## Sintesis Material Feroelektrik Bebas Timbal K 0,5 Na 0,4 Li 0,1 NbO 3 dengan Metode Reaksi Padat
Nur Lailiyah Isnaini, Suasmoro
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : suasm@its.ac.id
Abstrak—Material  feroelektrik  bebas  timbal  K 0,5 Na 0,4 Li 0,1 NbO 3 disingkat KNLN disintesis dengan metode reaksi padat.  Bahan  dasar  yang  digunakan  adalah  K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 ,  Li 2 CO 3 dan  Nb 2 O 5 merck  dalam  bentuk  serbuk. Karakterisasi  material  meliputi  difraksi  sinar-X  dan analisa  parameter  kisi.  Fasa  tunggal  pada  KNLN  telah terbentuk  pada  temperatur  kalsinasi  750°C  selama  2  jam serta  pada  temperatur  sintering  1100°C  selama  2  jam. Materaial  KNLN  ini  memiliki  struktur  perovskite tetragonal  dengan  grup  ruang  P4mm  dengan  parameter kisi a=b=3,943 Å dan c=4,011 Å.
Kata  Kunci—Feroelektrik,  kalsinasi,  perovskite,  reaksi padat, sintering.

## I. PENDAHULUAN
ifat  feroelektrik dan  piezoelektrik  pada  material dielektrik  banyak  diaplikasikan  dalam  kemajuan teknologi.  Meterial  yang  memiliki  sifat  feroelektrik  dan piezoelektrik  ini  juga  telah  banyak  menyita  perhatian dalam  dunia  penelitian  karena  sifat  yang  dimilikinya. Material  dielektrik  dengan  sifat  feroelektrik  dan piezoelektrik  ini  memiliki  temperatur  Curie  yang berkisar pada daerah 250-400°C dengan d 33 berkisar pada daerah 400-500 pC/N sehingga banyak digunakan dalam aplikasi  elektronik  seperti aktuator,  sensor,  transduser, serta perangkat permukaan gelombang akustik[1].
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, diketahui bahwa material piezoelektrik dengan konstanta dielektrik yang unggul adalah PbZrTiO 3 (PZT). Tetapi, material ini memiliki dampak negatif bagi lingkungan dan kesehatan karena toksisitas  dari  oksida  timbal  selama  proses preparasi . Karena sifatnya yang tidak ramah lingkungan, maka harus digantikan dengan material yang lebih ramah lingkungan .  Oleh  karena  itu,  dilakukan  penelitian  untuk menggantikan  bahan  timbal  tersebut,  namun  tetap memiliki  keunggulan  yang  baik  dan  setara  dengan PZT [2].  Diketahui  bahwa  material  berbasis  niobat  (K, Na)NbO 3 memiliki  keunggulan  dan  sifat  yang  setara dengan  PZT,  namun  lebih  ramah  lingkungan[3]. Sehingga  material  berbasis  niobat  ini  mulai  banyak dikembangkan  oleh  peneliti.  Akan  tetapi,  masih  jarang dilakukan  penelitian  mengenai  penambahan  litium  (Li) pada  material  berbasis  niobat.  Sehingga  pada  penelitian ini dilakukan sintesis material (K, Na, Li)NbO 3 disingkat KNLN.
Feroelektrik  merupakan  jenis  material  dielektrik  yang menunjukkan  polarisasi  spontan.  Polarisasi  spontan adalah polarisasi yang terjadi ketika tidak adanya medan listrik. Polarisasi spontan merupakan efek  dari penempatan  ion  Ba 2+ ,  Ti 4+ ,  dan  O 2- dalam  sel  unit. Polarisasi  spontan  material  feroelektrik  merupakan  hasil
dari interaksi antara dipol-dipol magnet yang berdekatan dengan  semua  arah  dipol  yang  sama.  Contoh  material feroelektrik  yaitu  kalium  niobat  (KNbO 3 ),  kalium dihidrogen  fosfat  (KH 2 PO 4 ),  dan  timbal  zirkonat-titanat (Pb[ZrO 3 ,  TiO 3 ]).  Feroelektrik  memiliki  konstanta dielektrik  yang  tinggi  jika  diaplikasikan  pada  frekuensi medan  yang  relatif  rendah,  contohnya  pada  temperatur ruang, ɛ r untuk barium titanat sebesar 5000. Oleh karena itu, kapasitor dibuat dari material dielektrik dengan sifat feroelektrik[4].
