Vol. 4. No. 4. Juni 2019 p-ISSN: 2548-5555 e-ISSN: 2656-6745
Karakterisasi Kekristalan dan Konstanta Dielektrik Barium Stronsium Titanat (Ba x Sr 1-X TiO 3 ) dengan Variasi Komposisi Barium Dan Stronsium Yang Dibuat Menggunakan Metode Solid State Reaction
Alpi Zaidah
Program Studi Pendidikan Ilmu Pengetahuan Alam (IPA) Institut Pendidikan Nusantara Global Jalan Raya Praya Mantang Km. 07 Aik Mual, Lombok Tengah-NTB 85311
Email: alpizaidah@nusantaraglobal.ac.id
Abstrak: Pembuatan  sampel  barium  stronsium  titanat  (Ba x Sr 1-x TiO 3 )  telah  dilakukan dengan metode solid state reaction . Variasi komposisi mol Ba(x) untuk pembuatan sampel adalah x=0,4;0,3 dan 0,2. Sampel di- sintering pada suhu 1100 o C dengan holding time 2 jam. Karakterisasi sampel  dilakukan  menggunakan  peralatan X-Ray  Diffraction ( XRD )  untuk  mengetahui  tingkat kekristalan  dan  ukuran  kristal  dari  sampel.  Sedangkan  untuk  mengetahui  besarnya  konstanta dielektrik menggunakan  RLC-Meter.    Berdasarkan  analisa  dengan software GSAS,  parameter  kisi Ba x Sr 1-x TiO 3 yang sintering pada suhu 1100°C untuk x=0,4 adalah a=b=c=3,947 nm. Parameter kisi a=b=c=3,947  nm  untuk  x=0,3,  dan  parameter  kisi  a=b=c=3,939  nm  untuk  x=0,2.  Nilai  parameter kisi  a=b=c  menunjukkan  struktur  kristal  berbentuk  kubik.  Ukuran  kristal  berturut-turut  untuk x=0,4;0,3  dan  0,2  adalah  65  nm,  66  nm  dan  69  nm.  Ukuran  kristal  semakin  besar  seiring  dengan meningkatnya  penambahan  Sr.  Pengukuran  konstanta  dielektrik  (K)  dilakukan  pada  rentang frekuensi  1  kHz.  Nilai  K  sampel  dengan  x=0,4;0,3  dan  0,2  masing-masing  sebesar  265,  277  dan 307.
Kata Kunci : Bst, Solid State Reaction, XRD, Konstanta Dielektrik.

## PENDAHULUAN
Perkembangan material
feroelektrik
merupakan  material  yang  sangat  menarik untuk  dipelajari  karena  memiliki  aplikasi dalam  berbagai  bidang  diantaranya  adalah bidang  elektronika [1] .  Lapisan  tipis  barium stronsium  titanat  (BST)  telah  menjadi perhatian sejumlah peneliti sejak tahun 1990- an karena memiliki konstanta dielektrik tinggi pada  suhu  kamar  dan  kapasitas  penyimpanan muatan  yang  tinggi  ( high  charge  storage capasity )  sehingga  sangat  berpotensi  dalam aplikasi dielektrik diantaranya sebagai dielektrik  pada Dynamic  Random  Access Memory ( DRAM ) dan Ferroelectric  Random Acces Memory ( FRAM ) [2] . BST dengan rumus Ba x Sr 1-x TiO 3 merupakan  hasil  pencampuran  dari  barium titanat  (BaTiO 3 )  dan  stronsium  titanat (SrTiO 3 ) [3] .  Material  ini  memiliki  sifat-sifat yang  sangat  menarik  diantaranya  yaitu memiliki  konstanta  dielektrik  yang  tinggi, memiliki  kemampuan tunabillity medan listrik  yang  tinggi,  memiliki loss dielektrik yang  rendah,  memiliki  densitas  kebocoran
arus  yang  rendah  dan  stabilitas  termal  yang baik [4] . Sifat  BST diketahui  bergantung  terhadap konsentrasi x .  BST  dengan  nilai x  ≤ 0,75 memiliki  sifat  paraelektrik  dengan  struktur kristal  kubik.  Sedangkan  jika  nilai x  ≥ 0,75, BST  akan  memiliki  sifat  feroelektrik  dengan struktur kristal tetragonal. Penambahan Stronsium  ke  dalam  barium    titanat  dapat menyebabkan  penurunan  suhu  curie  dan perubahan  struktur [5] .  Penurunan  suhu  curie terhadap  suhu  ruang  akan  menyebabkan semakin  besar  nilai  konstanta  dielektrik  dari Barium Stronsium Titanat [6] .
