Pros;d;ng Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; /997 /SSN /4/0 -2897

PENGARUH TEMPERA TUR SINTERING TERHADAPKONDUKTIVITAS LISTRIK IONIK AgIl b

1!

Arie Widowati2, Azis K.Jahya2, daD Johanes A.M2,

ABSTRAKPENGARUH TEMPERATUR SINTERING TERHADAP KONDUKTIVITAS LISTRIK IONIK AgI. Telah

dilakukan pengukuran konduktivitas AgI sebagai fungsi temperatur untuk cuplikan-cuplikan yang telah disinter terlebih dahulu dengandengan temperatur sintering yang berbeda-beda yaitu pacta temperatur kamar (25°C), 144°C, dan 300°C. Konduktivitas ionik yangterbaik terjadi pacta temperatur sintering 300°C. Harga konduktivitas a-AgI maksimum O,894/Ocm.

ABSTRACTTHE 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 varioussintering temperature of 25°C, 144°C and 300°C. The optimum conductivity is achieved at 3000C with the maximum conductivity ofAgi was found to be O,894/Qcm.

KEY WORDSintering, Ionic conductivity, AgI

PENDAHULUAN temperatur transisi rasa namun lebih rendah daTitemperatur leleh bahan.

Pada penelitian ini, digunakan metoda ACbridge dengan prinsip kerja jembatan Wheatstone.Pada teknik jembatan Wheatstone, tahanan listrik (R)dan kapasitansi (C) cuplikan disetimbangkan(balanced) dengan R dan C variabel. Pada jembatanimpendance, R dan C dirangkai secara seri,sedangkan pada jembatan admittance, R dan Cdirangkai secara paralel. Sewaktu menyetimbangkan(balancing) jembatan admittance pada frekuensitertentu, nilai R dan C diperoleh pada titik Dol (null

point).Dengan mengukur tahanan listriknya (R),

kemudian menggunakan persamaan (11) clan (12)dapat ditentukan harga konduktivitas listriknya.

Dalam makalah ini akan disampaikan hasil

penelitian tentang pengaruh temperatur sinteringcuplikan terhadap konduktivitas listrik ionik bahan

superionik Agl.

TEORISuperionik merupakan suatu bahan yang

mempunyai konduktivitas listrik tinggi (10-4 -10-

I) Q -lcm-l, sebanding dengan konduktivitas listrikelektrolit cairo Sedangkan konduktivitas elektronnyaumumnya rendah (bilangan transfer elektronnya, te <

10-4), karena pembawa muatan utamanya adalah ion.Bahan superionik ini mempunyai struktur clan sifatfisis diantara zat kristalin normal dengan strukturkristal teratur yang ion-ionnya tidak mobil denganelektrolit cair tanpa struktur, tetapi ion-ionnya mobil.

Konduktivitas listrik ionik sangat dekat hila_dihubungkan dengan jenis ketidaksempurnaan kisi.

Pada beberapa tahun terakhir ini,perkembangan penelitian material maju telahdemikian pesatnya, diantaranya adalah bahansuperionik. Salah satu bahan superionik dasar darikeluarga Perak yaitu AgI. Dari penelitian-penelitianyang telah dilakukan oleh peneliti terdahulu,konduktivitas AgI pada temperatur ruang berorde10-4, kemudian pada temperatur transisi rasameningkat secara spontan sebanyak :t 4 orde (dari10-4ke 10°)1)

Pengukuran konduktivitas listrik bahansuperionik tersebut sangat bergantung pada keadaankontak dari bahan tersebut. Oleh karena itu bahansuperionik yang akan diukur konduktivitasnya,sebaiknya dibentuk relet yang homogen sehinggatransfer panas yang terjadi akibat pengukurankonduktivitas fungsi temperatur dilakukan dapatmerata. Untuk itu dilakukan proses sintering terlebihdahulu mengingat kondisi saat pembentukan relettidak dilakukan dalam kondisi vakum.

Temperatur sintering haruslah terletak diatas temperatur transisi rasa namun dibawahtemperatur leleh bahan. Hal ini dilakukan karenapada temperatur di atas temperatur transisi rasa AgItelah berfasa a dan berstruktur BCC. Di samping itukonduktivitas listrik ionik bahan superionik padatemperatur transisi rasa naik secara tiba-tibasebanyak :t 3 orde dan meningkat terns seiring

dengan naiknya temperatur sampai pada temperaturlelehnya. Untuk itu dipilih temperatur sintering yanglebih rendah dari temperatur transisi rasa dantemperatur ~~~~g ~ang lebih tinggi dari; Dipres*ikan pada Pertemua.:;-:ilmiahSainsMateri 19972 Pusat Penelitian Sains Materi -BAT AN

275

Prosidin Pertemuan llmiah Sains Materi 1997 ISSN 1410 -2897

~k =ZeD

dan persamaan (1), maka diperoleh :2 ( )n Ze -Ea = -~a d2 v exp -!!.kT 0 kT

Untuk bahan ionik, jumlah pembawa muatan (cacatFrenkel atau Schottky) hanya ditentukan olehtemperatur bahan tersebut :

n=noexp (~)

no dan Ef masing-masing jumlah ion dan energi

pembentukan cacat.Maka konduktivitas untuk bahan ionik normal:

