SENYAWA INFINITE LAYER SR1-XCA1+XCU2O4 SEBAGAI MOTT INSULATOR

1.      PENDAHULUAN

Pada zaman  yang serba canggih dengan teknologi, kita dituntut harus kreatif dan inovatif dalam melakukan penelitian ataupun ekperimen. Telah diketahui bahwa bahan bahwa material alam banyak jenisnya, mulai dari konduktor, superkonduktor, semikonduktor, dan juga insulator. Tetapi untuk pembuatan bahan yang mott insulator belum pernah dilakukan. Maka dari itu,pada ekperimen ini mencoba untuk membuat bahan berbasis mott insulator. Bahan mott insulator ini tidak tidak peka terhadap listrik, tetapi peka terhadap medan magnet. Mott insulator ini diharapkan bisa memberikan sumbangsih kepada masyarakan banyak kususnya dibidang material baru.

2.      LATAR BELAKANG

Dalam perkembangan era globalisasi dan perkembangan teknologidan ilmu pengetahuan yang sangat pesat banyak penelitian yang telah meneliti senyawa infinite layer  Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ karena dianggap bahwa senyawa ini sangat menarik untuk diteliti. Salah satunya adalah pembuatan film tipis ( Nagata, 2008). Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ merupakan bahan superkonduktor, tetapi ketika bahan ini diteliti pada temperatur  tertentu akan berubah fase dari senyawa infinite layer menjadi CDW (charge density wave) dan dapat berubah fase ke bahan mott insulator ketika pada temperatur diatas 100 (nagata, 2008).

Mott insulator merupakan suatu logam yang tidak bisa menghatarkan listrik sebagaimana mestinya, meskipun dialiri tegangan listrik tinggi tidak akan mengalirkan arus listrik, bahan ini hanya bisa mengalirkan listrik pada temperatur rendah, yaitu 67⁰C. Untuk senyawa infinite layer Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ bisa berubah menjadi bahan mott insulator bila temperaturnya diturunkan dan dengan penambahan konsentrasi molar (x) Ca ke dalam Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ dengan menggunakan temperatur ruang. Pada saat level ca tinggi, akan menyebabkan susunan CDW menghilang yang dikarenakan peningkatan dua dimensi dan ketidakteraturan (motoyama,2002).

Pada penelitian sebelumnya telah dijelaskan bahwa untuk senyawa infinite layer  Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄  merupakan bahan oxide, bila bahan ini menggunakan suhu sintering antara 860⁰-950⁰ dengan lama pemanasan sekitar 6- 100 jam. Bila sintering dikerjakan kurang dari 6 jam akan mengakibatkan bahan yang sudah tercampur tidak tersintering secara menyeluruh, ketika sintering lebih dari 100 jam akan mengakibatkan struktur yang diinginkan kan rusak atau tidak terbntuk (Y.torii,2006).

 Sejauh ini senyawa infinite layer Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ yang didoping dengan Ca dapat digunakan untuk mengetahui pengaruh terhadap konstanta dielektrik dan mengetahui kemampuan suatu bahan dielektrik dalam menyimpan muatan listrik, dengan menggunakan variasi konsentrasi molar (x) yang dimulai dari x=0, x=0,02,  dan x=0,04.

3.      MASALAH ATAU TOPIK BAHASAN

Dari latar belakang di atas, dapat dirumuskan beberapa rumusan masalah sebagai berikut:

·          Bagaimana cara dan proses mott insulator Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ dengan metode solid state?

·         Bagaimana karakterisasi Mott-Insulator Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ berdasarkan uji dielektrisitas dan uji XRD?

·         Bagaimana pengaruh pendopingan Ca²⁺ terhadap senyawa infinite layer Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄

4.      TUJUAN PENULISAN MAKALAH

Tujuan yang ingin dicapai dalam eksperimen ini adalah sebagai berikut:

·         Mengetahui cara dan proses sintesis Mott-Insulator Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ dengan metode solid state.

·         Mengetahui hasil uji dielektrisitas pada senyawa infinite layer Sr_1-xCa_1+xCu₂O_4.

·         Mengetahui pengaruh pendopingan  senyawa Ca²⁺ terhadap SR_1-xCa_1+xCu₂O₄

5.      TEKS UTAMA

5.1  Mott Insulator

Teori band telah berhasil memecahkan perbedaan antara bahan insolator dan logam. Insolator dapat didefinisikan ketika konduktivitas (σ) listrik statisnya mendekati nol  pada temperatur rendah limT→0σ (T)=0 (Judy Cherian, 2010). Jika konduktivitas listrik pada suatu bahan terbatas maka bahan tersebut adalah logam. Suatu bahan bisa dikatakan insolator atau logam ditunjukkan dengan kerapatan pada tingkat fermi. Pada material logam alam kerapatannya pada tingkat fermi tidak nol, tetapi ketika kerapatannya hilang pada tingkat fermi material itu berubah menjadi insolator. 

