Home >Documents >SIFAT DIELEKTRIK TIDAK-IDEAL Ag2S PADA · PDF fileProsiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi...

SIFAT DIELEKTRIK TIDAK-IDEAL Ag2S PADA · PDF fileProsiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi...

Date post:07-Sep-2018
Category:
View:230 times
Download:1 times
Share this document with a friend
Transcript:
  • Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

    SIFAT DIELEKTRIK TIDAK-IDEAL Ag2S PADA FREKUENSI RADIORENDAH1

    2Aziz 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 superionAg2S, untuk range frekuensi radio rendah 250 Hz-30 kHz. Anomali tanggapan dielektrik terhadap frekuensi menunjukkanbahwa proses konduksi ion Ag+ melalui mekanisme hopping berpengaruh pada karakteristik tanggapan dielektrik pada rasatemperatur rendah 13 (70 DC) dan pada rasa temperatur tinggi IX (290 DC). Model permitivitas kompleks empiris Jonschermemberikan profil least-squaresfit yang cukup baik. Telah diperoleh parameter mikroskopis waktu hopping ion Ag+Tp-lO-4s pada rasa 13 dan Tp-lO-IOS pada rasa IX Perbedaan yang cukup drastis antara haria Tp pada dua temperatur yangberbeda menunjukkan bahwa proses hopping pada konduktor ion Ag2S merupakan proses yang teraktivasi termal.

    ABSTRACT

    NON-IDEAL DIELECTRIC RESPONSE OF Ag2S AT LOW RADIO-FREQUENCY.Complex impedance and frequency dependent dielectric response measurements have bcen carried out for Ag2S superionicconductor at low radio-fr~quency range of 250 Hz -30 kHz. Frequency-dependent anomaly of the dielectric response hasbeen attributed to hopping mechanism of the conduction process of Ag+ mobile ions, at the low temperature l3-phase (70C) and the high temperature a-phase (290 C). The empirical complex permitivity model proposed by Jonscher has beensuccessful in reproducing a good least-squares fit of the complex permitivity data. From Jonscher analysis, the microscopicparameter of hopping time 'p-IO-4s (l3-phase) and 'p-IO-los (a-phase) was determined. The dramatic difference between thetwo values of 'p shows that the hopping process in Ag2S ionic conductors is thermally activated.

    PENDAHULUANKonduktor superionik (elektrolit)

    Ag2S memiliki 2 rasa kristalografik, yaknirasa monoklinik pada temperatur rendah daDrasa kubik pada temperatur tinggi. Pada rasakubik temperatur tinggi, sel satuan Ag2Smengandung 2 unit fonnula, 4 kation Ag+terdistribusi pada posisi-posisi Wyckoffl2(d). Pada temperatur ruang Ag2S memilikisistim kristal monoklinik (grup-ruang P2)/c),dengan struktur atom isostruktural denganstruktur tipe "wurtzite", yaitu setiap atomdalam sel-satuan akan dikelilingi oleh empatatom lain yang tersusun secara tetrahedral[1,2]. Pada temperatur tinggi Ag2Smengalami transisi rasa struktur, dari simetriheksagonal menjadi simetri kubik (kpr)dengan grup ruang 09h-Im3m. Kisi tegaranion I mengalami perubahan simetri daDmemiliki posisi khusus Wyckoff pada 2(b)000 dan~. Sedangkan kation-kationmobil Ag+ berada pada 'subkisi meleleh'(molten sub lattice) yang mengalami

    ketidaktertiban (disorder) berat konduktor

    superionikAgzS merupakan salah satu jenis

    konduktor ion padatan atau elektrolit padatan,daD merupakan bahan anorganik yangmenunjukkan konduktivitas ion tinggi padatemperatur di atas temperatur ruang daD jauhdi bawah titik leleh. Pada temperatur ruang,bahan konduktor AgzS memilikikonduktivitas ion sebesar 10.z 0-1 cm-l, dankonduktivitas elektronik yang sangat rendah

