Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

Download Resensi_Bahan Piezo Bebas Timbal

Post on 12-Feb-2015

93 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<p>Resensi: Bahan Piezoelektrik ramah lingkungan bebas timbalMardiyanto BBIN-PTBIN, BATAN Abstrak Bahan piezoelektrik berbasis Lead Zirkonat titanat (PZT) dikenal sebagai bahan piezoelektrik yang sifatnya sangat baik. Namun, mengingat sifatnya yang beracun karena terbuat dari bahan timbal dan senyawanya sebagaimana dinyatakan dalam undang-undang yang disahkan oleh Uni Eropa mengenai efek ini maka penggunaannya sedikit demi sedikit dikurangi dan dicari alternative penggantinya. Sehingga ada kesadaran umum untuk pengembangan bahan piezoelektrik ramah lingkungan bebas timbale. Beberapa jenis bahan saat ini sedang diteliti sebagai alternatif berpotensi pengganti PZT. Dalam tulisan ini, telah dilakukan upaya untuk meninjau perkembangan terakhir bahan piezo bebas timbal yang menekankan pada preparasi, hubungan struktur-karakteristiknya, dll. Dalam hal ini, sistem perovskite seperti sodium bismut titanat, alkali niobates (ANbO3), dll dan non-perovskites seperti ferroelectrics lapisan-terstruktur bismuth ditinjau secara rinci. Dari penelitian di atas, dapat disimpulkan bahwa ada beberapa komposisi bahan piezoelektrik bebas timah yang menunjukkan sifat piezoelektrik yang stabil meskipun sifatnya belum sebanding dengan bahan PZT. Hal inilah yang menjadi stimulan untuk menumbuhkan adanya penelitian mengenai bahan alternatif tersebut. Saat ini topik tersebut sangat menarik untuk para peneliti seluruh dunia sebagaimana terbukti dari besarnya jumlah publikasi penelitian. Hal ini telah memotivasi untuk mengeluarkan sebuah artikel dengan pandangan bahwa itu akan memberikan dorongan lebih lanjut untuk para peneliti yang sudah bekerja di bidang ini dan juga menarik perhatian yang lain.</p> <p>I.</p> <p>PendahuluanFenomena Piezoelektrisitas (tekanan listrik) telah ditemukan oleh Peraih</p> <p>Nobel yakni Pierre Curie dan Jacques pada tahun 1880 [1] selama mereka melakukan studi tentang pengaruh tekanan yang menghasilkan muatan listrik oleh kristal seperti kuarsa, turmalin, dan garam Rochelle. Munculnya muatan listrik akibat adanya tekanan mekanik pada suatu bahan atau fenomena sebaliknya disebut sebagai efek piezoelektrik. Rendahnya kepiezoelektrisitasan bahan</p> <p>tersebut adalah merupakan kelemahan utama dari bahan piezoelektrik alam. Sebuah terobosan besar terjadi pada saat ditemukannnya bahan piezoelektrik PZT dan BaTiO3 pada tahun 1950 [2,3] dan keluarga bahan ini memperlihatkan tingginya harga konstanta dielektrik dan sifat piezoelektriknya. Sampai saat ini, bahan-bahan tersebut adalah bahan-bahan yang paling banyak dieksploitasi dan digunakan secara intensif sebagai bahan piezoelektrik, memiliki tempat istimewa di bidang material sains dan teknik. Mereka banyak digunakan sebagai sensor dan perangkat aktuator [4-7], kapasitor multi-lapis, sebagai hydrophones, dll dengan pasar diperkirakan puluhan miliaran dolar di seluruh dunia. Namun oksida, timbal, yang adalah komponen dari PZT, yang sangat beracun dan pengaruh racunnya semakin meningkat karena sifatnya yang mudah menguap pada suhu tinggi terutama selama proses kalsinasi dan sintering sehingga menyebabkan terjadinya pencemaran lingkungan [8]. Menurut perkembangan akhir-akhir ini, Uni Eropa (EU) berencana untuk membatasi penggunaan bahan-bahan berbahaya seperti bahan timbal dan logam berat lainnya. Namun demikian untuk bahan piezoelektrik belum ada bahan yang kualitas kepiezoelektrisitasannya sebanding dengan PZT, oleh karena itu penggunaannya masih terus berlanjut. Kondisi ini tidak boleh terus berlangsung, oleh karena itu badan pembuat aturan tersebut tentu saja memberikan apresiasi yang tinggi terhadap para peneliti untuk