1!
Pros;d;ngPertemuanIlm;ah Sa;nsMater; /997
/SSN/4/0 -2897
PENGARUH TEMPERA TUR SINTERING TERHADAP KONDUKTIVITAS LISTRIK IONIK AgIl Arie Widowati2, Azis K.Jahya2, daDJohanes A.M2, ABSTRAK PENGARUH TEMPERATUR SINTERING TERHADAP KONDUKTIVITAS LISTRIK IONIK AgI. Telah dilakukan pengukuran konduktivitas AgI sebagai fungsi temperatur untuk cuplikan-cuplikan yang telah disinter terlebih dahulu dengan dengan temperatur sintering yang berbeda-beda yaitu pacta temperatur kamar (25°C), 144°C, dan 300°C. Konduktivitas ionik yang terbaik terjadi pactatemperatur sintering 300°C. Harga konduktivitas a-AgI maksimum O,894/Ocm.
ABSTRACT THE INFLUENCE OF SINTERING TEMPERATURE TO IONIC ELECTRIC CONDUCTIVITY OF Agi. The measuremence of AgI ionic conductivity as a function of temperatures have been performed to some samples which sintered at various sintering temperature of 25°C, 144°C and 300°C. The optimum conductivity is achieved at 3000C with the maximum conductivity of Agi was found to be O,894/Qcm. KEY WORD
Sintering,Ionic conductivity,AgI
PENDAHULUAN
temperatur transisi rasa namun lebih rendah daTi temperatur leleh bahan. Pada penelitian ini, digunakan metoda AC bridge dengan prinsip kerja jembatan Wheatstone. Pada teknik jembatan Wheatstone,tahanan listrik (R) dan kapasitansi (C) cuplikan disetimbangkan (balanced) dengan R dan C variabel. Pada jembatan impendance, R dan C dirangkai secara seri, sedangkan pada jembatan admittance, R dan C dirangkai secara paralel. Sewaktu menyetimbangkan (balancing) jembatan admittance pada frekuensi tertentu, nilai R dan C diperoleh pada titik Dol (null
Pada beberapa tahun terakhir ini, perkembangan penelitian material maju telah demikian pesatnya, diantaranya adalah bahan superionik. Salah satu bahan superionik dasar dari keluarga Perak yaitu AgI. Dari penelitian-penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti terdahulu, konduktivitas AgI pada temperatur ruang berorde 10-4, kemudian pada temperatur transisi rasa meningkat secara spontan sebanyak :t 4 orde (dari 10-4ke 10°)1) Pengukuran konduktivitas listrik bahan point). superionik tersebut sangat bergantung pada keadaan Dengan mengukur tahanan listriknya (R), kontak dari bahan tersebut. Oleh karena itu bahan kemudian menggunakan persamaan (11) clan (12) dapat ditentukan harga konduktivitas listriknya. superionik yang akan diukur konduktivitasnya, Dalam makalah ini akan disampaikan hasil sebaiknya dibentuk relet yang homogen sehingga transfer panas yang terjadi akibat pengukuran penelitian tentang pengaruh temperatur sintering konduktivitas fungsi temperatur dilakukan dapat cuplikan terhadap konduktivitas listrik ionik bahan merata. Untuk itu dilakukan proses sintering terlebih superionik Agl. dahulu mengingat kondisi saat pembentukan relet TEORI tidak dilakukan dalam kondisi vakum. Superionik merupakan suatu bahan yang Temperatur sintering haruslah terletak di mempunyai konduktivitas listrik tinggi (10-4 -10atas temperatur transisi rasa namun dibawah temperatur leleh bahan. Hal