Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996
SIFAT DIELEKTRIK TIDAK-IDEAL Ag2SPADA FREKUENSI RADIO RENDAH1 2
Aziz K. Jahja2,Nurdin Efendie2 daD Sjafei Pumama
ABSTRAK SIFAT DIELEKTRIK TIDAK-IDEAL AgzS PADA FREKUENSI RADIO RENDAH. Telah dilakukan pengukuran impedansi kompleks dan tanggapan dielektrik fungsi frekuensi pada bahan konduktor superion Ag2S, untuk range frekuensi radio rendah 250 Hz-30 kHz. Anomali tanggapan dielektrik terhadap frekuensi menunjukkan bahwa proses konduksi ion Ag+ melalui mekanisme hopping berpengaruh pada karakteristik tanggapan dielektrik pada rasa temperatur rendah 13(70 DC) dan pada rasa temperatur tinggi IX (290 DC). Model permitivitas kompleks empiris Jonscher memberikan profil least-squaresfit yang cukup baik. Telah diperoleh parameter mikroskopis waktu hopping ion Ag+ Tp-lO-4s pada rasa 13dan Tp-lO-IOSpada rasa IX Perbedaan yang cukup drastis antara haria Tp pada dua temperatur yang berbeda menunjukkan bahwa proses hopping pada konduktor ion Ag2S merupakan proses yang teraktivasi termal.
ABSTRACT NON-IDEAL DIELECTRIC RESPONSEOF Ag2S AT LOW RADIO-FREQUENCY. Complex impedanceand frequencydependentdielectric responsemeasurements have bcen carried out for Ag2S superionic conductor at low radio-fr~quencyrangeof 250 Hz -30 kHz. Frequency-dependent anomalyof the dielectric responsehas beenattributedto hopping mechanismof the conductionprocessof Ag+ mobile ions, at the low temperature l3-phase(70 °C) and the high temperaturea-phase (290 °C). The empirical complex permitivity model proposedby Jonscherhas been successfulin reproducinga good least-squares fit of the complexpermitivity data. From Jonscheranalysis,the microscopic parameterof hopping time 'p-IO-4s (l3-phase)and 'p-IO-los (a-phase)wasdetermined.The dramaticdifferencebetweenthe two valuesof 'p showsthatthe hoppingprocessin Ag2Sionic conductorsis thermallyactivated.
PENDAHULUAN
ketidaktertiban
Konduktor superionik (elektrolit) Ag2S memiliki 2 rasa kristalografik, yakni rasa monoklinik pada temperatur rendah daD rasa kubik pada temperatur tinggi. Pada rasa kubik temperatur tinggi, sel satuan Ag2S mengandung 2 unit fonnula, 4 kation Ag+ terdistribusi pada posisi-posisi Wyckoff l2(d). Pada temperatur ruang Ag2S memiliki sistim kristal monoklinik (grup-ruang P2)/c), dengan struktur atom isostruktural dengan struktur tipe "wurtzite", yaitu setiap atom dalam sel-satuan akan dikelilingi oleh empat atom lain yang tersusun secara tetrahedral [1,2]. Pada temperatur tinggi Ag2S mengalami transisi rasa struktur, dari simetri heksagonal menjadi simetri kubik (kpr) dengan grup ruang 09h-Im3m. Kisi tegar anion I mengalami perubahan simetri daD memiliki posisi khusus Wyckoff pada 2(b) 000 dan~. Sedangkan kation-kation mobil Ag+ berada pada 'subkisi meleleh' (molten sub lattice) yang mengalami
superionik AgzS merupakan salah satu jenis konduktor ion padatan atau elektrolit padatan,
(disorder) berat konduktor
daD merupakan bahan anorganik yang menunjukkan konduktivitas ion tinggi pada temperatur di atas temperatur ruang daD jauh di bawah titik leleh. Pada temperatur ruang, bahan konduktor AgzS memiliki konduktivitas ion sebesar 10.z 0-1 cm-l, dan konduktivitas elektronik yang sangat rendah (10-8 O-lcm-l) apabila dibandingkan dengan konduktivitas ion. Oleh sebab itu konduktor
