## PENDAHULUAN
Sejak bahan keramik BaTiO 3 ditemukan sebagai bahan feroelektrik yang memiliki permitivitas tinggi, riset yang intensif telah banyak dilakukan agar bahan ini mempunyai aplikasi yang luas dalam bidang elektronika diantaranya; kapasitor, sensor panas, pembatas arus listrik, dan kapasitor multi layer (MLCs) karena memiliki resistivitas dan konstanta dielektrik yang tinggi [1]. Barium titanat mempunyai struktur perovskite yang polimorf terhadap suhu, yaitu rhombohedral pada suhu lebih kecil -90 o C, orthorombik pada suhu 0 o C sampai dengan (-90) o C, tetragonal pada suhu 0 o C sampai dengan 130 °C, dan kubik pada suhu lebih besar 130 °C,. Pemberian bahan doping Sr 2+ pada kristal perovskite barium titanat akan mempengaruhi sifat fisis yang ditimbulkan olehnya. Dengan cara ini akan dapat mengubah suhu Curie , permitivitas, resistansi dan lainnya.
Perubahan sifat tersebut dapat diperoleh dengan mensubstitusi kation-kationnya dengan ion-ion trivalen (La 3+ , Sb 3+ , Y 3+ , Bi 3+ ) yang dapat mensubstitusi Ba 2+ , atau ion-ion pentavalen (Nb 5+ , Ta 5+ , Sb 5+ ) yang
mensubstitusi Ti 4+ yang akan memberikan electron donor ( space charge )yang mudah dipengaruhi oleh medan listrik luar dan akan memberikan kontribusi pada polarisasi [2].
Bila La 3+ digunakan, akan mengubah bahan yang semula isolator menjadi semi konduktor. Fenomena ini dikenal dengan donor-dop sehingga memberikan formula umum Ba 1-x La x TiO 3 . Akan tetapi dimungkinkan juga menjadikan terjadinya vakansi Ti [2]. Mekanisme donor-dop dapat terjadi pula pada doping dengan ion 5+ yang ukurannya ~ Ti 4+ , misalnya dengan Nb 5+ . Bila BaTiO 3 yang di doping dengan Y 2 O 3 akan membentuk komposisi Ba 1-x Y x TiO 3 dengan menuruti reaksi defek sebagai berikut[2] :
) 1 ( ...... 2 O 2 1 x O 2O 2e' Ba 2Y 3 O 2 Y 3 BaTiO        
untuk doping rendah, dan untuk doping yang tinggi akan menuruti reaksi defek :
) 2 ( ... .......... .......... " Ba V x O 3O Ba 2Y 3 O 2 Y 3 BaTiO       
PENGARUH PEN DOPING AN Y 2 O 3 TERHADAP

## STRUKTUR DAN RELAKSASI
DIPOLE Ba 0,95 Sr 0,05 TiO 3

## Erna Hastuti dan Suasmoro
Jurusan Fisika FMIPA - ITS Kampus ITS Keputih, Sukolilo, Surabaya 60111

## ABSTRAK
PENGARUH PEN DOPING AN Y 2 O 3 TERHADAP STRUKTUR DAN RELAKSASI DIPOLE Ba 0,95 Sr 0,05 TiO 3 . Komposisi Ba 0,95 Sr 0,05 TiO 3 disintesis melalui kalsinasi prekursor yang diperoleh melalui kopresipitasi oksalat. Bubuk di doping dengan Y 2 O 3 dengan kadar % mol Y 3+ : 0; 0,2; 0,4 dan 0,6. Pengaruh doping Y 3+ terhadap sampel dianalisis melalui difraksi sinar X, permitivitas, resistivitas dan konduktivitas. Diperoleh data bahwa sampel yang di doping mempunyai tetragonalitas yang lebih kecil dibandingkan dengan sampel tanpa doping. Tetragonalitas sampel tanpa doping 1,00910, sampel dengan doping Y 3+ 0,4 % 1,0083 dan doping Y 3+ 0,6 % 1,00846. Karakterisasi relaksasi dipole menunjukkan adanya dipole granuler pada sampel yang di doping akibat adanya muatan ruang disamping dipole kisi.