ini dilakukan karena I) Q -lcm-l, sebanding dengan konduktivitas listrik pada temperatur di atas temperatur transisi rasa AgI elektrolit cairo Sedangkan konduktivitas elektronnya umumnya rendah (bilangan transfer elektronnya, te < telah berfasa a dan berstruktur BCC. Di samping itu 10-4),karena pembawa muatan utamanya adalah ion. konduktivitas listrik ionik bahan superionik pada temperatur transisi rasa naik secara tiba-tiba Bahan superionik ini mempunyai struktur clan sifat fisis diantara zat kristalin normal dengan struktur sebanyak :t 3 orde dan meningkat terns seiring kristal teratur yang ion-ionnya tidak mobil dengan dengan naiknya temperatur sampai pada temperatur elektrolit cair tanpa struktur, tetapi ion-ionnya mobil. lelehnya. Untuk itu dipilih temperatur sintering yang lebih rendah dari temperatur transisi rasa dan Konduktivitas listrik ionik sangat dekat hila temperatur ~~~~g ~ang lebih tinggi dari _dihubungkan dengan jenis ketidaksempurnaan kisi. ; Dipres*ikan padaPertemua.:;-:ilmiahSainsMateri 1997 2 PusatPenelitianSainsMateri -BAT AN
275
b
~
Prosidin
Pertemuan llmiah Sains Materi 1997
ISSN 1410 -2897
Hal ini pertama kali diungkapkan oleh Frenkel clan telah dilanjutkan oleh Schottky clan Wagner. Secara urnurn ada dua cara ion-ion bergerak di dalarn kristal yaitu (I) Ion-ion tersebut dapat bergerak pada posisi aurora (interstisi) yang tidak terisi di dalarn snafu kristal sernpuma (disebut cacatFrenkel) clan (2) lonion tersebut bergerak dengan rnelornpat ke dalarn posisi yang kosong (vacancy) atau dapat dikatakan bahwa kekosongan (vacancy) bergerak rnelalui kisi clan rnernbawa arus (cacat Schootky). Pergerakan ion-ion kisi tersebut rnenyebabkan terjadinya konduksi listrik.
Menurut
cara
konduksinya
=ZeD
~k
dan persamaan (1), maka diperoleh:
(-E )
2
n Ze
a = -~akT
d2v0 exp -!!. kT
Untuk bahanionik, jumlah pembawamuatan(cacat Frenkel atau Schottky) hanya ditentukan oleh temperaturbahantersebut:
n=noexp (~)
bahan no dan Ef masing-masing jumlah ion dan energi
superionik terdiri dari dua kelornpok yaitu (1) bahan jenis cacat titik (point defect type) clan (2) bahan jenis subkisi lebur (molten sublattice). Padajenis (I), konduksi ion dilakukan rnelalui cacat Frenkel atau Schottky sehingga dengan rneningkatnya ternperatur rnaka sernakinn banyak cacat yang terjadi. Padajenis (2), teori rnenggunakan cacat Frenkel, tetapi jurnlah ternpat yang rnungkin ditempati dalarn sub kisinya jauh lebih besar daripada jurnlah ionnya, sehingga sernua ion dapat loncat (hopping) atau bergerak seperti ion bebas. Kondtiktivitas listrik pada bahan berfasa tunggal dapat dituliskan sebagai: cr = L n.I z."'"II. dimana ni adalah konsentrasi pernbawa rnuatan (ion clan elektron) dengan rnuatan Z clan rnobilitas ItPada bahan superionik kontribusi elektron terhadap cr dapat diabaikan karena t. « 10-4. Persamaan Arrhenius untuk konduktor superionik adalah :
pembentukan cacat. Maka konduktivitas untuk bahan ionik normal: 0" = a
no (Ze)2 Vo d2 (kT)-1 exp
(':~ki-~ £1) dimana Em+ E = E
f
.