AgzS
dianggap ideal
sebagai bahan
komponen baterai padatan [3]. Walaupun penelitian sifat fisis ( bulk measurements) bahan AgzS telah banyak dilakukan, informasi mengenai perilaku tidak-ideal (nonDebye) sifat dielektrik masih langka, sehingga perIn dilakukan pengukuran tambahan dan analisis mendalam, terutama dari perspektif teori universal yang dikemukakan oleh Jonscher [4,5]. Tehnik tanggapan frekuensi
I Disajikan pada Pertemuan llmiah Sains Materi '96, 22&23 Oktober 1996, di Gedung DRN, PUSPIPTEK, Serpong Tanggerang 15314 2 Pusat Penelitian Sains Materi-BATAN, Kawasan PUSPIPTEK, Serpong, Tanggerang 15314
,ann
(frequency response technique) atau tehnik domain frekuensi (frequency domain technique) membutuhkan infonnasi lengkap
yang dapat diperoleh dengan mengukur 2 jenis besaran fisis sebagai fungsi frekuensi: misalnya bagian riil dan imajiner impedansi , atau kapasitansi suatu bahan [6]. Biasanya infonnasi diperoleh melalui tehnik eksperimen penguat lock-in. jembatan impedansi atau analisator tanggapan frekuensi. Tanggapan terhadap sinyal kecil AC bergantung frekuensi untuk sebuah
konduktor biasanya akan berbentuk sebuah semi-lingkaran. Pada konduktor ion, semilingkaran yang diamati umumnya berbentuk tidak ideal atau tidak sempuma, misalnya pada plot pennitivitas listrik, plot impedansi kompleks dan admitansi kompleks. Analisis tanggapan dielektrik model Jonscher [7,8] menunjukkan bahwa tanggapan a.c. bahan konduktor ion disebabkan oleh dua sumber polarisasi, yaitu (i) lapisan ganda yang terbentuk pada antannuka elektroda logamelektrolit dan (ii) pergeseran muatan-muatan terikat didalam bulk elektrolit.
BAHAN DAN TAT A KERJA Pengukuran data impedansi kompleks bahan dilakukan dengan peralatan DELICA high precision LCR meter mini Wien-Bridge model DI5 berfrekuensi tetap 1 kHz pada modus rangkaian jembatan komparasi serioOsilator rangkaian merupakan jembatan Wien dengan komponen AC. Sebagai sumber frekuensi luar digunakan wide band function generator tipe FG 161, dengan berbagai frekuensi AC, mulai dari 0,25 -30,0 kHz. Cuplikan berbentuk serbuk yang dipres menjadi pelet dengan tebal 0,31 cm dan garis tengah 1,15 cm. Sebagai elektroda dioleskan pasta perak yang dikeringkan di udara. Sel cuplikan merupakan pengumpul muatan tembaga. Untuk menghindarkan oksidasi seluruh sel diletakkan di dalam tabung pyrex yang divakumkan. Sebagai pemanas digunakan furnace tubular Linn-Elektrotherm, temperatur diukur oleh termokopel digital tipe Cr-Al. Pengamatan impedansi dilakukan pada rasa di bawah temperatur transisi 13(70 °C) dan pada rasa di atas temperatur transisi a (290 °C). Pada Gambar I. disajikan diagram kerja pengukuran tanggapan frekuensi pada frekuensi-frekuensi rendah (audio dan radio).
Gambar 1. Prinsip pengukuran tanggapan frekuensi pada frekuensi audio daDradio V(t) sinyal kecil A.C., Z(t) impedansi bahan daD I(t) arus A.C. sebagai output.
401
HASIL DAN PEMBAHASAN Impedansi riil ZR = Rs, impedansi imajiner Zc = (27tfC)-I. Konstanta dielektrik relatif kompleks bahan fungsi frekuensi ER* [0)] dihitung menggunakan hubungan
Tabell. Sampeldatabasil pengukuranimpedansikompleksAg2S pada 70°c.