Kata kunci : Relaksasi dipole , Doping Y 2 O 3 , Ba 0,95 Sr 0,05 TiO 3

## ABSTRACT
EFFECT OF Y 2 O 3 DOPED TO THE STRUCTURE AND RELAXATION OF Ba 0.95 Sr 0.05 TiO 3 DIPOLE. Feroelectric Ba 0.95 Sr 0.05 TiO 3 was synthesized via calcination of oxalate coprecipitated precursor. The powder was then Y 3+ doped by : 0, 0.2, 0.4 and 0.6 mole %. The influences of dopant on samples were analiyzed by XRD, permittivity and conductivity. The result show that doped sample behave tetragonality less than the undoped one. Tetragonality of sample that undoped is 1,00910, doped Y 3+ 0,4 % is 1,0083 and doped Y 3+ 0,6 % is 1,00846. Characterization on dipole relaxation shows granular dipole due to space charge and lattice dipole.
Key words : Dipole relaxtion, Y 2 O 3 doped, Ba 0,95 Sr 0,05 TiO 3
Pengaruh Pendopingan Y 2 O 3 Terhadap Struktur dan Relaksasi Dipole Ba 0.95 Sr 0.05 TiO 3 . (Erna Hastuti)
atau (3) .... x O 12O '' '' Ti V x Ti 3Ti Ba 4Y 2 3TiO 3 O 2 Y 3 BaTiO         
yang menjadikan bahan resistif.
Bila bahan dalam pengaruh medan listrik dengan frekuensi ω, permitivitas kompleks bahan menurut Debye akan memenuhi [3] :
 
) 4 ( . .......... .......... .......... .......... ) 2 2 1 ( '             s   ) 5 ( ....... .......... .......... .......... .......... ) 2 2 1 ( '           s
dengan  ε2  adalah permitivitas riil, ε3  adalah permitivitas imaginer , τ = RC adalah waktu relaksasi dan ω adalah frekuensi sudut.
Pada penelitian sebelumnya [4] diketahui bahwa terjadi penyusutan parameter kisi dengan tetragonalitas menurun untuk substitusi Sr 2+ lebih besar yang diikuti oleh penurunan suhu Curie . Pada sampel yang di doping dengan Nb 2 O 5 mengalami kenaikan permitivitas yang diukur pada frekuensi tetap [5]. Dalam penelitian ini akan dipelajari bagaimana Y 3+ mempengaruhi struktur, konduktivitas dan sifat dielektriknya.

## METODE PERCOBAAN
Penelitian ini diawali sintesis prekursor Ba 1-x Sr x TiO 3 dengan x=0 dan 0,05 melalui teknik kopresipitasi oksalat [4]. Bahan dasar yang digunakan terdiri dari BaCl 2 .2H 2 O, SrCl 2 .2H 2 O, TiCl 4 dan H 2 C 2 O 4 .2H 2 O disuplai dari E.Merck dengan tingkat kemurnian reagent grade . Kalsinasi prekursor dilakukan pada suhu 700 o C selama 2 jam dan didapatkan bubuk yang berstruktur tetragonal perovskite ABO 3 . Pen doping an dilaksanakan
dengan menambahkan 0,2 sampai dengan 0,6 mol % Y 3+ dengan menggunakan planetary mill yang merupakan proses pencampuran dan pemecahan partikel. Proses milling ini menggunakan media etanol dan stabilized Zirconia yang diputar sebanyak 250 rpm selama 1 jam. Selanjutnya bubuk dicetak membentuk green pellet berdiameter 13 mm dengan tekanan 100 MPa. Green pellet kemudian di sinter pada suhu 1300 o C selama 2 jam.