Insulator secara umum dapat diklasifikasikan dalam 2 tipe yaitu insolator itu sendiri dan mott-insulator. Insulator merupakan konduktor listrik dan panas yang buruk dikarenakan interaksi dari elektron tunggal dan medan elektrostatik dari ion pada kristal, yang menyebabkan elektron mudah bergerak dan meninggalkan tempatnya.

Mott insulator diambil dari nama penemunya yaitu Sir Nevil Mott yang telah memperoleh penghargaan nobel fisika 1977. Mott Insulator merupakan suatu bahan yang memiliki sifat kelistrikan, tetapi dalam kenyataanya tidak menghantarkan listrik, walaupun dialiri tegangan tinggi tidak akan mengalirkan arus listrik, bahan ini hanya bisa mengalirkan listrik pada temperatur rendah, yaitu 67⁰C.

Pendopingan pada bahan superkonduktor dengan senyawa tertentu bisa merubah sifar dasar dari senyawa supernya menjadi bahan mott insulator. Pada senyawa infinite layer Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ dengan pendopingan Ca²⁺ untuk menggantikan Sr²⁺ diharapkan bisa merubah siaft dari senyawa super untuk bersifat mott insulator.

5.2  Infinite Layer

Struktur kristal dikenal selam ini hanyalah struktur kubik, tetragonal, ortorombik, heksagonal, triklinik, dan trigonal. Sedangkan infinite layer adalah struktur yang unik, seperti yang dimiliki senyawa Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ berstruktur infinite layer yang sangat menarik untuk diteliti. Senyawa infinite layer merupakan suatu wujud kuasi satu dimensi yang menunjukkan kompleksitas karena terdiri dari lapisan rantai (chain) CuO₂, lapisan tingkatan (ladder) Cu₂O₃ dan lapisan (Sr,Ca) yang ditempatkan pada dalam permukaan kristal a-c dan bertumpuk sepanjang b (nagata,2008).

Pada senyawa infinite layer Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ merupakan infnite layer dengan Sr₂Cu₂O₃ dengan CuO_2.

Tabel 5.1 data  Sr₂Cu₂O₃ dengan space grup Fmmm no.69

A	B	C	∝	β	γ
11, 4696	13, 3527	3, 9235	90	90	90

Name	z	Ion	wycoff	X	Y	Z
Cu1	29		16I	0,33390	0,25000	0,25000
O1	8		16I	0,16910	0,25000	0,25000
O2	8		8C	0,0060	0,25000	0,25000
Sr	38		16M	0,0000	0,12220	0,75000
Cu3	29		16N	0,75000	0,00000	0,62290
O3	8		16N	0,63930	0,00000	0,12100

Tabel 5.2  struktur CuO₂ dengan space group Amma no. 63

A	B	C	∝	β	γ
11, 4698	13, 3527	3, 9235	90	90	90

Name	z	Ion	wycoff	x	Y	Z
Cu1	29		8Q	0,66100	0,25000	0,25000
O1	8		8Q	0,83090	0,25000	0,25000
O2	8		4C	0,00000	0,25000	0,25000
Sr	38		4C	0,00000	0,62220	0,25000
Cu3	29		16H	0,25000	0,00000	0,87710
O3	8		16H	0,13930	0,00000	0,37860

Pada senyawa infinite layer Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄  strukturnya berlapis dan pembawa muatannya insulator, dengan konfigurasi atom Cu di 3d⁹ dengan spin S = ½ sama seperti HTSC. Spin chains memiliki urutan jarak yang tidak terlalu panjang katrena memiliki spin S  = ½ dan struktur 1 dimensi. Dalam hal ini spin ditunjukkan dengan adanya interaksi antara subsistem di dalam susunan kristal, dengan adanya hal ini tidak menghasilkan hubungan urutan pengisian yang tepat di dalam senyawa Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ (fukuda, 2009).

            Salah satu manfaat dari senyawa infinite layer  Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ dapat dikembangkan menjadi film tipis (thin film) magnetik heterostruktur (markert, 2009).

5.3  Dielektrisitas

Konstanta dielektrik adalah bahan yang tidak memiliki muatan bebas atau isolator. Isolator tidak bisa mengalirkan muatan listrik, tetapi peka terhadap medan listrik. Jika bahan isolator diletakkkan dalam medan listrik, maka dalam bahan tersebut terbentuk dipol listrik, sehingga permukaan bahan akan terinduksidan terpolarisasi. Dipol adalah muatan yang sama besar namun berlawanan tanda yang terpisahkan oleh suatu jarak, sedagkan  momen dipol merupakan hasil kali antara muatan Q dan jarak d (isaac,1990).