    (10-8 O-lcm-l) apabila dibandingkan dengankonduktivitas ion. Oleh sebab itu konduktorAgzS dianggap ideal sebagai bahankomponen baterai padatan [3]. Walaupunpenelitian sifat fisis ( bulk measurements)bahan AgzS telah banyak dilakukan,informasi mengenai perilaku tidak-ideal (non-Debye) sifat dielektrik masih langka, sehinggaperIn dilakukan pengukuran tambahan dananalisis mendalam, terutama dari perspektifteori universal yang dikemukakan olehJonscher [4,5]. Tehnik tanggapan frekuensi

    I Disajikan pada Pertemuan llmiah Sains Materi '96, 22&23 Oktober 1996, di Gedung DRN,

    PUSPIPTEK, Serpong Tanggerang 153142 Pusat Penelitian Sains Materi-BATAN, Kawasan PUSPIPTEK, Serpong, Tanggerang 15314

    ,ann

  • (frequency response technique) atau tehnikdomain frekuensi (frequency domaintechnique) membutuhkan infonnasi lengkapyang dapat diperoleh dengan mengukur 2jenis besaran fisis sebagai fungsi frekuensi:misalnya bagian riil dan imajiner impedansi ,atau kapasitansi suatu bahan [6]. Biasanyainfonnasi diperoleh melalui tehnik

    eksperimen penguat lock-in. jembatanimpedansi atau analisator tanggapanfrekuensi.

    Tanggapan terhadap sinyalkecil AC bergantung frekuensi untuk sebuahkonduktor biasanya akan berbentuk sebuahsemi-lingkaran. Pada konduktor ion, semi-lingkaran yang diamati umumnya berbentuktidak ideal atau tidak sempuma, misalnya

    pada plot pennitivitas listrik, plot impedansikompleks dan admitansi kompleks. Analisistanggapan dielektrik model Jonscher [7,8]menunjukkan bahwa tanggapan a.c. bahankonduktor ion disebabkan oleh dua sumber

    polarisasi, yaitu (i) lapisan ganda yangterbentuk pada antannuka elektroda logam-elektrolit dan (ii) pergeseran muatan-muatanterikat didalam bulk elektrolit.

    BAHAN DAN TAT A KERJAPengukuran data impedansi

    kompleks bahan dilakukan dengan peralatanDELICA high precision LCR meter miniWien-Bridge model DI5 berfrekuensi tetap 1kHz pada modus rangkaian jembatankomparasi serio Osilator rangkaian merupakanjembatan Wien dengan komponen AC.Sebagai sumber frekuensi luar digunakanwide band function generator tipe FG 161,dengan berbagai frekuensi AC, mulai dari0,25 -30,0 kHz. Cuplikan berbentuk serbukyang dipres menjadi pelet dengan tebal 0,31cm dan garis tengah 1,15 cm. Sebagaielektroda dioleskan pasta perak yangdikeringkan di udara. Sel cuplikan merupakanpengumpul muatan tembaga. Untukmenghindarkan oksidasi seluruh seldiletakkan di dalam tabung pyrex yangdivakumkan. Sebagai pemanas digunakanfurnace tubular Linn-Elektrotherm,temperatur diukur oleh termokopel digital tipeCr-Al. Pengamatan impedansi dilakukan padarasa di bawah temperatur transisi 13 (70 C)dan pada rasa di atas temperatur transisi a

    (290 C).Pada Gambar I. disajikan diagram kerjapengukuran tanggapan frekuensi padafrekuensi-frekuensi rendah (audio dan radio).

    Gambar 1. Prinsip pengukuran tanggapan frekuensi pada frekuensi audio daD radioV(t) sinyal kecil A.C., Z(t) impedansi bahan daD I(t) arus A.C. sebagai

    output.

    401

  • Tabell. Sampel data basilpengukuran impedansi kompleks Ag2S

    pada 70 c.

    Tanggapan frekuensi dicocokan (fitting) padamodel 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].