Z*[o}]=ER*[o}]EoA/I (I) dimana : E*R = fungsi kompleks E*R= E'R -jE", Z* = fungsi kompleks ZR -j Zc, j = -./-1 (bil. imajiner), Rs = tahanan d.c. cuplikan, C = kapasitansi cuplikan, A = luas penampang efektif cuplikan, I = panjang cuplikan, Z*[O}] = impedansi kompleks cuplikan clan Eo = konstanta permitivitas dielektrik ruang hampa. Data-data yang diperoleh terbagi dalam dua bagian. Yaitu data-data untuk
temperatur di bawah temperatur transisi superionik clan untuk temperatur di atas temperatur transisi superionik. Pada Tabel I disajikan contoh data impedansi bahan clan besaran impedansi riil clan imajiner clanpada Tabel 2 disajikan be saran konstanta permitivitas listrik relatif riil clan imajiner pada temperatur 70 °c (fasa ("3). Kedua jenis data dianalisa dengan cara analisis yang sarna. Model empiris Jonscher mengasumsikan bahwa tanggapan dielektrik cuplikan konduktor superionik
dapat direpresentasikan dengan sebuah rangkaian ekuivalen yang terdiri dari suatu besaran CPE (unsur berfasa konstan) yakni C.." yang sebenarnya merupakan harga kapasitansi C pada sa'at frekuensi 0} ;: 00, yang paralel dengan sebuah impedansi kompleks fungsi frekuensi Z*[O}]. Kurva tanggapan frekuensi untuk temperatur 70 °c clan 290 °c menunjukkan anomali tanggapan dielektrik pada daerah frekuensi tertentu, yang secara kualitatif merupakan verifikasi konduksi ion cepat dalam bahan Ag2S [8]. Anomali konstanta dielektrik narnpak jelas pada temperatur 290 °c (fasa-a) , terjadi pada frekuensi sekitar 10kHz, sedangkan pada temperatur 70 °c anomali yang teramati tidak setajam anomali pada rasa-a temperatur tinggi. Tanggapan frekuensi bahan Ag2S disajikan pada gambar 2.
402
Tanggapan frekuensi dicocokan (fitting) pada model umum tanggapan dielektrik Jonscher (persamaan(2)), yaitu pada keadaan khusus (X = 0, atau model Davidson-Cole (D-C), dan keadaan khusus 13=I, atau model Cole-Cole (C-C) [7]. &s -&'"
E*R
[I +Orot;jt;.U]p
+ E..,
(2)
gs = Konstanta dielektrik statis. Yaitu harga g pada sa'at 0) ~ O. g", = Konstanta dielektrik pada frekuensi
Tabel 2. Contoh hasil perhitungan bagian riil clan imajiner impedansi kompleks clan permitivitas kompleks Ag2S pada 70 DC.
tinggi ( 0) ==00) tp = Waktu hopping ion Ag+. a,1} = parameter konstan.
I Frekuensl (kHz)
Parameter-parameter gs, g"" tp' a, I} diperoleh dengan metode pencocokan kurva tidak-linier Marquardt-Levenberg [9]. Pada Tabel 3.
0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 !I 3,000 3.500
disajikan parameter hasilleast-squares fitting model tanggapan dielektrik bahanAg2S. Harga tp yaitu waktu hopping (Ioncatan) yang dibutuhkan oleh ion Ag'" dari keadaan stasioner ke modus konduksi, dapat dianalisis melalui fitting least-squares model D-C dan C-C. Harga tp basil analisis fitting pada rasa B hampir sarna untuk model D-C dan C-C (pada orde besaran 10.4 s), namun pada rasa a, model D-C memberikan basil yang lebih mendekati harga tp teoritis (kurang lebih mendekati periode vibrasi fonon pada kisi ~ 10.12s). Hasil ini menunjukkan bahwa efek hopping ion mobil Ag + amat dominan pada
Zc (0.)
90,S 71,2 52,5 75,3 82,0 56,3 50,5
ZR (0.)