Menurut International Center for Diffraction  Data (ICDD).  Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 memiliki sistem kristal kubik dengan konstanta kisi, a = 3,947 Å. Penelitian Wee et al menunjukkan bahwa Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 memiliki  struktur  kristal  kubik  paraelektrik dengan  parameter  kisi a  =  b  =  c  = 3,958  Å dengan α =  90°.  Nilai  konstanta  dielektrik yang  dihasilkan  sebesar  15  pada  rentang frekuensi 2 hingga 3 GHz [7].
Vol. 4. No. 4. Juni 2019 p-ISSN: 2548-5555 e-ISSN: 2656-6745
Berbagai penelitian tentang sintesis (Ba x Sr 1- x TiO 3 )  telah  dilakukan  dengan  berbagai metode,  seperti  metode sol  gel ,  metode Pachini,  dan  metode  reaksi  padatan [8] . Pembuatan  sampel  Barium  Strontium  Titanat (BST) dalam bentuk bulk dapat menggunakan metode reaksi padatan [9] . Dus et  al telah  melakukan  penelitian dengan  serbuk  BaSrTiO 3 yang  diproses dengan  metode sol  gel .  Penelitian  ini menunjukkan  bahwa  suhu  mempengaruhi nilai  konstanta  dielektrik.  Metode sol  gel merupakan  metode  yang  biasa  digunakan, akan  tetapi  melibatkan  langkah-langkah  yang berulang serta memerlukan bahan organik dan organometalik yang mahal [10] .
Metode solid  state  reaction merupakan metode  yang  relatif  sederhana  yaitu  dengan mencampurkan  semua  bahan  dasar  kemudian dikompaksi dilanjutkan dengan proses sintering yaitu proses penggabungan partikel- partikel  serbuk  melalui  peristiwa  difusi  pada saat suhu meningkat. Kekurangan dari metode ini  adalah  besarnya  ukuran  partikel  yang dihasilkan.  Sehingga  perlu  dilakukan  proses penggerusan  untuk  memperoleh  ukuran partikel yang lebih homogen [11].
Pada  makalah  ini,  metode  yang  digunakan untuk pembuatan sampel Ba x Sr 1-x TiO 3 (x=0,4;0,3  dan  0,2)  adalah solid  state reaction. Sampel  BST  di- sintering pada suhu 1100 °C. Variasi komposisi mol Ba (x) dapat dianalisa  pengaruhnya  terhadap  konstanta dielektrik dan karateristik struktur kristalnya.

## METODE PENELITIAN
Ba x Sr 1-x TiO 3 dibuat  dengan  metode solid state reaction dengan  mencampurkan  bahan- bahan  serbuk  BaCO 3 ,  SrCO 3 ,  dan  TiO 2 dengan  proses  penggerusan  selama  6  jam. Penggerusan dilakukan agar terbentuk campuran  yang  homogen  dengan  ukuran partikel  yang  lebih  kecil.  Serbuk  BST kemudian  dicetak  dengan  alat  pres  hidrolik hingga  terbentuk  pelet  ( bulk )  BST.  Proses sintering  dilakukan  pada  suhu  1100  °C dengan  holding  time  selama  2  jam.  Sampel BST  dikarakterisasi  dengan  instrument x-ray diffraction (XRD)  Bruker  D8  Advance dengan λ Cu  sebesar  1,5406  Å.  Uji  ini dilakukan  untuk  mengetahui  struktur  kristal,
parameter  kisi,  serta  tingkat  kekristalan sampel. Pengolahan data dilakukan menggunakan software GSAS dengan metode Rietveld.
Besarnya  konstanta  dielektrik  diperoleh melalui  pengujian  dengan  RLC  meter  digital (LCR-800  Series  Gwinstek).  Data  yang diperoleh  berupa  nilai  kapasitansi  dan  faktor disipasi.  Nilai  konstanta  dielektrik  dapat diketahui  dengan  Persamaan  (1),  dimana K adalah  nilai  konstanta  dielektrik, C adalah kapasitansi, A merupakan  luasan  permukaan sampel, d merupakan  tebal  sampel,  dan  ε0 merupakan nilai konstanta permitivitas dielektrik (8,85x10-12 Farad.m -1 ).
