BAB II

PEMBAHASAN

1. Keramik Ferroelektrik

1.1 Definisi Ferroelektrik

Definisi Ferroelektrik sebagai gejala polarisasi yang spontan dan

reversibel pada zat padat. Ferroelektrik biasanya menghilang di atas suhu

kritis tertentu, di atas suhu kristal disebut paraelectrik (analogi dengan

paramagnetisme) dan mematuhi hukum Curie-Weiss. Di bawah TC,

polarisasi spontan terjadi pada domain.

gambar 15.12 (a) tanpa tekanan kristal centrosymmetric. Panah mewakili dipol

moment (b) Dikenai tekanan pada kristal tersebut tidak dapat menyebabkan polarisasi.

(c) Tanpa tekanan kristal noncentrosymmetric, yaitu, piezoelektrik. Perhatikan bahwa

struktur ini tidak feroelektrik karena tidak memiliki dipol permanen. (d)

mengembangkan kristal Menekankan polarisasi seperti yang ditunjukkan, (e) kristal

3

4

polar tanpa tekanan, yaitu. feroelektrik, memiliki dipol permanen bahkan dalam keadaan

tanpa tekanan, (f) tekanan kristal feroelektrik. Itu tekanan yang diberikan mengubah

polarisasi dengan ΔP.

1.2 Struktur dari Keramik Ferroelektrik

Secara umum, bahan feroelektrik yang paling penting adalah keramik

basis titanium dengan struktur perovskit seperti BaTiO3 dan PbTiO3.

Berbeda dengan magnetik, bahan feroelektrik melewati fase transisi dari

kisi nonpolar centrosymmetric ke kisi polar noncentrosymmetric pada

suhu TC. Biasanya perovskites ini kubik pada suhu yang tinggi dan

menjadi tetragonal saat suhu diturunkan. Perubahan kristalografi yang

terjadi dalam BaTiO3 sebagai fungsi temperatur dan hasil polarisasi

ditunjukkan pada Gambar. 15.13a.

Hasil dari perubahan dalam dielektrik konstan ditunjukkan pada Gambar.

15.13b, ciri-ciri yang paling menonjol di antaranya adalah peningkatan

tajam dalam k 'di sekitar suhu yang sama sehingga terjadi transisi fase

dari kubik menjadi fase tetragonal. Untuk memahami paraelectrik asal ke

5

feroelektrik transisi dan struktur fase transisi sangat penting untuk

memahami bagaimana medan lokal dipengaruhi oleh polarisasi kisi.

Persamaan (14A.3), yang mengkaitkan medan local Elocuntuk diterapkan

pada medan E, dan polarisasi P dapat tulis:

Di mana adalah ukuran dari peningkatan medan lokal. Dengan

polarisabilitas a berbanding terbalik dengan suhu, yaitu

Dan menggabungkan Pers. (15.41), (14,13), dan (14,14), dapat

menunjukkan bahwa:

Dimana . Membandingkan ungkapan ini dengan hukum

Curie-Weiss [Eq. (15.32)], maka

Dimana C adalah konstanta Curie untuk keramik feroelektrik.

6

Data Tabel 15.6 menunjukkan bahwa untuk titanat dan keramik berbasis

niobat yang konstanta Curie, C, adalah berorde 105K.

Persamaan (15.42) penting karena memprediksi bahwa tanpa adanya fase

transisi, kristal akan menyebar berantakan dengan T mendekati TC, atau

ekuivalen ketika . Sebagaimana dibahas dalam Bab. 2, untuk

setiap ikatan mempunyai komponen tarik dan komponen tolak untuk

energi ikatan total. Jika suhu diturunkan, komponen tolak menjadi lemah ,

maka ikatan tak selaras akan meningkat, seperti yang terlihat dalam

Bab.4, akan meningkatkan besarnya perpindahan ion, yang pada

gilirannya meningkatkan konstanta dielektrik seperti yang diamati.

ketidak selarasan ikatan tidak dapat meningkatkan tanpa batas waktu,

namun pada beberapa suhu kritis energi baik untuk ion Ti4+¿¿di tengah sel

satuan bifurkasio menjadi dua tempat, seperti ditunjukkan pada Gambar.

14.10a. Sebagai ion mengisi satu tempat atau yang lain, interaksi antara

mereka memastikan bahwa semua ion yang menempati tempat yang

sama dapat menimbulkan polarisasi spontan.