ER" (imajiner)
ER' (riil)
18,2 1,45xI0' 18,0 3,9xI0' 24,7 l,3xIO' 17,9 l7l 22,2 b~ 21,8 I 73
1,7xI0' 7,2xI0' 2,5xIO'
proses relaksasi dielektrik untuk bahan konduktor superion Ag2S, yang memang menjadi ciri khas suatu konduktor superion.
Tabel 3. Parameter basil/east-squares fitting model tanggapan dielektrik Ag2S
70°C.
~o~el D-C C-C
~0 0,49
-~- -Ae~. 0,025 1,0
~--~-
AI 3,9 x 10 4
3,1 x 10
,e~-:oo 6,95 x ."I 10 7
1,4x 10
"t~ ,,-lU 9,7 x-~s~ 10-4
1,4 x 10
403
,,-
",-
~
.'-I
.: '"'
~ ...
~
~ .,~
.,
'"'
., ...
~
:;
.. .,
.. "
>"
§ ""
§
Q.
Gambar 2. Permitivitas relatifkompleks E*R bahan konduktor superion Ag2S rasa monoklinik 13(kiri) dan rasa kubik a (kanan). Plot terdiri atas bagian riil dan imajiner bilangan kompleks E*R = E' R-jE"Ro Garis malar dan garis terputus merupakan hasil fitting model Cole-Cole dan Davidson-Cole
KESIMPULAN DAN SARAN Secara umum dari basil kecocokan profil yang cukup bagus dapat disimpulkan bahwa metode analisis Jonscher mampu untuk menjelaskan fenomena tanggapan dielektrik tidak ideal pacta konduktor ion Ag2S. Hasil least-squares jitting umumnya menunjukkan bahwa mekanisme hopping ionion mobil Ag+ pacta bahan Ag2S mempengaruhi tanggapan dielektrik bahan. Hasil ini juga menunjukkan bahwa analisis umum metode Jonscher mampu untuk mendeteksi besaran mikroskopis waktu hopping tp. Masalah penting yang akan diteliti lebih lanjut ialah pemahaman yang lebih mendalam akan fenomena ini. Untuk itu akan dibahas beberapa model-model yang lebih rinci pactalaporan ilmiah mendatang.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada Pak Yohanes , tehnisi bengkel ISN yang telah membantu dalam pembuatan pelet Ag2S clan modifikasi sel elektroda untuk pengukuran impedansi. Selain itu juga penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdr. Yuliedi Firdaus yang telah membantu dalam pengukuran impedansi kompleks.
404
DAFTAR PUSTAKA 1. MZA MUNSm ed., Handbook of Solid State Batteries and Capacitors, World Scientific PublishingCO.,Singapore(1995). 2. HOSHINO, Solid State Ionics 48 (1991) 179-201.S. HOSHINO, T. SAKUMA and Y. FUrn, J. Phys. Soc. Japan, 45 (1978) 705; 47 (1979) 1252. 3. CHANDRA, SuperionicSolids: Principles and Applications,North Holland Publ. Co., Amsterdam(1981). 4. AK JONSCHER,Phys. Stat. Sol. (A) 32 (1975) 665. JB BATES dan JC WANG, Solid StateIonics 3/4 (1988) 115-9. 5. TAKAHASm, R. KANNO, Y. TAKEDA and O. YAMAMOTO, Solid State Ionics 3/4 (1981)283-287. 6. AK JAHJA, NURDIN EFFENDI dan MARSONGKOHADI, Penelitian sifat-sifat listrik dan dielektrik tidak ideal bahan konduktor superionik Ag3S1 dengan metode analisa impedansi bidang kompleks,Prosiding SeminarIlrniah Hasil Penelitian dan Pengembangan Fisika Terapandan Lingkungan, 25-26 Juni 1996 di P3FTLIPI Bandung. 7. BRUESCH, H.U. BEYELER and S. STRASSLER,Phys.Rev. B25 (1982)541. 8. KOJIMA, K. TOZAKI, T. OGAWA, T. TAKIZA WA and T. KANASHlRO, J. Phys.Soc.Jpn. 57 (1988)176. 9. CATLOW, Solid StateIonics 12 (1984)67.