(1)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik
kekristalan dilakukan
pengujian menggunakan XRD. Dari pengujian  didapat  hasil  berupa  pola  difraksi yaitu  grafik  yang  menunjukkan  hubungan antara  sudut  difraksi (2θ) dengan  intensitas ( I ).
Ba0.2Sr0.8TiO3 Ba0.3Sr0.7TiO3 Ba0.4Sr0.6TiO3 * 310 300 220 210 211 200 111 100 110 In te n sit a s 2 theta *BaCO3 Gambar 1. Pola pola difraksi Ba x Sr 1-x TiO 3 dengan variasi suhu sintering 1100 o C.
Terbentuknya bidang kristal pada karakterisasi  menggunakan  peralatan  XRD diidentifikasikan dengan munculnya  puncak– puncak  dari  pola  difraksi  yang  telah dicocokkan dengan ICCD database. Komposisi  Ba x Sr 1-x TiO 3 untuk  x=0,4;0,3  dan 0,2  telah  diidentifikasi  dengan database # 391395.  Dari  Gambar  1.  dapat  dilihat  dari pola  difraksi  yang  telah  dicocokkan  dengan database terlihat  bahwa  masih  terdapat
Vol. 4. No. 4. Juni 2019 p-ISSN: 2548-5555 e-ISSN: 2656-6745
puncak BaCO 3 , ditandai dengan tanda (*) hal ini  dikarenakan  dalam  proses  pencampuran masih  ada  bahan  yang  belum  tercampur secara  homogen  dan  memiliki  intensitas rendah  sehingga  menyebabkan  pola  difraksi untuk  BST  masih  terdapat  bahan  penyusun BaCO 3.
Pada  Gambar  1.  menunjukkan  variasi komposisi  mol  Ba  dan  Sr  menyebabkan pergeseran sudut difraksi ( 2θ ).  Semakin besar komposisi  mol  Sr  maka  sudut  difraksi  akan semakin  besar  atau  dengan  kata  lain  sudut difraksi  bergeser  ke  kanan.  Hal  ini  terkait dengan jari-jari atom Sr yang lebih kecil dari jari-jari  atom  Ba  yaitu  1,12  Ǻ  dan  1,34  Ǻ. Perbedaaan  jari-jari  atom  menyebabkan parameter  kisi  berbeda  sehingga  posisi  atom juga  akan  berbeda  sehingga  ketika  sampel dikenai  sinar-X  maka  puncak  kristanya  juga akan berbeda.
Parameter  kisi  Ba x Sr 1-X TiO 3 dengan  variasi komposisi  mol Ba dan Sr diperoleh  dari proses refinement dengan  metode  Rietveld ditunjukkan pada tabel 1.
Tabel  1.  Parameter  kisi  Ba x Sr 1-x TiO 3 dengan suhu sintering 1100°C.
Kompoisi x Parameter kisi (nm) ( a=b=c ) x=0,4 3,947 x=0,3 3,947 x=0,2 3,939
Parameter  kisi a  =  b  =  c menunjukkan sampel  BST  mempunyai  struktur  kristal kubik. Ba x Sr 1- xTiO 3 dengan x=0,4;0,3 dan 0,2 memiliki struktur kristal kubik. Nilai parameter kisi dipengaruhi banyaknya komposisi  Ba  dan  Sr.  Semakin  banyak komposisi  Ba  menyebabkan  nilai  parameter kisi a, b, dan c semakin besar pula.
(2)
Tingkat  kekristalan  suatu  material  dapat ditentukan  dengan  mengikuti  Persamaan  2. Sampel  BST  dengan  x=0,4  memiliki  tingkat kekristalan sebesar 95,93%. Sedangkan sampel  BST  dengan  x=0,3  memiliki  tingkat
kekristalan  sebesar  97,01%  dan  sampel  BST dengan  x=0,2  memliki  tingkat  kekristalan 97,32%. Meningkatnya nilai intensitas mengidentifikasikan  bahwa  nilai  kristanilitas meningkat.  Tingkat  kekeristalan  menyatakan tingkat  keteraturan  struktur  atom  pada  suatu material.