0" = a no (Ze)2 Vo d2 (kT)-1 exp

(':~ki-~ £1)dimana Em + E = Ef .Untuk bahan superionik, karena struktur kristalnyamempunyai banyak kekosongan (vacancy), makajumlah pembawa muatan, n = Bno sehingga :

0" = a 13 flu (Ze)2 Vo d2 (ff)-1 expI'

-E--!!L

kT,

Hal ini pertama kali diungkapkan oleh Frenkel clantelah dilanjutkan oleh Schottky clan Wagner. Secaraurn urn ada dua cara ion-ion bergerak di dalarn kristalyaitu (I) Ion-ion tersebut dapat bergerak pada posisiaurora (interstisi) yang tidak terisi di dalarn snafukristal sernpuma (disebut cacatFrenkel) clan (2) lon-ion tersebut bergerak dengan rnelornpat ke dalarnposisi yang kosong (vacancy) atau dapat dikatakanbahwa kekosongan (vacancy) bergerak rnelalui kisiclan rnernbawa arus (cacat Schootky). Pergerakanion-ion kisi tersebut rnenyebabkan terjadinyakonduksi listrik.

Menurut cara konduksinya bahansuperionik terdiri dari dua kelornpok yaitu (1) bahanjenis cacat titik (point defect type) clan (2) bahanjenis subkisi lebur (molten sub lattice). Padajenis (I),konduksi ion dilakukan rnelalui cacat Frenkel atau

Schottky sehingga dengan rneningkatnya ternperaturrnaka sernakinn banyak cacat yang terjadi. Pada jenis(2), teori rnenggunakan cacat Frenkel, tetapi jurnlahternpat yang rnungkin ditempati dalarn sub kisinyajauh lebih besar daripada jurnlah ionnya, sehinggasernua ion dapat loncat (hopping) atau bergerakseperti ion bebas. Kondtiktivitas listrik pada bahanberfasa tunggal dapat dituliskan sebagai :

cr = L n. z. II.I "'"dimana ni adalah konsentrasi pernbawa rnuatan (ion

clan elektron) dengan rnuatan Z clan rnobilitas It-Pada bahan superionik kontribusi elektron terhadapcr dapat diabaikan karena t. « 10-4. PersamaanArrhenius untuk konduktor superionik adalah :

(9)

dimana Em = E.Konduktivitas listrik bahan merupakan

perbandingan antara kerapatan arus listrik dengankuat medan listrik atau dinyatakan sebagai:

cr = liE (2)

(10)dengan : 0' = konduktivitas listrik

J = kerapatan arus listrikE = kuat medan listrik

Bila pada suatu kawat yang panjangnya L clan luaspenampangnya A dialiri arus listrik, maka

J = If A clan E = V/L

E adalah energi aktivasi untuk konduksi clan 0".0

adalah konstanta preeksponensial. Difusi ion terjadi

apabila energinya dapat mengatasi energi ambang(barrier) untuk migrasi, Em. Apabila V adalah

0

frekuensi vibrasi atomik, maka kebolehjadianterjadinya loncatan per detik adalah :

(II)-E '--!!!-

kT"

dimana

~

= v 0 expI = arus listrikV = beda potensia'i~strik

sehinggaR=p

(12)Vo dinamakan attemptfrequency.

Konstanta difusi D tergantung pada jarak d clanfaktor geometrik a melalui persamaan : dimana (J = lip

(~J TATA KERJA0 = a d2v = a d2 Vo exp (4), kT"

Dengan menggunakan persamaan Nemst-Einstein,

276

ProsidinJ! Pertemuan I/miah Sains Mater; J 997 ISSN J 4 J 0 -2897

6. Hasil endapan B-AgI ini yang digunakan padapengukuran kondQktivitas listrik ionik.

Pengukuran Konduktivitas ListrikPengukuran konduktivitas listrik AgI,

menggunakan metoda AC-Bridge. Cuplikan berupapelet silindris berukuran panjang :I: 5,5 mm dandiameter :I: 10 mm.. Cuplikan tersebut kemudian

dibagi menjadi tiga macam, masing-masing cuplikanyang pada temperatur ruang (T=25°C), cuplikanyang disinter pada temperatur 144°C (T=144°C) dancuplikan yang disinter pada temperatur 300°C

(T=300°C).Kemudian pengukuran konduktivitas listrik

fungsi temperatur (konduktivitas listrik diukur untuktiap-tiap temperatur dari temperatur ruang (T=25°C)hingga 300°C. Pemanasan cuplikan dilakukandengan menggunakan tungku LINN High Thermmodel VMK 10, dan untuk pengukurantemperatumya digunakan alat ukur temperaturDigital Thermometer model2168A FLUKE 4357004dengan tennokopel tipe K model SK3002-1S-03000.Sedangkan pengukuran konduktivitas listrikdilakukan dengan menggunakan alat ukur tahananlistrik High Precision LCR Meter DELICA Mini