mengembangkan bahan piezoelektrik yang bebas dari timbal sebagai alternatif terhadap bahan piezoelektrik yang berbasiskan bahan timbal. Sudah ada usaha dari para peneliti untuk mengembangkan bahan tersebut namun sifatnya masih belum mendekati kualitas dari bahan piezoelektrik berbasiskan bahan timbal. Pada dasarnya bahan piezoelektrik berbasiskan non-timbal adalah (1) bahan yang mempunyai struktur kristal perovskite seperti BNT, BaTiO3(BT) , KNbO3, NaTaO3 dan lain sebagainya (b). non-peroskite seperti bahan ferroelektrik bismuth lapisan terstruktur (BLSF), bahan ferroelektrik tungsten-bronze dan lain sebagainya. Bahan peroveskite kelihatannya sesuai untuk aktuator dan aplikasi-aplikasi daya tinggi sedangkan BLSF kelihatannya sesuai untuk filter keramik atau sebagai resonator. Selain bahan-bahan bebas timbal polikristal terdapat pula bahan bebas timbal kristal tunggal seperti langasite dan keramik ferroelektrik dengan structure tungsten-bronze. Bahan ferroelektrik perovskite merupakan bahan kandidat yang menjanjikan sebagai bahan piezoelektrik bebas timbal karena bahan ini memiliki</p> <p>sifat piezoelektrik yang anisotropic dibandingkan dengan bahan ferroelektrik yang lain. Daftar bahan piezoelektrik bebas timbal beserta karakteristiknya dapat dilihat pada tabel 1. Ada dua faktor yang membuat bahan pizoelektrik berbasiskan timbal memiliki sifat piezoelektrik yang besar. Pertama, adanya aktivitas stereo-kimia dari 6s2 dari pasangan elektron bebas pada ion timbal menyebabkan adanya distorsi struktur yang besar dari struktur perovskite kubik yang menghasilkan coupling kuat antara elektronik dan derajat kebebasan struktural. Bahan senyawa berbasis bismuth memiliki level ion off centering yang sama atau lebih lebih besar dibandingkan dengan senyawa yang berbasis timbal, yang disebabkan oleh pasangan mandiri 6s2 aktif stereo kimia pada ion Bi3+. Hal ini menyebabkan polarisasi feroelektrik yang besar. Pada kebanyakan bahan ferroelektrik, ion off centering merupakan kontribusi utama keferroelektrisitasan dari kation di posisi atom B yang meningkatkan ikatan kimia antara electron valensi pada lintasan orbital d dan electron orbital 2p dari atom oksigen di sekelilingnya (efek second-order Jahn Teller (SOJT)) [14]. Bismuth bukan unsur yang beracun pada saat berada dalam bentuk senyawa oksidanya. Antacid yang merupakan campuran aktif adalah bismuth salisilate. Beberapa sifat beracun dari unsur timbal akan dibicarakan pada sub-bab berikut.</p> <p>Efek racun dari bahan timbalGejala-gejala utama dari keracunan timbal adalah kelelahan, sakit pada otot dan sendi, ketidaknyamanan perut, dll. Beberapa gejala dan tanda-tanda keracunan timbal ditunjukkan pada Tabel 2. Pasien dengan kesehatan gigi yang buruk mungkin memperlihatkan garis biru di margin gigi pada gusi karena pengendapan sulfida timbal. Keracunan timbal telah lama dianggap sebagai bahaya kesehatan lingkungan, yang menimbulkan efek samping pada pengembangan intelektual dan saraf [15-17]. Rute utama penyerapan pada orang dewasa adalah saluran pernapasan dimana 3070% dari timbal dihirup (kebanyakan bentuk anorganik seperti oksida dan garam) masuk ke dalam peredaran darah sistem. Untuk paparan daerah kerja yang terkendali dengan cukup baik, nilai timbal darah berkisar antara 1,45 dan 2.4 mol L-1 (30-50 lg 100 ml-1) dengan ketentuan bahwa harus ada pemantauan enam kali per bulan [18, 19].