(3) (4)
Persamaan  Scherrer  pada  Persamaan  (3) menunjukkan hubungan antara full width half maximum (FWHM)  dengan  ukuran  kristal ( D ).  Nilai  FWHM  dari  sampel  Ba x Sr 1- xTiO 3 dihitung menggunakan software Origin.  Nilai FWHM (β) digunakkan  untuk  menghitung ukuran  kristal (D) dan  regangan  kisi (η) dari setiap  sampel  dengan  variasi  suhu  yang berbeda.  Nilai β merupakan  nilai  FWHM, θ merupakan  sudut  difraksi, k merupakan konstanta Scherrer, dan λ merupakan panjang gelombang sinar-X.
Sudut difraksi digunakan untuk menghitung besar  ukuran  kristal  dari  grafik  hubungan antara  sin θ dengan β cos θ sehingga  didapat grafik  linier  seperti  pada  Gambar  2. Persamaan  linier  yang  didapat  digunakan untuk  menghitung  nilai  ukuran  kristal (D) yang dinyatakan dalam nm dan regangan kisi (η) yang dinyatakan dalam (%).
Tabel  2.  Ukuran  butir  kristal (D) dan regangan  kisi (η) dari  sampel  Ba x Sr 1- xTiO 3 dengan suhu sintering 1100°C.
Kompoisi x Ukuran kristal (nm) Regangan kisi (%) x=0,4 65 2,94 % x=0,3 66 3,23 % x=0,2 69 1,25 %
Vol. 4. No. 4. Juni 2019 p-ISSN: 2548-5555 e-ISSN: 2656-6745
Gambar 2. Grafik hubungan β cos θ dengan sin θ Ba 0,2 Sr 0,8 TiO 3 pada suhu sintering 1100°C.
Grafik pada Gambar 2 menghasilkan persamaan  linier y= 0,0125x  +  0,0022.  Nilai regangan kisi berdasarkan persamaan tersebut sebesar 1,25 % dan ukuran kristalnya sebesar 69  nm.  Perbandingan  ukuran  kristal  dan regangan kisi ketiga sampel ditunjukkan pada Tabel 2.
Pengaruh  variasi  Sr  terhadap  ukuran  kristal yaitu  semakin  besar  penambahan  Sr  maka ukuran  kristal  akan  semakin  besar.  Ukuran kristal semakin besar seiring dengan bertambahnya mol Sr, secara mikroskopis hal ini  karena  jari-jari  atom  Sr  yang  lebih  kecil dibandingkan jari-jari atom Ba.  Jari-jari atom Sr  dan  Ba  masing-masing  adalah  1,12  Ǻ  dan 1,34  Ǻ . Semakin banyak Sr yang menggantikan  Ba menyebabkan  ukuran kristal akan semakin besar.
Berdasarkan  data  pengukuran  kapasitansi yang  diperoleh,  nilai  konstanta  dielektrik semakin  kecil  dengan  seiring  bertambahnya nilai  frekuensi  yang  diberikan,  pada  nilai tegangan yang tetap. Tegangan yang digunakan sebesar 1 V dengan nilai frekuensi divariasi  dari  nilai  1  kHz  hingga  100  kHz. Nilai  konstanta  dielektrik  bergantung  pada nilai  frekuensi  yang  diberikan,  seperti diperlihatkan pada Gambar 3.
Ko nst an ta D ie le ltri k Frekuensi Konstanta Dielektrik (k) BST0,4 Konstanta Dielektrik (k) BST0,3 Konstanta Dielektrik (k) BST0,2
Gambar 3. Grafik respon konstanta  dielektrik terhadap perubahan frekuensi Ba x Sr 1- xTiO 3 .
Dari  Gambar  3,  dapat  dilihat  bahwa  nilai konstanta  dielektrik  sampel  Ba x Sr 1- xTiO 3
untuk x=0,2 lebih besar dibandingkan sampel dengan  x=0,3  dan  0,4.  Penambahan  variasi mol  Sr  yang  semakin  besar  mempengaruhi besarnya  nilai  kapasitansi  sehingga  konstanta dielektrik  juga  semakin  besar  karena  struktur kristal juga semakin meningkat.
