1 A dan luas penampang kontak 7,85 K 10-3 cm'-
,OOE-O3
1.00E-o4
aiYJrn KaIJjsi
V(Volt)
AriI K-IOO
6,16x1
K-l~
2,'fixl
~3))
6,'fixl
K-~
a,84xl
ql6xl (D)
1,OOE-O5
2,~xl
!
q~xlO'
;
, 7,e6xiU"!~l ~ 7,e6x.lcf
l~xl
8.~xla' 4~xla'
4,92,,10"4,92xlO' 6,82x 10'
K-4X>
l,:tixl
K-»J
1,4)xl
I 3,"~xlO"
~ij'l5,35xld'
pada 250 °C dengan resistivitas kontak sebesar 6,94 x 10-7.o..cm2,karenapada suhudi atas itu permukaan kawat Cu sudah menga1ami oksidasi, sehingga mengakibatkan resistansi yang cukup besar. Namun untuk konflgurasi Ag/YBCO suhu ani! maksimum pada 500 °C denganresistansikontak sebesar1,lOx 10-8.0..cm2. Hal ini disebabkan pada suhu di atas itu terjadinya
1,OOE-10
1;OOE-11
Suhu Pengukuran !)ada 77 K
1 ,ooe-f 2 0
100
200
300
Suhu Annealing
400
500
600
(OC)
Gambar 50 Kurva Resistivitas Kontak terhadap Suhu Annealing dengan laju pemanasan clan pendinginan 2 .C/ menit selama 1 jam di udarao
Gambar 4. Foto makro dari Luas PenampangKontak untuk : (a-b)KonfigurasiCu/YBCO ; (c-d)Konfigurasi Ag/YBCO
30
perubahanpadajumlah kandungan oksigenpadasampe1 ini cukup besar [8], sehingga mengakibatkan perubahan pacta struktur bahan tersebut. PactaGambar 6a dan 6b menunjukkan kurva antS terhadap tegangan berturut-turut untukkonfigurasi CuI YBCO dan Ag/YBCO. Ter1ihatbahwa ants kritis untuk konfigurasi Cu/YBCO 1ebihkeci1 dibanding denganarus kritis untuk konfigurasi Ag/YBCO yaitu berturut-turut 1,2 A dan 1,4 A. Perbedaan ini merupakan fenomena perambatanenergi panasyang diakibatkan oleh resistansi kontak dari kedua konfigurasi tersebut. Pactadasamya kontak antara logam sebagai penghantar dan bahan keramik akan menimbulkan barrier listrik. Hal ini dapat menimbulkan resistansipada permukaankontak, sehingga apabiladialiri arusakan menimbulkanpanasakibatdisipasi panas, dan panas ini akan semakin besar apabila ants yang dialirkan semakin besar. Karena resistansi kontak untuk konfigurasi CulYBCO lebih besar dibandingkan dengan resistansi kontak konfigurasi Ag/YBCO, maka energi panas yang ditimbu1kan kontak dengan konfigurasi CulYBCO 1ebih besar pula dibandingkan dengan kontak konfigurasi Ag/YBCO. Sehingga hal ini menyebabkanterjadinya petbedaanaruskritis pada kedua konfigurasi tersebut walaupun tidak cukup signifikan. Hal ini sesuaidengan teori Barden Cooper Schrifer (BSC) dalam superkoduktor bahwa ants dibawa oleh elektronelektron yang berpasang-pasanganyang sering disebut sebagaicooper pairs [7,10]. Dengan adanya ants yang
Kantak Listrik Resistivitas Rendah Pada Bulk Super Kanduktar Keramik Tc Tinggi Sistim YBa,CuJO 7-X(Wisnu Ari Adi)
~ (b)
t
mengalir padacuplikan, maka timbul energi ekstemalyang akan ikut membantumemutuskanpasanganelektron. Jika energi yang terlibat lebih besar dari energi ikat pasangan elektron, maka pasangan tersebut akan putus menjadi elektron-elektron tunggal sehingga bahan menjadi konduktor biasa. Dalam hal ini salah satu energi yang terlibat adalah energi panasyang diakibatkan olehadanya resistansi kontak, sehingga apabila resistansi kontak itu besar maka akan mempercepat bahan tersebut untuk menjadi non superkonduksi. Berkaitan dengan kedua konfigurasi di atas maka terlihat bahwa konfigurasi Cui YBCO lebih cepat berada pada keadaan non superkonduksi dibandingkan dengan konfigurasi Ag/ YBCO. Tabel4 menunjukkan bahwa rasio resistansipada suhuruang daDsuhu kamar untuk konfigurasi AgiYBCO lebih kecil dibandingkan dengan konfigurasi Cu/YBCO. Rasio konfigurasi Cu/YBCO hampir 57 kali konfigurasi AgiYBCO. Fenomena ini sarnadenganyang ditunjukkan padagambar5 dan6. Dengan demikian resistivitaskoDiak yang cukup baik terdapat pacta konfigurasi AgiYBCO yang mempunyai resistivitaskODiak1,10x 10-8O.cm2pada suhu anil 500 "C selama 1 jam dengan laju pemanasan/ pendinginan sebesar2 °C/menit di udara.