KNLN  merupakan  material  yang  baik  untuk  membuat bahan feroelektrik bebas timbal karena sifat feroelektriknya  yang  kuat.  KNLN  memiliki  konstanta piezoelektrik  d 33 ~215  pC/N[5].  Analisa  struktur  dari material  KNLN  dilakukan  dengan  menggunakan X-Ray Diffraction (XRD).
Material  berbasis  niobat  diketahui  memiliki  struktur perovskite.  Perovskite  merupakan  nama  dari  kristal dengan  rumus  umum  ABO 3 .  Model  struktur  perovskite standar  berbasis  kubik  dengan  atom  oksigen  berada  di setiap muka kubus, atom A berada di setiap pojok kubus dan  atom  B  berada  di  pusat  kubus.  Namun,  material berstruktur  perovskite  dapat  memiliki  basis  kisi  kubik, tetragonal, orthorombik dan sebagainya[6].
Sintering merupakan  proses  pemanasan  dengan  suhu tinggi  pada  material  keramik  yang  bertujuan  untuk menurunkan  energi  bebas,  dan  menaikkan  kohesi  antar partikel-partikel  penyusun  material  sehingga  terjadi pemadatan  melalui  eliminasi  porositas  serta  terjadi perubahan ukuran butir[7].
Gambar 1. Unit sel dari perovskite kubik ideal ABO 3 [6].
Pada dasarnya sintering merupakan peristiwa penghilangan  pori-pori  antara  partikel  bahan,  pada  saat yang  sama  terjadi  penyusutan  komponen,  dan  diikuti oleh  pertumbuhan grain serta  peningkatan  ikatan  antar partikel  yang  berdekatan,  sehingga  menghasilkan  bahan yang lebih mampat/kompak[8].
S

## II. METODE PENELITIAN
Sintesis Material K 0,5 Na 0,4 Li 0,1 NbO 3
Peralatan  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah spatula,  gelas  beaker,  timbangan  digital O’haus PA214, laboratory  planetary  ballmill “Pulverisette  5”  (Fritsch GmbH),  evaporator  rotatif  “VV  Micro”  (Heidolph), furnace “Carbolite” tipe RHF1400 (Barnstead), crucible , batu  tahan  api,  plat  alumina,  cetakan  pelet  diameter  13 mm,  dan impedance  analyzer “Solartron”.  Untuk  bahan yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  terdiri  dari  serbuk K 2 CO 3 ,  Na 2 CO 3 ,  Li 2 CO 3 ,  dan  Nb 2 O 5 ( merck ),  alkohol 96%, dan aquades.
Langkah  awal  untuk  sintesis  (K,  Na,  Li)NbO 3 yaitu masing-masing  serbuk  K 2 CO 3 ,  Na 2 CO 3 ,  Li 2 CO 3 dan Nb 2 O 5 ( merck )  ditimbang  sesuai  dengan  takaran  yang sudah  dihitung  dengan  menggunakan  perhitungan stokiometri.  Setelah  itu  dilakukan  pencampur  keempat serbuk  dengan  alkohol  (96%)  dalam planetary  ballmill yang  dilengkapi zirconia  balls selama  1  jam  dengan kecepatan putaran 150 rpm . Setelah dicampur, bahan ini kemudian  dimasukkan  ke  dalam  evaporator  rotatif  “VV Micro”  (Heidolph)  dengan  tujuan  agar  alkohol  yang terdapat  di  dalam  bahan  menguap  sehingga  didapatkan serbuk  KNLN.  Setelah  itu  dilakukan  kalsinasi.  Apabila sudah terbentuk fasa tunggal, lalu disinter.

## Karakterisasi melalui uji XRD
Karakterisasi  dengan  XRD  dilakukan  setelah  bahan dicampur  dan  dipanaskan  dalam furnace .  Uji  XRD  ini dilakukan untuk mengetahui apakah fasa yang diinginkan telah terbentuk. Pola yang dihasilkan berupa perbandingan antara intensitas dan sudut difraksi. Setelah itu  dilakukan  analisa  fasa  dan  parameter  kisi.  Dari  hasil karakterisasi  dari  uji  XRD,  data  yang  telah  didapatkan kemudian dianalisa dengan menggunakan software untuk dicocokkan  dengan database yang  telah  ada  ( Match! ). Dari data XRD juga dapat diperoleh parameter kisi bahan yang  dilakukan  melalui  penghalusan  pola  terhitung  dan terukur  menggunakan  program Rietica yang  berbasis metode Rietveld .