Untuk bahan superionik, karena struktur kristalnya mempunyai banyak kekosongan (vacancy), maka jumlah pembawa muatan, n = Bnosehingga : 0"
= a 13 flu (Ze)2 Vo d2 (ff)-1
-E
--!!L
(9)
kT,
dimanaEm= E. Konduktivitas listrik bahan merupakan perbandinganantara kerapatanarus listrik dengan kuat medanlistrik ataudinyatakansebagai: cr = liE
0' = konduktivitas listrik J = kerapatan arus listrik E = kuat medan listrik
E adalah energi aktivasi untuk konduksi clan 0" .0
adalah konstanta preeksponensial. Difusi ion terjadi
Bila pada suatu kawat yang panjangnya L clan luas penampangnya A dialiri arus listrik, maka J = If A clan E = V/L
apabila energinya dapat mengatasi energi ambang (barrier) untuk migrasi, Em. Apabila V adalah 0
frekuensi vibrasi atomik, maka kebolehjadian terjadinya loncatan per detik adalah : -E
(II)
'
dimana
--!!!-
Vo dinamakan attemptfrequency.
sehingga R=p
Konstanta difusi D tergantung pada jarak d clan faktor geometrik a melalui persamaan:
dimana (J = lip
d2v = a d2 Voexp
I
= arus listrik
V = bedapotensia'i~strik
kT"
0 =a
(2)
(10)
dengan :
= v 0 exp
exp
I'
(~J
(12)
TATA KERJA
, kT"
Denganmenggunakanpersamaan Nemst-Einstein,
276
(4)
ProsidinJ!
Pertemuan
I/miah Sains Mater;
J997
ISSN J 4 J0 -2897
PenyiapanCuplikan Bahan AgI yang digunakan pada penelitian ini adalah bahan AgI yang diperoleh dari AgI dari MERCK, namun dari hasil pengukuran dengan difraksi sinar-x terlihat bahwa pada temperatur ruang AgI memiliki rasa campuran, yaitu rasa B yang berstruktur heksagonal clan rasa y yang berstruktur kubik FCC!) Untuk mendapatkan rasa B-AgI perlu dilakukan proses pemumian 3),sebagai berikut : 1. AgI dilarutkan ke dalam larutan KI pekat dengan kepekatan minimum 70% (=0,75 g KI/ml air) sampai terlarut sempuma yang ditandai dengan beningnya larutan tersebut. 2. Kemudian ditambahkan air yang telah didemineralisasi. Untuk setiap 25 gram AgI dibutuhkan air :J:1000 ml untuk proses
pengendapan. 3. Endapan tersebut disaring dengan kertas saring. 4. Setelah itu dilakukan proses dekantasi endapan AgI hingga endapan terbebas dari ekses KI. Unt\lk 25 gram AgI dibutuhkan :1:4000 ml air untuk dekantasi. 5. Kemudian dilakukan pemeriksaan endapan AgI tersebut1elah terbebas dari eksesKI yaitu dengan
Garnbar
Grafik Log Konduktivitas
6. Hasil endapan B-AgI ini yang digunakan pada pengukuran kondQktivitas listrik ionik.
PengukuranKonduktivitas Listrik Pengukuran konduktivitas listrik AgI, menggunakan metoda AC-Bridge. Cuplikan berupa pelet silindris berukuran panjang :I: 5,5 mm dan diameter :I: 10 mm.. Cuplikan tersebut kemudian dibagi menjadi tiga macam, masing-masing cuplikan yang pada temperatur ruang (T=25°C), cuplikan yang disinter pada temperatur 144°C (T=144°C) dan cuplikan yang disinter pada temperatur 300°C (T=300°C). Kemudian pengukuran konduktivitas listrik fungsi temperatur (konduktivitas listrik diukur untuk tiap-tiap temperatur dari temperatur ruang (T=25°C) hingga 300°C. Pemanasan cuplikan dilakukan dengan menggunakan tungku LINN High Therm
model VMK 10, dan untuk pengukuran temperatumya digunakan alat ukur temperatur Digital Thermometer model2168A FLUKE 4357004 dengan tennokopel tipe K model SK3002-1S-03000. Sedangkan pengukuran konduktivitas listrik dilakukan dengan menggunakan alat ukur tahanan listrik High Precision LCR Meter DELICA Mini
Listrik
Ionik AgI vs Invers Temperatur pacta Berbagai
Temperatur PemanasanCuplikan.
cara meneteskan larutan
AgNO
3
pada air
buangan dekantasi yang terakhir. Jika tidak terjadi kekeruhan atau air tersebut tetap bening berarti endapan B-AgI yang kita peroleh tersebut telah terbebas dari ekses KI.