Karakterisasi difraksi sinar-X menggunakan perangkat Philips X Pert pada suhu kamar dengan panjang  gelombang  λ=1,54056  Å  untuk  mengetahui fasa yang terbentuk dan menentukan besarnya parameter kisi yang dihitung dengan menggunakan metode Rietveld . Karakterisasi listrik dilakukan dengan RCL meter FLUKE PM 6306 Permitivitas dan suhu transisi dihitung dengan mengukur kapasitansi sampel yang diukur sampai suhu 300 o C pada tegangan 1,5 volt.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi difraksi sinar-X terhadap sampel Ba 0,95 Sr 0,5 TiO 3 dengan penambahan Y 2 O 3 = 0; 0,4 dan 0,6 mol % ditunjukkan pada Gambar 1. Pada x = 0,6, terlihat adanya fasa sekunder yang timbul karena adanya kejenuhan pendopingan. Dari hasil search match fasa ini sesuai dengan Yittrium Titanium Oksida (Y 2 Ti 2 O 7 ). Pola difraksi juga menunjukkan adanya pergeseran posisi puncak difraksi dan perubahan bentuk pada beberapa puncak difraksi seiring dengan kenaikan Y 2 O 3 . Perubahan pola difraksi ini secara kualitatif menunjukkan adanya substitusi Y 3+ terhadap Ba 2+ . Pergeseran puncak dari sudut  2θ  =  31,6 o ke  2θ  =  31,7 o menunjukkan adanya perubahan jarak antar bidang Bragg dan terjadinya perubahan parameter kisi.
Analisis perubahan parameter kisi akibat substitusi Y 3+ ke dalam Ba 2+ dapat dilakukan dengan menggunakan metode Rietveld , Tabel 1. Diketahui hasil dari penghalusan secara umum telah memenuhi syarat yang telah ditetapkan oleh E.H Kisi [6]. Dari data penghalusan, didapatkan harga derajat tetragonalitas yang lebih kecil dibandingkan dengan sampel tanpa doping .
Telah diketahui bahwa dalam titanat campuran BaSrTiO 3 , naik turunnya suhu Curie dipengaruhi oleh tetragonalitas struktur kristal (c/a). Untuk mengetahui pengaruh kandungan Y 3+ terhadap suhu Curie (Tc), dilakukan karakterisasi permitivitas sebagai fungsi suhu. Gambar 3 menunjukkan adanya perubahan suhu Curie yang tidak signifikan pada penambahan Y 3+ . Hal ini disebabkan persentase pendopingan Sr 2+ sangat kecil
Gambar 1 . Grafik difraktogram difraksi sinar X BaSrTiO 3 dengan doping Y 2 O 3 (atas) dan pergeseran puncak difraksi  untuk  2θ  =  31 o – 32,5 o (bawah)
sehingga penambahan doping Y 3+ pengaruhnya kecil terhadap suhu Curie . Hal ini sejalan dengan hasil doping Nb 5+ ke dalam BsSrTiO 3 untuk kadar Nb 5+ kurang dari 0,4 %, suhu Curie tidak mengalami perubahan [5].
Permitivitas relatif mengalami peningkatan pada penambahan Y 3+ sebesar 0,2 % dan 0,4 %. Tetapi peningkatan ini tidak berlangsung terus menerus, melainkan dapat mencapai titik jenuh (saturasi). Dalam keadaan ini penambahan Y 3+ sebanyak 0,6 % tidak lagi meningkatkan permitivitas, tapi justru menurunkan nilai permitivitas dielektrik. Hal ini berkaitan dengan densitas relatif sampel, dimana untuk penambahan Y 3+ = 0 % densitasnya 85,5 %, Y 3+ = 0,2 % densitasnya 89,67 %, Y 3+ = 0,4 % densitasnya 93 % dan Y 3+ = 0,6 % densitasnya 92,4 %, perubahan densitas relatif menimbulkan kenaikan jumlah kisi kristal per satuan volume. Jika dipandang bahwa setiap kisi memberikan satu dipol maka kenaikan dipole per satuan volume akan sama dengan kenaikan densitasnya. Demikian pula semakin besar densitas suatu sample akan semakin besar pula densitasnya. Penurunan permitivitas pada penambahan Y 3+ yang lebih tinggi disebabkan karena adanya fasa sekunder yang menyebabkan heterogenitas dalam sampel, seperti ditunjukkan oleh hasil XRD.