</p> <p>Timah memiliki tiga sifat biokimia penting yang berkontribusi terhadap efek racun pada manusia. Pertama, timah adalah logam elektropositif memiliki afinitas tinggi terhadap enzim, yang penting untuk sintesis hemoglobin. Kedua, timah divalen mirip dengan kalsium yang menghambat fosforilasi oksidatif mitokondria sehingga mengurangi tingkat intelligence quotient. Timbal juga dapat mempengaruhi transkripsi genetik DNA oleh interaksi dengan nukleat mengikat asam protein [20]. Tindakan awal yang paling penting untuk penanganan keracunan timah adalah memindahkan rauang kerja pasien dari sumber paparan [21] dan kedua dengan menggunakan agen chelating (EDTA) yang membentuk senyawa kompleks dengan timah dan sehingga mudah diekskresikan keluar [22-25]. Dalam makalah ini, disajikan gambaran umum perkembangan saat ini dari bahan-bahan keramik piezoelektrik bebas timah dan efek berbagai dopan untuk meningkatkan sifat piezo. Struktur perovskit bahan feroelektrik bebas timah Bahan feroelektrik berstruktur perovskit (ABO3) seperti BaTiO3 (BT), (Bi0.5Na0.5) TiO3 (BNT), KNbO3, NaTaO3, dll dikenal sebagai bahan piezoelektrik bebas timah. Keramik ini menunjukkan adanya konstanta piezoelektrik yang relatif besar. Namun umumnya, bahan ini memiliki kelemahan utama yakni rendahnya suhu Curie (Tc) yang dimilkinya, kesulitan dalam poling dan / atau densitasnya yang relatif rendah [10] Sistem BaTiO3 Barium titanat, BaTiO3 (BT) merupakan salah satu perovskites yang ditemukan pada awal perkembangan bahan piezoelektrik. Memiliki Faktor kopling elektromekanis (k33) relatif tinggi dan telah digunakan sebagian untuk aplikasi piezoelektrik seperti sonar walaupun penggunaan utamanya saat ini adalah masih untuk aplikasi kapasitor. Keuntungan yang diperoleh dari pemakaian bahan ini adalah mudahnya dalam proses sintesis yakni dengan menggunakan teknik sintesis yang umum digunakan pada proses sintesis bahan keramik pada umumnya. BT memiliki suhu Curie yang relatif rendah (Tc = 120 C) sehingga menyebabkan kisaran daerah suhu kerjanya menjadi sempit jika ingin diaplikasikan bahan sensor/actuator piezoelektrik. Untuk meningkatkan Tc dari keramik berbasis BaTiO3, telah diselidiki</p> <p>sistem biner BaTiO3 - (Bi0.5 K0.5) TiO3 (BKT). Tc dari BKT dilaporkan menjadi sekitar 380 C [10]. Sistem BaTiO3 - (Bi0.5 K0.5) TiO3 (BKT) BaTiO3 dan (Bi0.5K0.5) TiO3 dikenal sebagai bahan piezoelektrik bebas timbal dengan simetri tetragonal. sistem larutan dua padatan, yaitu, (1-x) (Bi0.5 Na0.5) TiO3-xBaTiO3 (BNBT-100x) dan (1-y) (Bi0.5 Na0.5) TiO3-y (Bi0.5 K0.5) TiO3 (BNKT100y) masing-masing telah dilaporkan oleh Takenaka et al. [26] dan Sasaki et al. [27]. Bahan tersebut dilaporkan memiliki komposisi MPB ada di x = 0,06-0,07 untuk BNBT-100x dan y = 0,16-0,20 untuk BNKT-100y. Sistem BNBT dianggap sebagai calon yang paling kuatsebagai bahan keramik piezoelektrik bebas timbal karena larutan padat menunjukkan sifat piezoelektrik yang baik. Dalam penelitian lebih lanjut, hasilnya telah dilaporkan bahwa telah terjadi peningkatan sifat piezoelektrik dari keramik (Bi05Na05) 094Ba006TiO3 (disingkat BNBT-6) setelah ditambahkan bahan Nb2O5 dan CeO2 [28]. Keramik Perovskit tipe ini tampaknya cocok untuk aktuator dan aplikasi daya tinggi karena harga Tc yang cukup tinggi. Untuk larutan padat berbasis BaTiO3, yaitu (1-x) BT-xBKT, Tc meningkat dengan meningkatnya jumlah x. Tabel 3 meringkas suhu Curie (Tc) dan sifat piezoelektrik keramik BTBK [10]. (Bi0,5 Na0,5) TiO3 sistem (Bi0,5 Na0,5) TiO3 (BNT) adalah salah satu bahan piezoelektrik bebas timbal yang penting dengan struktur perovskite yang ditemukan oleh Smolenskii kawan-kawan. [29]. Karena dan komposisi (Bi1/2Na1/2) TiO3 memperlihatkan sifat</p> <p>feroelektrik yang kuat dengan polarisasi remanen, Pr = 38 lC/cm2 dan memiliki suhu Curie, Tc = 320 C, telah dipertimbangkan sebagai alternatif untuk keramik piezoelektrik bebas timbal untuk menggantikan bahan piezoelektrik berbasiskan timbal yang masih banyak digunakan [30]. Salah satu kelemahan utama bahan ini adalah konduktivitas listriknya yang tinggi, sehingga memberikan masalah dalam proses poling. Selain itu, keramik BNT memerlukan suhu sintering tinggi ([1200 C) untuk mendapatkan kepadatan yang tinggi. Jadi BNT dianggap sebagai