Bridge modelDIS. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari basil pengukuran konduktivitas listrik sepcrti disebutkan di alas diperoleh grafik seperti terlihat pada gambar 1.
2.
Prosidin
Pertemuan IlmiahSains Materi /997
ISSN /4/0 -2897
Dari gambar tersebut dapat ditentukan harga konduktivitas listrik ionik maksimum, minimum clan pada temperatur transisi untuk cuplikan dengan temperatur sintering yang berbedahecla seperti terlihat pada tabel 1.
KESIMPULAN Dari penelitian seperti yang telah diuraikan dl atas,maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Pengukuran konduktivitas listrik ionik bahan
Tabel Konduktivitas Listrik Ionik AgI untuk Berrnacam-macam Temperatur Sintering
superionik temyata lebih baik hila bahan disinter terlebih dahulu, karena dengan demikian maka kondisi cuplikan yang sudah dalam bentuk pelet menjadi lebih homogen. Konduktivitas listrik ionik suatu bahan superionik dipengaruhi oleh temperatur
Keseluruhan keadaan yang telah diuraikan di atas menunjukkan bahwa bila cuplikan disinter hingga temperatur di bawah temperatur transisi rasa (= I 47°C), sifat superionik yang ditunjukkan kurang optimal. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh
Gambar 2a. Difraktogram
AgI pada Temperatur
keadaan struktur kristal AgI yang di bawah temperatur transisinya masih berstruktur heksagonal seperti yang terlihat pada difraktogram (gambar 2a). Sedangkan bila cuplikan disinter hingga suhu di alas temperatur transisi fasanya, struktur AgI tersebut sudah berubah menjadi bentuk kubik (seperti difraktogram pada gambar 2b) yang lebih stabil, sehingga pergerakan ion menjadi lebih mudah. Oi samping itu makin besar temperatur sintering, maka cuplikan tersebut menjadi semakin homogen sehingga pergerakan ion dalam mengisj kekosongan (vacancy) mejadi lebih Iancar.
278
Ruang
sinteringnya. Dan temperatur sinter yang baik adalah temperatur yang ~erletak antara temperatur transisi (TIT) dengan temperatur lelehnya (TJ, dalam hal ini 300°C.
/SSN /4/0
-2897
Gambar 2b. Difraktogram AgI pada Temperatur di atas Temperatur Transisi Fasa UCAP AN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada semua pihak yang telah membantu dalam pelaksanaan penelitian ini antara lain kepada Kepala Balai Teknokimia clan Kepala Bidang Fisika Zat Mampat, Pusat Penelitian gains Materi BA TAN atas ijin penggunaanperalatan.
DAFTARPUSTAKA CHANDRA, S., Superionic Solid, Principples and Application, North Holland Publishing
WIDOWA TI, A, Anomali BeberapaSifat Fisis Konduktor Superionik AgI, Tesis S2, ITB, Bandung,(1995). 3 Handbook of PreparationInorganic Chemistry, Vol. 2, 2nd ed., edited by George Brauer, AcademicPress,NY. 4. InstructionManual DEL/CA Mini Bridge model DIS, Final DocumentPart-2,BATAN MPR-SL, Phase 3, Laddemet Project, Sumitomo Corporation,Tokyo, Japan,(1991). 5 BLATT, FRANK J., Solid StatePhysicsSource Book,edited by Sybil P. Parker,Mc Graw Hill Book Co.,New York, (1988).
2,
Co., Netherlands, (1961).
279