Gambar 2. Diagram alir sintesis K 0,5 Na 0,4 Li 0,1 NbO 3 .

## III. HASIL DAN DISKUSI
Proses sintesis KNLN (K 0,5 Na 0,4 Li 0,1 NbO 3 ) dilakukan  dengan  metode  reaksi  padat.  Awalnya  serbuk K 2 CO 3 ,  Na 2 CO 3 ,  Li 2 CO 3 dan  Nb 2 O 5 ditimbang berdasarkan  perhitungan  stokiometri.  Setelah  ke-empat serbuk  tersebut  ditimbang,  dicampurkan  di  dalam Planetary ballmill yang dilengkapi bola zirkonia dengan medium  alkohol  96%  selama  1  jam  dengan  kecepatan 150  rpm.  Hasil  dari  pencampuran  ke-empat  serbuk tersebut masih mengandung alkohol. Untuk menghilangkan  alkohol,  maka  hasil  penacampuran  dari ke-empat serbuk tersebut dikeringkan dengan menggunakan  evaporator  rotatif.  Tujuannya  yaitu  untuk menghilangkan  alkohol dan mendapatkan  serbuk  KNLN dengan  ukuran  butir  yang  sama.  Untuk  mengetahui temperatur  kalsinasi  dari  suatu  material,  dilakukan  uji TGA-DTA  terlebih  dahulu.  Pada  penelitian  ini,  awalnya dilakukan  kajian  literatur  untuk  mengetahui  temperatur kalsinasi.  Dari  kajian  literatur,  diketahui  serbuk  KNLN akan terbentuk pada temperatur kalsinasi 750°C selama 2 jam[9].
Kemudian  serbuk  KNLN  dikalsinasi  pada  temperatur 750°C  selama  2  jam.  Pada  temperatur  tersebut diindikasikan  terjadi  reaksi  KNLN  sehingga  dapat terbentuk  fasa  dari  KNLN.  Serbuk  KNLN  yang  telah dikalsinasi,  selanjutnya  dilakukan  pengujian  XRD dengan sudut pendek 20-70°. Data yang telah didapatkan dari  uji  XRD  KNLN  yang  telah  dikalsinasi  kemudian dianalisa  dengan  menggunakan software  Match! . Gambar  3.  merupakan  hasil Match! dari  serbuk  KNLN yang  telah  dikalsinasi  pada  temperatur  750°C  selama  2 jam.
Gambar 3. Hasil Match! dari keramik KNLN kalsinasi 700°C selama 2 jam.
Berdasarkan  pola hasil XRD dari Gambar 3. diketahui bahwa telah terbentuk fasa kristal dari KNLN dan masih terdapat  sejumlah  kecil  fasa  K 3 Li 2 Nb 5 O 15 .  Berdasarkan analisa  secara  kualitatif  dengan  menggunakan software Match! diketahui  bahwa  telah  terbentuk  kristal  KNLN dengan  nomor  PDF  96-210-4389.  Sebelum  dibuat  pelet, serbuk  KNLN  yang  telah  dikalsinasi  masing-masing ditimbang  dengan  massa  0,8  gram.  Setelah  itu,  serbuk KNLN yang telah ditimbang dikompaksi dengan tekanan sebesar  75  MPa  sehingga  terbentuk  sebuah  pelet.  Pelet ini  nantinya  akan  disintering  kemudian  diuji  XRD. Berdasarkan  kajian  literatur  diketahui  bahwa  temperatur sintering  dari  KNLN  yaitu  1100°C  selama  2  jam[10]. Pelet  yang  telah  disinter  tersebut  kemudian  diuji  XRD dengan sudut pendek 20-70°.
Gambar 4. Hasil Match! dari keramik KNLN sintering 1100°C selama 2 jam.
Berdasarkan  hasil  analisa  secara  kualitatif  diketahui bahwa  telah  terbentuk  fasa  tunggal  KNLN.  Oleh  karena itu,  untuk  mengetahui  benar  atau  tidaknya  data  XRD yang telah diperoleh maka dilakukan analisis lebih lanjut dengan  teknik  penghalusan  ( refinement ).  Analisis Rietvield  adalah  metode  pencocokan  pola  difraksi terukur  dari  eksperimen  dan  yang  diperoleh  dari  model. Metode  ini  digunakan  untuk  menghaluskan  parameter kisi dari struktur kristal material. Berdasarkan analisa ini, diketahui  KNLN  memiliki  struktur  tetragonal  dengan grup  ruang  P4mm  dengan  parameter  kisi  a=b=3,943  Å; dan c=4,011 Å.