calon keramik piezoelektrik bebas timbal yang menjanjikan dengan sifat feroelektrik yang sebanding dengan PZT. Pengaruh dopan pada keramik BNT</p> <p>Untuk sistem BNT murni, harga d33 berada pada kisaran 57- 64 pC / N seperti yang ditemukan oleh para peneliti yang dinyatakan pada Tabel 4. Sifat piezoelektrik yang besar diharapkan pada larutan padat BNT dengan batas fase morphotropic (MPB). Telah dilaporkan bahwa komposisi berbasis BNT dimodifikasi dengan BaTiO3, BiKTiO3, NaNbO3, BiFeO3, MnO2, Sc2O3, La2O3, CeO2, dll [31-44] menunjukkan peningkatan properti dan proses poling yang lebih mudah dibandingkan dengan keramik BNT murni. Pengaruh La2O3 : Dalam rangka untuk meningkatkan sifat piezo, Herabut dan Safari [45] mempelajari pengaruh dopan La sebagai aditif dan menyimpulkan bahwa peningkatan nilai d33 dari 64 untuk 92 pC / N untuk BNT didoping dengan oksida lantanum 6 mol% (Tabel 5). Sifat piezoelektrik berkurang drastis pada tingkat doping kurang dari 2 % mol La. Hal ini dikarenakan terjadinya distorsi fase dari fase rombohedral menjadi pseudo kubik. Selain itu, konstanta dielektrik dan faktor disipasi pada suhu Curie turun ketika jumlah doping La dalam BNT meningkat. Pengaruh NaNbO3 : Li et al. mensintesa bahan keramik piezoelektrik bebas timbal bismut natrium titanat -natrium niobate (BNT-NN), [Na0.5 (1- x) Bi0.5 (1-x)] (Ti (1x)-Nbx) O3 menggunakan teknik konvensional [46]. Mereka menyimpulkan bahwa kenaikan d33 64-88 pC / N untuk 2% mol NaNbO3 dan kemudian berkurang secara bertahap. Namun, konstanta dielektrik secara bertahap meningkat dengan meningkatnya kandungan NaNbO3. Ini dihubungkan dengan efek dari aditif lunak Nb5 yang merupakan doping Ion di posisi atom B Na dan doping aditif keras ion Na di posisi atom A. Namun, dengan semakin meningkatnya kandungan doping dari NaNbO3 (x = 0,03-0,05), sifat-sifat piezoelektrik menurun, yang mungkin merupakan alasan adanya doping dominan ion Na, kondisi ini ditunjukkan pada Tabel 5 [30]. Pengaruh BaTiO3 : BNT-BaTiO3 (BNBT) menunjukkan keberadaan MPB rombohedral-tetragonal. Takenaka melaporkan bahwa larutan padat berbasis BNT dengan rombohedral- tetragonal MPB menunjukkan sifat piezoelektrik dan piroelektrik yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan keramik BNT murni [47]. Telah dilaporkan oleh Wang et al. [48] dan Li et al. [49] bahwa komposisi dekat yang MPB memiliki sifat piezoelektrik relatif besar (Tabel 6). Mereka sampai pada</p> <p>kesimpulan bahwa penambahan BaTiO3 (6 mol% atau 0,06) meningkatkan nilai d33 (d33 = 129 pC / N) dibandingkan dengan BNT murni (d33 = 64 pC / N) [50-52]. Pengaruh dielektrik Sc2O3 Bi2O3: Sifat piezoelektrik, dan feroelektrik larutan padat berbasis BNT, (1-x) (Bi0.5 Na0.5) TiO3 - x (Sc2O3 Bi2O3)0,5</p> <p>juga diselidiki dari</p> <p>sudut pandang kelompok baru keramik piezoelektrik bebas timbal (Tabel 7) [53]. Efek dari diubahnya ion Bi3 pada sifat dielektrik, piezoelektrik, dan feroelektrik untuk sistem pseudo-tiga-komponen (Bi1/2 Na1/2) TiO3 bKNbO3 c (Sc2O3 Bi2O3) 0,5 dipelajari dan mereka menyimpulkan bahwa ion Bi3 itu berpengaruh pada medan koersif, Ec [54]. Ec menjadi lebih tinggi ketika jumlah modifikasi ion Bi meningkat sehingga membuat poling sulit. Di sisi lain, medan koersif berkurang ketika jumlah modifikasi ion Bi berkurang; membuat poling lebih mudah dan harga k33 relatif lebih tinggi. Maka mereka dapat digunakan sebagai bahan piezoelektrik bebas timbal unggul atau kandungan timbal rendah karena memberikan kemungkinan proses poling yang lebih baik keberhasilannya jika dibandingkan dengan keramik BNT murni. Gambar 1 menunjukkan hubungan fase antara (Bi1/2Na1/2) TiO3, KNbO3, dan (Sc2O3 Bi2O3) 0,5 pada sistem pseudo-tiga-komponen. Pengaruh La, Nb, Co : Pengaruh doping non-stoikiometri pada sifat piezoelectric dan struktur larutan p...</p>