Pada konstanta dielektrik ini menggunakan kapasitior plat sejajar yang terpisaahkan ruang hampa dan diberi beda potensial sebesar V. Nilai bearnya muatan yang tersimpan dalam rangkaian ini disebut kapasitas kapasitor (C), dan besarnya kapasitas kapasitor dengan beda potensial dinyatakana dalam persamaan Q= CV. Jadi kapasitansi kapasitor adalah kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan pada plat sejajarnya. Nilai dari kapasitansi kapasitor tergantung pada;

1.      Bahan dielektrik yang digunakan;

2.      Luas dari plat sejajar;

3.      Jarak antar plat.

Ketika suatu bahan dielektrik disisipkan menggantikan ruang hampa diantara dua plat mengakibatkan dua mekanisme polarisasi dan bidang dielektrik yang berdampak bertambah besarnya muatan listrikyang terdimpan dalam kapasitor. Setalah bahan dielektrik disisipkan dalam dua plat kapasitor, kapasitansi dielektriknya dinyatakan dengan persamaan:

C=ε _rAl

K=ClAε _o

Dimana C merupakan nilai kapasitansi bahan terukur, A luas permukaan melintang bahan, l adalah tebal bahan sedangkan ε _o merupakan permitivitas pada ruang hampa yang nilainya adalah 8,85 . 10^-12 F/m.

Berdasarkan tahapan-tahapan pelaksanaan penelitian diatas, maka diperoleh beberapa data eksperimen dari uji XRD dan kapasitansi meter.

2.3.1 Pengaruh pendopingan Ca  terhadap dielektrisitas senyawa infinite layer Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄

                        Doping merupakan substitusi atau penggantian kation Sr²⁺ dengan Ca²⁺. Pada senyawa infinite layer Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ ini jari- jari Sr²⁺ = 1,73 angstrom,sedangkan Ca²⁺ memiliki jari-jari 0,99 angstrom. Karena kedudukan ionik Sr²⁺ lebih bear dibanding dengan Ca²⁺ maka Ca²⁺ bisa masuk dan dapat menggantikan posisi Sr²⁺ yang elektron terluarnya mudah terlepas, jarak antar atom semakin kecil sehingga kisi atau volumenya kisi lebih kecil, yang menyebabkan ikatannya semakin kuat dan elektronnya semakin tidak mudah lepas dari inti, dan dielektrisitasnya semakin tinggi (naik).

Pendopingan Ca berpengaruh pada perubahan fase. Ketika tekanan dibawah P = 3-5Gpa pada temperatur diatas 100 menjadi metal (J. Akimitsu,2008).

6.      PENUTUP

6.1  Simpulan

-          Penambahan konsentrasi molar Ca berpengaruh pada nilai konstanta dielektrik bahan. Pada temperatur ruang, nilai konstanta dielektrik meningkat seiring dengan bertambahnya  konsentrasi molar (x). Peningkatan konstanta dielektrik mengikuti mekanisme polarisasi elektroionik, yaitu semakin banyak doping Ca²⁺ yang di dopingkan untuk mengganti Sr²⁺

-          Nilai konstanta dielektrik akan naik seiring dari bertambahnya temperatur pengukuran. Hal ini tidak mengikuti mekanisme lain yaitu adanya transisi fase dari LDW ke mott insulator.

6.2  Saran

·         Membuat senyawa infinite layer Sr_1-xCa_1+xCu₂O₄ dengan doping senyawa lain, misalnya La (lathanum), Bi (Bismuth) dsb.

·         Mengulangi penelitian dengan rentang konsentrasi molar (x) yang lebih besar dengan temperatur sintering yang berbeda serta variasi temperatur pegukuran.

·         Mengulangi penelitaian dengan menggunakan temperatur nitrogen cair untuk mengetahui perubahan fase dan struktur yang terjadi pada bahan.

·         Menentukan karakterisasi yang lain misalnya dengan medan magnet, konduktivitas.

 

DAFTAR RUJUKAN

Akimitsu,J.2008.Supression of the charge-density wave state in Sr₁₄Cu₂₄O₄₁ by calcium doping.japan

Aprilia, Evi.2009. Pengaruh doping Ca Terhadap Dielektrisitas Senyawa Infinite Layer Sr_14-xCa_xCu₂₄O_41.pada Berbagai Temperatur Pengukuran. Malang: Jurusan Fisika UM

Effendy.1999.Logam, semkonduktor, isolator. Malang: Jurusan Pendidikan Kimia.FMIPA IKIP Malang

Isacc, Alan.1990. Kamus Lengkap Fisika. Jakarta: Erlangga

Maelasari, Ari. Skripsi.2009. Pengaruh Lama Sintering Terhadap Dielektrisitas Senyawa Infinite Layer Sr₁Ca₂Cu₂O_41+δ  pada berbagai temperatur pengukuran. Malang: Jurusan Fisika UM

Setyawati, Ika. 2010. Pengaruh Variasi Suhu Sintering Terhadap Konduktivitas Senyawa Termistor Zn 0,95 Mn0,05 Fe₂0₄. Malang: Universitas Negeri Malang.

Taswa,dkk. 2006. Kamus Lengkap Fisika. Jakarta: Bumi Aksara

Van Vlack, L.H. 2008. Elemen-Elemen Ilmu Dan Rekayasa Material Edisi Keenem. Jakarta: Erlangga.

Wisnu, dkk. 2004.Faktor Koreksi Dimensi Sampel Pada Sifat Listrik Superkonduktor Yba2cu3o7-X  Dengan Menggunakan Metode Four Point Probe.Bandung: BATAN.