Penyiapan CuplikanBahan AgI yang digunakan pada penelitian

ini adalah bahan AgI yang diperoleh dari AgI dariMERCK, namun dari hasil pengukuran dengandifraksi sinar-x terlihat bahwa pada temperatur ruangAgI memiliki rasa campuran, yaitu rasa B yangberstruktur heksagonal clan rasa y yang berstrukturkubik FCC!) Untuk mendapatkan rasa B-AgI perludilakukan proses pemumian 3), sebagai berikut :

1. AgI dilarutkan ke dalam larutan KI pekatdengan kepekatan minimum 70% (=0,75 gKI/ml air) sampai terlarut sempuma yangditandai dengan beningnya larutan tersebut.

2. Kemudian ditambahkan air yang telahdidemineralisasi. Untuk setiap 25 gram AgIdibutuhkan air :J: 1 000 ml untuk proses

pengendapan.3. Endapan tersebut disaring dengan kertas saring.

4. Setelah itu dilakukan proses dekantasi endapanAgI hingga endapan terbebas dari ekses KI.Unt\lk 25 gram AgI dibutuhkan :1:4000 ml airuntuk dekantasi.

5. Kemudian dilakukan pemeriksaan endapan AgItersebut1elah terbebas dari ekses KI yaitu dengan

Grafik Log Konduktivitas Listrik Ionik AgI vs Invers Temperatur pacta Berbagai

Temperatur Pemanasan Cuplikan.Garnbar

cara meneteskan larutan AgNO pada air3

buangan dekantasi yang terakhir. Jika tidakterjadi kekeruhan atau air terse but tetap beningberarti endapan B-AgI yang kita peroleh terse buttelah terbebas dari ekses KI.

Bridge model DIS.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari basil pengukuran konduktivitas listriksepcrti disebutkan di alas diperoleh grafik sepertiterlihat pada gambar 1.

Prosidin Pertemuan IlmiahSains Materi /997 ISSN /4/0 -2897

Dari gambar tersebut dapat ditentukanharga konduktivitas listrik ionik maksimum,minimum clan pada temperatur transisi untukcuplikan dengan temperatur sintering yang berbeda-hecla seperti terlihat pada tabel 1.

KESIMPULAN

Dari penelitian seperti yang telah diuraikan dlatas, 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 bahandisinter terlebih dahulu, karena dengandemikian maka kondisi cuplikan yang sudahdalam bentuk pelet menjadi lebih homogen.Konduktivitas listrik ionik suatu bahansuperionik dipengaruhi oleh temperatur

Keseluruhan keadaan yang telah diuraikan diatas menunjukkan bahwa bila cuplikan disinterhingga temperatur di bawah temperatur transisi rasa(= I 47°C), sifat superionik yang ditunjukkan kurangoptimal. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh

2.

Gambar 2a. Difraktogram AgI pada Temperatur Ruang

keadaan struktur kristal AgI yang di bawahtemperatur transisinya masih berstruktur heksagonalseperti yang terlihat pada difraktogram (gambar 2a).Sedangkan bila cuplikan disinter hingga suhu di alastemperatur transisi fasanya, struktur AgI tersebutsudah berubah menjadi bentuk kubik (sepertidifraktogram pada gambar 2b) yang lebih stabil,sehingga pergerakan ion menjadi lebih mudah. Oisamping itu makin besar temperatur sintering, makacuplikan tersebut menjadi semakin homogensehingga pergerakan ion dalam mengisj kekosongan(vacancy) mejadi lebih Ian car.

sinteringnya. Dan temperatur sinter yang baikadalah temperatur yang ~erletak antaratemperatur transisi (TIT) dengan temperaturlelehnya (TJ, dalam hal ini 300°C.

278

/SSN /4/0 -2897

Gambar 2b. Difraktogram AgI pada Temperatur di atas Temperatur Transisi Fasa

2,UCAP AN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih kami sampaikankepada semua pihak yang telah membantu dalampelaksanaan penelitian ini antara lain kepada KepalaBalai Teknokimia clan Kepala Bidang Fisika ZatMampat, Pusat Penelitian gains Materi BA TAN atas

ijin penggunaan peralatan.

3

4.

DAFTARPUSTAKA

5

WIDOW A TI, A, Anomali Beberapa Sifat FisisKonduktor Superionik AgI, Tesis S2, ITB,Bandung, (1995).Handbook of Preparation Inorganic Chemistry,Vol. 2, 2nd ed., edited by George Brauer,Academic Press, NY.Instruction Manual DEL/CA Mini Bridge modelDIS, Final Document Part-2, BAT AN MPR-SL,Phase 3, Laddemet Project, SumitomoCorporation, Tokyo, Japan, (1991).BLATT, FRANK J., Solid State Physics SourceBook, edited by Sybil P. Parker, Mc Graw HillBook Co., New York, (1988).

CHANDRA, S., Superionic Solid, Principplesand Application, North Holland Publishing

Co., Netherlands, (1961).

279