2. Kurva Histerisis Ferroelektrik

Selain mengakibatkan k’ sangat besar 'pada Tc, polarisasi spontan

akan menghasilkan loop histeresis, seperti ditunjukkan pada Gambar. 15.14.

pada penerapan bidang rendah. Polarisasi bersifat reversibel dan hampir

linear dengan medan listrik. Pada kekuatan suhu tinggi, polarisasi meningkat

jauh karena beralih dari domain feroelektrik.

7

Kenaikan lebih lanjut di bidang listrik terus untuk meningkatkan

polarisasi sebagai akibat dari distorsi lebih lanjut dari TiO6 oktahedral.

Setelah penghapusan medan listrik, P tidak menuju ke nol tetapi tetap pada

nilai terbatas yang disebut remnant polarization Pr. Nilai remanen

merupakan nilai rapat fluks magnetik yang tersisa di dalam material setelah

medan diturunkan menjadi nol dan merupakan ukuran kecenderungan pola

sifat magnet untuk tetap menyimpang, walaupun medan penyimpang telah

dihilangkan.

Nilai polarisasi dari material dapat dihilangkan dengan menggunakan

sejumlah medan listrik pada arah yang berlawanan (negatif). Harga dari

medan listrik untuk mereduksi nilai polarisasi menjadi nol disebut medan

koersif (Ec)

3. Domain Ferroelektrik

Seperti dijelaskan di atas, domain adalah daerah mikroskopis dalam

kristal yang polarisasinya homogen. Namun, berbeda dengan dinding domain

di feromagnetik bahan yang relatif tebal (Gambar 15.6d), dan feroelektrik

yang dinding domainnya sangat tipis (Gambar 15.15). Akibatnya, dinding

energi sangat terlokalisir dan dinding tidak bergerak dengan mudah.

Untuk mengurangi ketergantungan k' pada temperatur. Dengan kata

lain, penting untuk memperluas permitivitas berlawanan dengan puncak

8

temperatur sebanyak mungkin. Salah satu keuntungan yang signifikan dari

keramik ferroelektrik adalah kemudahan sifatnya yang dapat dimodifikasi

dengan menyesuaikan komposisi dan / atau mikro. Misalnya, substitusi Ti

oleh hasil kation lain dalam pergeseran dalam TC, seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 15.16. Mengganti ion Ti4+ dengan Sr2+ mengurangi TC

sementara substitusi dari Pb2+ meningkat. Hal ini sangat bermanfaat karena

memungkinkan untuk menghubungkan

15.15 Ferroelektrik ketebalan dinding domain.

permitivitas puncak dalam kisaran suhu dimana feroelektrik kapasitor akan

digunakan. Selain itu, penambahan tertentu (misalnya. CaZrO3) untuk

BaTiO3 dapat mengakibatkan daerah komposisi variabel yang berkontribusi

pada rentang temperatur Curie sehingga permitivitas tinggi tersebar di rentang

temperatur yang lebih luas.

Kondisi sintering juga dapat memiliki efek penting pada permitivitas.

Penggantian berbagai kation aliovalent seperti LA3 + dan Nb5 + di BaTiO3 juga

telah terbukti dapat menghambat pertumbuhan butir yang, seperti yang terlihat

pada Gambar. 15.17.

9

Gambar 15.16 Pengaruh subsitusi kation di BaTiO3 pada Tc

Gambar 15.17 Pengaruh ukuran butir pada permitivitas BaTiO3.

10

memiliki efek meningkatkan permitivitas bawah Tc. Akhirnya, rendah-valensi

substitusi seperti Mn3+ pada Ti4+ bertindak sebagai akseptor dan

memungkinkan resistivitas- tinggi dielektrik akan disintering dalam tekanan

atmosfer yang rendah.

Contoh dari sejumlah kristal feroelektrik keramik dan beberapa dari mereka

Sifat tercantum dalam Tabel 15.6

4. Keramik Anti – Ferroelektrik

4.1 Definisi antiferroelektrik

Antiferroelectricity adalah sifat fisik dari bahan-bahan tertentu. Hal ini

terkait erat dengan ferroelectricity, hubungan antara antiferroelectricity dan

ferroelectricity analog dengan hubungan antara antiferromagnetisme dan

ferromagnetisme. Bahan antiferroelectric terdiri dari sebuah array (kristal)

yang tersusun dari dipol listrik (dari ion dan elektron dalam bahan), tetapi

dipol yang berdekatan berorientasi berlawanan (antiparalel) arah. Hal ini

dapat dibandingkan dengan feroelektrik, di mana dipol semua titik dalam arah

yang sama.