Nilai  konstanta  dielektrik  kedua  sampel memiliki  nilai  maksimal  pada  frekuensi terendah  yang  diberikan,  yaitu  1  kHz.  Besar masing-masing nilai konstanta dielektrik pada frekuensi  tersebut  adalah  265,  277  dan  307 untuk sampel dengan x=0,4;0,3 dan x=0,2.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  ini,  dapat diketahui bahwa perbedaan variasi komposisi mol  Ba  dan  Sr  berpengaruh  terhadap karakteristik  BST  yang  dihasilkan.  Besarnya nilai  ukuran  kristal  dipengaruhi  banyaknya penambahan mol Sr , semakin besar penambahan  mol  Sr  ukuran  kristal  semakin besar  dan  konstanta  dielektrik  yang  semakin tinggi.  BST  dengan  x=0,4  sebesar  65  nm dengan  nilai  konstanta  dielektrik  265  pada frekuensi  1  kHz.  Sedangkan  ukuran  kristal BST  dengan  x=0,3  sebesar  66  nm  dengan nilai  konstanta  dielektrik  277  dan  ukuran kristal  BST  dengan  x=0,2  sebesar  69  nm dengan konstanta dielektrik 307.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulisan ini banyak mendapatkan bantuan  bagi  penulis.  Oleh  sebab  itu diucapkan  terima  kasih,  terutama  kepada Bapak  Dr.  A.  Thalib,  MA  selaku  Rektor Institut Pendidikan Nusantara Global.

## DAFTAR RUJUKAN
Ioachim,  A.,  Toacsan,  M.I.,  Nedelcu,  L., Banciu,  M.G.,  Dutu,  C.A.,  Buda,  M., Popescu, M., Scarisoreanu, N., Dinescu,
M.  2007.  Dielectric  Properties  of (Ba,Sr)TiO 3 Thin Film for Applications in  Electronics. Romanian  Journal  of Information  Science  and  Technology, Vol. 10, No. 4, pp.347-354.
Seo,  Jin-Yong,  Sung-Woo  Park.,  2004.
Chemical Mechanical Planarization Characteristic  of  Ferroelectric  Film  for FRAM  Application.  Journal  of  Korean
Vol. 4. No. 4. Juni 2019 p-ISSN: 2548-5555 e-ISSN: 2656-6745
Physics Society, Vol 45, No. 3, pp.769-
772.
Sunandar,  C.  2006.  Penumbuhan  Film BaxSr1-xTiO3  dan  BaFeSrTiO3  dan Observasi Sifat
Ferroelektriknya.
Skripsi. Departemen Fisika FMIPA IPB Bogor.
Iriani  Y,  Hikam  M,  Soegijono  B,  dan Mudzakir  I.  2007.  Pengaruh  Heating
Rate  pada  Jumlah  Lapisan  terhadap Sifat  Listrik    (Kurva  Histeris)  pada Lapisan Tipis Barium Strontium Titanat.  Indonesian  Material  Journal Edisi  khusus  Desember  2008,  halaman
205 – 208.
Vijatovic,  M.  M.,  Bobic,  J.  D.,  and Stojanovic,  B.  D.  2008.  History  and Challenges  of  Barium  Titanate:  Part  II. Science  of  Sintering,  Vol.  40,  pp.  235- 244.
Dus,  B.  W.,  Czekaj,  A.  L.,  Orkisz,  T., Adamczyk,  M.,  Osinska,  K.,  Kozielski, L.,  and  Czekaj,  D.  2007.  The  Sol-Gel Synthesisof  Barium  Strontium  Titanate
Ceramics. Material Science-Poland, Vol. 25, pp.3203-3206.
Wee,  F.  H.,  Malek,  F.,  Sreekantan,  S.,  Al-
Amani,  A.  U.,  Ghani,  F.,  and  You,  K. Y. 2011. Investigation of tehe Characteristics  of  Barium  Strontim Titanate  (BST)  Dielectric  Resonator Ceramic  Loaded  on  Array  Antennas. Progress    In  Electromagnetic  Research, Vol. 121, pp.181-213. Ries, A., Simoes, A. Z., Cilense, M., Zaghete,
M.  A.,  &  Varela,  J.  A.  2003,  Materials Characterization, Vol 50, pp. 217-221.
Ramlan,  dan  Akhmad  A.B.  2011.  Pengaruh
Suhu  dan  Waktu  Sintering  terhadap sifat  Bahan  Porselen  untuk  Bahan Elektrolit Padat (Komponen Elektronik). Jurnal Penelitian Sains, Vol 14 No 3(B) 14305.
Kao,  C.  and  Yang,  W.  1999.  Preparation  of Barium  Strontium  Titanate  Powder from Citrate Precursor. Applied
Organometallic Chemistry,  Vol. 13, pp. 383-397.