Dengan adanya muatan ruang mempengaruhi permitivitas bahan feroelektrik jika diberi medan listrik Semakin besar kandungan Y 2 O 3 dalam bahan dielektrik, semakin besar pula produksi elektron bebas yang dapat memperbesar permitivitas bahan. Tetapi pada titik jenuh penambahan Y 2 O 3 justru menurunkan nilai permitivitas
bahan dielektrik. Gambar 3 menunjukkan bahwa pada penambahan Y 3+ 0,6 %, permitivitas mengalami penurunan.
Bila dibuat grafik ε3  = f (υ) akan membentuk kurva Debye , sebagaimana ditinjukkan dalam Gambar 4 (b). Tetapi untuk Y 3+ = 0%, kurva Debye kurang terlihat dengan nyata. Untuk itu dibuat kurva ε3  = f(ε2 ) yang akan membentuk kurva setengah lingkaran cole-cole (Gambar 4). Pada puncak kurva, pada ε2 -ε  = ε3, berlaku :  = 1 dan  RC = 1
Sehingga dapat diperoleh waktu relaksasi τ dan kapasitansi C dari grain dan grain boundry . (b) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 10 100 1000 10000 100000 1000000 frekuensi (Hz) ε r ? 0% 0,20% 0,40% 0,60% 0 5000 10000 15000 20000 25000 10 100 1000 10000 100000 1000000 frekuensi (Hz) ε r ' 0% 0,20% 0,40% 0,60% (a)
Gambar 3 . Grafik pengaruh frekuensi terhadap : (a) permitivitas riil (b) permitivitas imaginer.
Tabel 1 . Parameter kisi dan Figure of Merit (FoM) hasil Refinement Rietveld BaSrTiO 3 doping Y 2 O 3.
Figure of Merit Doping
Y 3+ a=b (Å) c (Å) c/a R p R wp R exp GoF R B 0 % 3,99455 4,03089 1,00910 16,08 21,31 11,77 3,27 8,33 0,4 % 3,99525 4,02853 1,00833 13,04 17,92 11,94 2,25 8,60 0,6 % 3,99423 4,02799 1,00846 13,25 18,38 11,68 2,47 8,33
Gambar 4 . Cole-cole plot dengan doping yang berbeda 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 ε r ' ε r ? 0% 0,20% 0,40% 0,60% ε r ″ 0 8000 16000 24000 32000 40000 48000 70 90 110 130 150 Temperatur (der C) P e rm it iv it a s 0% 0,2% 0,40% 0,60%
Gambar 2 . Grafik suhu Curie pada beberapa doping Y 3+
Pengaruh Pendopingan Y 2 O 3 Terhadap Struktur dan Relaksasi Dipole Ba 0.95 Sr 0.05 TiO 3 . (Erna Hastuti)
Kurva cole-cole permitivitas sampel dengan doping 0 % dan 0,2 % Y 3+ terbentuk semisirkel dengan ekor yang sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Keadaan ini menyatakan dominasi polarisasi kisi yang ada di dalam bahan. Pen doping an 0,4 % dan 0,6 % terbentuk 2 semisirkel tapi disertai adanya ekor pada frekuensi rendah. Pada frekuensi tinggi bentuk semisirkelnya sejenis dengan bahan tanpa doping , hanya saja jari-jarinya lebih besar. Penambahan bahan dopan memberikan elektron donor yang di dalam grain memberikan dipole granuler dibawah pengaruh medan listrik luar, Gambar 5, dan berakibat membesarnya jari-jari semisirkel. Pada semisirkel yang besar merupakan representasi dari dipole bulk dan losses . Jadi dengan penambahan doping Y 3+ menyebabkan waktu relaksasinya semakin besar tetapi menurun pada doping 0,6 %. Hasil perhitungan waktu relaksasi dan kapasitansi diberikan pada Tabel 2.