    HASIL DAN PEMBAHASANImpedansi riil ZR = Rs, impedansi

    imajiner Zc = (27tfC)-I. Konstanta dielektrikrelatif kompleks bahan fungsi frekuensiER * [0)] dihitung menggunakan hubungan

    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 penampangefektif cuplikan, I = panjang cuplikan, Z*[O}]= impedansi kompleks cuplikan clan Eo =

    konstanta permitivitas dielektrik ruanghampa. Data-data yang diperoleh terbagidalam dua bagian. Yaitu data-data untuktemperatur di bawah temperatur transisisuperionik clan untuk temperatur di atastemperatur transisi superionik. Pada Tabel Idisajikan contoh data impedansi bahan clanbesaran impedansi riil clan imajiner clan padaTabel 2 disajikan be saran konstantapermitivitas listrik relatif riil clan imajinerpada temperatur 70 c (fasa ("3).

    Kedua jenis data dianalisa dengancara analisis yang sarna. Model empirisJonscher mengasumsikan bahwa tanggapandielektrik cuplikan konduktor superionikdapat direpresentasikan dengan sebuahrangkaian ekuivalen yang terdiri dari suatubesaran CPE (unsur berfasa konstan) yakni

    C.." yang sebenarnya merupakan hargakapasitansi C pada sa'at frekuensi 0} ;: 00,yang paralel dengan sebuah impedansikompleks fungsi frekuensi Z*[O}]. Kurvatanggapan frekuensi untuk temperatur 70 cclan 290 c menunjukkan anomali tanggapandielektrik pada daerah frekuensi tertentu,yang secara kualitatif merupakan verifikasikonduksi ion cepat dalam bahan Ag2S [8].Anomali konstanta dielektrik narnpak jelaspada temperatur 290 c (fasa-a) , terjadi padafrekuensi sekitar 10kHz, sedangkan padatemperatur 70 c anomali yang teramati tidaksetajam anomali pada rasa-a temperaturtinggi. Tanggapan frekuensi bahan Ag2Sdisajikan pada gambar 2.

    &s -&'"

    E*R (2)[I +Orot;jt;.U]p + E..,

    402

  • Tabel 2. Contoh hasil perhitungan bagian riilclan imajiner impedansi kompleks clan

    permitivitas kompleks Ag2S pada 70 DC.

    gs = Konstanta dielektrik statis. Yaitu harga g

    pada sa'at 0) ~ O.g", = Konstanta dielektrik pada frekuensi

    tinggi ( 0) == 00)tp = Waktu hopping ion Ag+.a,1} = parameter konstan.

    Parameter-parameter gs, g"" tp' a, I} diperolehdengan metode pencocokan kurva tidak-linierMarquardt-Levenberg [9]. Pada Tabel 3.

    disajikan parameter hasilleast-squares fittingmodel tanggapan dielektrik bahanAg2S.Harga tp yaitu waktu hopping (Ioncatan) yangdibutuhkan oleh ion Ag'" dari keadaanstasioner ke modus konduksi, dapat dianalisismelalui fitting least-squares model D-C danC-C. Harga tp basil analisis fitting pada rasaB hampir sarna untuk model D-C dan C-C(pada orde besaran 10.4 s), namun pada rasaa, model D-C memberikan basil yang lebihmendekati harga tp teoritis (kurang lebihmendekati periode vibrasi fonon pada kisi ~10.12 s). Hasil ini menunjukkan bahwa efekhopping ion mobil Ag + amat dominan pada

    proses relaksasi dielektrik untuk bahankonduktor super ion Ag2S, yang memangmenjadi ciri khas suatu konduktor superion.

    I Frekuensl Zc ZR ER" ER'(kHz) (0.) (0.) (imajiner) (riil)

    90,S 18,2 1,45xI0' 1,7xI0'0,500 71,2 18,0 3,9xI0' 7,2xI0'1,000 52,5 24,7 l,3xIO' 2,5xIO'1,500 75,3 17,9 l7l2,000 82,0 22,2 b~2,500 56,3 21,8 I 73

    ! 3,000 50,5I

    3

Click here to load reader

Reader Image
Embed Size (px)
Recommended