Dalam antiferroelectrik total polarisasi adalah nol, karena dipol yang

berdekatan saling menghilangkan satu sama lain. Antiferroelectricity adalah

11

properti material, dan dapat muncul atau menghilang (lebih umum,

memperkuat atau melemahkan) tergantung pada suhu, tekanan, medan listrik

eksternal dan lain-lain. Secara khusus, pada suhu cukup tinggi,

antiferroelectricity menghilang, suhu ini disebut titik Curie antiferroelectric.

4.2 Keramik Antiferroelektrik

Keramik Antiferroelektrik memiliki sifat dielektrik nonlinier sehingga

kapasitansi meningkat seiring meningkatnya dengan medan listrik. Dalam

beberapa keramik perovskit, ketidakstabilan yang terjadi pada suhu Curie

bukan feroelektrik melainkan antiferroelectric. Keramik Antiferroelektrik

dapat dipaksa oleh medan listrik berubah menjadi fase feroelektrik. Fase

transisi ini diwujudkan oleh ekspansi di kedua arah longitudinal dan

transversal dan double P~E histeresis loop.

Gambar . hubungan antara polarisasi dan energi

Gambar di atas menjelaskan bahwa (daerah diarsir mewakili kepadatan

energi), bahan antiferroelectric (c) jauh lebih unggul untuk penyimpanan

energi dibandingkan dengan linear dielektrik (a) dan ferroelectrics (b). Sifat-

sifat material (EF, lapangan untuk transisi ke depan, EA, lapangan untuk

transisi mundur, Pm, polarisasi maksimum) menjadi faktor penentu kepadatan

energi dalam aplikasi kapasitor. Selain itu, perilaku mekanik, terutama

resistensi fraktur, dari antiferroelectrics menjadi sangat penting karena

perubahan volume yang terkait dengan fase transisi selama siklus debit.

Contoh kristal antiferroelektrik adalah WO3, NaNbO3, PbZrO3, dan PbHfO3.

12

4.3 Aplikasi Keramik Antiferroelektrik

Ketika keramik antiferroelektrik digunakan sebagai dielektrik dalam

kapasitor penyimpanan energi, kepadatan energi dapat dimaksimalkan

melalui optimalisasi komposisi kimia dan suhu operasi. Selain itu,

pembatasan mekanis yang dihasilkan dengan memanfaatkan elektroda yang

menutupi sebagian permukaan dielektrik dapat lebih efektif meningkatkan

kepadatan energi.

5. Keramik Piezoelektrik

5.1 Definisi Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik adalah padatan yang mampu mengkonversi

mekanik energi untuk energi listrik dan sebaliknya. Piezoelektrisitas adalah

sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segmen bahan

menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut yang

disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal.

Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas

atau ditekan dan piezo yang bermakna didorong. Bahan piezoelektrik

ditemukan pertama kali pada tahun 1880‐an oleh Jacques dan Pierre Curie.

Kata piezo berarti tekanan, sehingga efek piezoelektrik terjadi jika medan

listrik terbentuk ketika material dikenai tekanan mekanik.

5.2 Struktur dari Keramik Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik adalah padatan yang mampu mengkonversi

mekanik energi untuk energi listrik dan sebaliknya. Hal ini secara skematis

diperlihatkan pada Gambar. 15.19a, dimana penerapan stress mengubah

polarisasi. Ketika kekuatan eksternal diterapkan untuk menghasilkan stress

atau strain dalam keramik, perubahan yang dihasilkan dalam momen dipol,

dan tegangan dikembangkan di seluruh keramik (Gambar 15.19a).

Sebaliknya, penerapan medan listrik akan mengakibatkan perubahan dalam

dimensi dari kristal (Gambar 15.19b).

13

Gambar 15.19 (a) efek piezoelektrik langsung yang polarisasinya diciptakan oleh

stress, (b) Efek terbalik adalah bahwa ketegangan diproduksi sebagai hasil dari

terapan tegangan.

5.3 Bahan-bahan Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik yang pertama dikembangkan secara komersial

adalah BaTiO3. Bahan piezoelektrik yang paling banyak dimanfaatkan

didasarkan pada Pb (Ti, Zr) O3.

Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik

ketika dikenai regangan atau tekanan mekanis. Sebaliknya, jika medan listrik

diterapkan, maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan

mekanis. Bahan piezoelektrik alami diantaranya: Kuarsa (Quartz, SiO2),

berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatan diantaranya:

Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead titanate

(PbTiO3) dsb.