## IV. KESIMPULAN
Keramik  K 0,5 Na 0,4 Li 0,1 NbO 3 yang  telah  disintesis melalui  metode  reaksi  padat  memiliki  fasa  tunggal dengan  struktur  perovskite.  Material  keramik  ini  ramah lingkungan  dan  tidak  mengandung  timbal.  Temperatur kalsinasi  dari  keramik  K 0,5 Na 0,4 Li 0,1 NbO 3 adalah  750°C selama  2  jam.  Sedangkan,  temperatur  sinteringnya  yaitu 1100°C  selama  2  jam.  Material  KNLN  ini  memiliki struktur  perovskite  tetragonal  dengan  grup  ruang  P4mm dengan parameter kisi a=b=3,943 Å dan c=4,011 Å.
Gambar 5. Hasil refinemet pelet KNLN yang disinter pada temperatur 1100°C dengan waktu penahanan selama 2 jam.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Tuhan Yang  Maha  Esa,  kedua  orang  tua,  Bapak  Prof.  Dr. Suasmoro,  DEA  selaku  dosen  pembimbing  sekaligus penyandang dana dan riset, seluruh elemen pengajar dan staf jurusan Fisika, serta teman-teman Penulis yang telah memberikan  dukungan  dan  motivasi  kepada  Penulis dalam melakukan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Y.  Saito,  H.  Takao,  T.  Tani,  T.  Nonoyama,  K. Takatori, T. Homma, T. Nagaya, and M. Nakamura, “Lead-free  piezoceramics,” Nature ,  vol.  432,  no. 7013, pp. 84–87, Nov. 2004.
[2] W.  Liu  and  X.  Ren,  “Large  Piezoelectric  Effect  in Pb-Free  Ceramics,” Phys.  Rev.  Lett. ,  vol.  103,  no. 25, p. 257602, Dec. 2009.
[3] T. Chen, H. Wang, T. Zhang, G. Wang, J. Zhou, J. Zhang,  and  Y.  Liu,  “Piezoelectric  behavior  of (1−x)K0.50Na0.50NbO3−xBa0.80Ca0.20ZrO3 lead-free ceramics,” Ceram. Int. , vol. 39, no. 6, pp. 6619–6622, Aug. 2013.
[4] W. D. Callister and D. G. Rethwisch, Fundamentals of materials science and engineering: an integrated approach . John Wiley & Sons, 2012.
[5] H. Du, F. Tang, F. Luo, W. Zhou, S. Qu, and Z. Pei, “Effect  of  poling  condition  on  piezoelectric properties  of  (K0.5Na0.5)NbO3–LiNbO3  lead-free piezoelectric  ceramics,” Mater.  Sci.  Eng.  B ,  vol. 137, no. 1–3, pp. 175–179, Feb. 2007.
[6] S.  Suasmoro,  S.  Pratapa,  D.  Hartanto,  D.  Setyoko, and  U.  M.  Dani,  “The  characterization  of  mixed titanate  Ba  1-  x  Sr  x  TiO  3  phase  formation  from oxalate  coprecipitated  precursor,” J.  Eur.  Ceram. Soc. , vol. 20, no. 3, pp. 309–314, 2000.
[7] W.  D.  Kingery,  D.  P.  Birnie,  and  Y.  Chiang, “Physical Ceramics: Principles for Ceramic Science and Engineering,” Phys. Ceram. Princ. Ceram. Sci. Eng. , 1997.
[8] D.  W.  Richardson,  “Modern  Ceramic  Engineering Properties,” Process. Use Des. N. Y. , 1982.
[9] C.  K.  Jeong,  K.-I.  Park,  J.  Ryu,  G.-T.  Hwang,  and K.  J.  Lee,  “Large ‐ Area  and  Flexible  Lead ‐ Free Nanocomposite  Generator  Using  Alkaline  Niobate Particles  and  Metal  Nanorod  Filler,” Adv.  Funct. Mater. , vol. 24, no. 18, pp. 2620–2629, May 2014.
[10] Zhen,  Y.,  Li,  J.-F.,  2006.  Normal  Sintering  of (K,Na)NbO 3 -Based Ceramics: Influence of Sintering Temperature  on  Densification,  Microstructure,  and Electrical Properties. J. Am. Ceram. Soc. 89, 3669– 3675. doi:10.1111/j.1551-2916.2006.01313.x