Tabel 4. Rasio resistansi pada 9uhu ruang dengan resistansi pada suhu 77 K
UCAPANTERIMAKASm Kami ucapkan terimakasih kepadaDR Wuryanto selaku Kepala Puslitbang Iptek Bahan dan DR. Ridwan selaku Kepala Bidang Zat Mampat yang banyak memberikan semangat dan arahan-arahannya dalam penulisan ill. Dan kepada Drs. Wagiyo H., M. T yang telah membantu dalam pengambilan gambar dengan photo makroskopiknya.
31
Jur11G1 Sains Materi Indonesia Indonesian Journal ofMaterials Science
DAFTAR
[1]
[2]
Vol. 1 No.3, Juni 2000,hat : 27 -32 lSSN:1411-1098
ACUAN
[6].
WISNU, A.A., SUKIRMAN, E., IuklakPemakaian Alat Ukur Rapat AlUS Kritis (Ic) dan Suhu Transisi EKIN, J.W., BOULDER, COLa, PANSON, A.J., Kritis (Tc) Superkonduktor dengan BErrY, High Tc SuperconductorContact Unit HavMenggunakan Metoda Four Point Probe, ing Low Interface Resistivity, And Method of LaporanteknisBZM-P3IBBATAN, Serpong,I999. Making, Appl. No: 274.881, USA, November 22, [7]. WISNU, A.A., SUKIRMAN, E., WINATAPURA, 1988. D.S., Teknik Pengukuran Rapat Arus Kritis Bulk JIN, S., DAVIS, M.E., TIEFEL,T.H., VAN DOVER, Superkonduktor Tc Tinggi dengan Metode R.B., SHERWOOD, R.C., O'BRYAN, H.M., EkstrapolasiLinier, disajikanpada Seminar Sains KAMMLOTT, G.W., FASTNACHT, R.A.,Low-redanTeknologi Nuklir, P3TN, Bandung, 11-12Juli sistivity contacts to bulk high Tc superconduc2(XO. tors, AT&T Bell Laboratories, Murray Hill, New [8]. SUKIRMAN, E., Pengaruh Distribusi Kekosongan
Jersey,(1989). VAN DER MAAS, J., GASPAROV, V.A., PAVUNA, D., Nature, 328 (1987) 603. [4]. SUASMORO, Pembatas Kemampuan (Perfor- [9]. mance limits) dan Alternatif Riset Superkonduktor YBa Cu o ' Disa J.ikan Pada Diskusi Ilmiah
[3]
Su~rkofidMor'98,
PPSM
Serpong,
22
April
1998.
Oksigen pada Superkonduktivitas YBa2CujO7-X' Thesis Master Fakultas Pasca Sarjana Universitas Indonesia, 1991. FONTANA, F., PERSICO, V., LIVANOV, D.V., BALESTRINO, G., Resistive Transition in Bi"2 Sr2"C:I Cu 30 IO+X Phase,Sov. P;Jn,s. IETP Left., 60, "f 12(1994).
[5]. SUKIRMAN, WISNU, A.A., E., SULISWORO, P., [10]. BUCKEL, W., Superconductivity, VCH Publisher PRASUAD, W., The Increase of Critical Current Density on the Bulk of BSCCO-SystemSuperconductor With Silver Additions, Workshop on the Utilization of Research Reactors Proceeding, Yogyakarta, February 8-11, 1999.
32
Kembali ke Jurnal
mc., New York, (1991)29-36.