Hubungan impedansi riil dan imajiner ditunjukkan dalam Gambar 6, pada bahan dengan doping 0 % dan 0,2 % Y 3+ menunjukkan satu semisirkel besar yang mewakili R bulk . Untuk bahan dengan doping 0,4 % dan 0,6 % terlihat dua semisirkel yang merepresentasikan Rg dan Rgb, yang besarnya diberikan di Tabel 2.
Semakin besar resistivitas, maka kemampuan bahan untuk menyimpan muatan semakin kecil, demikian juga semakin kecil resistivitas, semakin besar konduktivitas bahan tersebut. Artinya, bahan semakin
konduktif dengan penambahan doping Y 2 O 3 . Hal ini dapat terjadi jika dalam bahan terdapat defek yang memberikan jumlah pembawa muatan semakin banyak dengan penambahan doping . Tetapi peningkatan ini tidak berlangsung terus menerus. Pada penambahan doping 0,6 % Y 3+ besarnya konduktivitas menurun, hal ini sejalan dengan hasil sebelumnya untuk permitivitas dan waktu relaksasi yang mengalami penurunan, dan munculnya fasa sekunder pada hasil difraksi sinar-X. Hal ini disebabkan adanya kejenuhan pen doping an sehingga terjadi heterogenitas dalam sampel.

## KESIMPULAN
Penambahan doping Y 2 O 3 pada Ba 0,95 Sr 0,05 TiO 3 menyebabkan penurunan parameter kisi yang ditunjukkan dengan adanya pergeseran puncak difraksi ke arah sudut yang lebih besar. Tapi penambahan Y 2 O 3 secara terus menerus dapat menyebabkan kejenuhan yaitu pada doping 0,6 % dengan terbentuknya fasa sekunder. Hasil ini sejalan dengan permitivitas dielektrik mengalami peningkatan pada doping 0,2 % dan 0,4 % tapi menurun pada doping 0,6 %. Analisis Cole-cole plot menunjukkan pada bahan tanpa doping relaksasi didominasi oleh dipole kisi dan memiliki waktu relaksasi yang singkat. Penambahan doping menyebabkan terbentuknya space charge memberikan dipole kisi dan granuler serta relaksasi bulk yang terjadi pada frekuensi rendah serta terjadi kebocoran (losses) . Disamping itu penambahan Y 2 O 3 juga menyebabkan penurunan resistivitas sehingga bahan lebih konduktif.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penelitian ini dibiayai oleh RUT XI, oleh karena iitu penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada kementrian riset dan teknologi atas kepercayaannya.

## DAFTAR ACUAN
[1]. SEA-FUE WANG, G.D. DAYTON, J.Am.Ceram.Soc . 82 (10) (1999) 2677-2682
[2]. QI. J, C.WANPING. Z.ZONGTAI, T.ZILONG, J.Mater.Sci ., 32 (1997)713-717
[3]. R.A. GERHARDT, Advances in Dielectric Ceramic Materials 88 (1998) 41-60
Gambar 5 . a). Dipol kisi dan b) dipole granuler dari sampel yang di doping dengan tanpa dan dengan pengaruh medan listrik luar b a Gambar 6 . Grafik impedansi riil terhadap impedansi imaginer 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07 1.00E+08 1.00E+09 1.00E+01 1.00E+03 1.00E+05 1.00E+07
1.00E+09
Re - Z Im - Z 0% 0,20%
0,40%
0,60%
Tabel 2 . Waktu relaksasi dan kapasitansi BaSrTiO 3 yang didoping Y 2 O 3 .
Doping Y 3+ τ 1 (s) τ 2 (s) R 1 (Ω) R 2 (Ω) C 1 (F) C 2 (F) 0 % 1,27 x 10 -7 - - ~ 4 x 10 11 - - 0,2 % 1,76 x 10 -7 - - ~ 10 11 - - 0,4 % 1,50 x 10 -6 2,38 x 10 -4 ~ 10 2 ~ 3 x 10 10 1,5 x 10 -8 8 x 10 -15 0,6 % 1,77 x 10 -7 2,77 x 10 -4 ~ 10 2 ~ 3 x 10 10 1,8 x 10 -9 9 x 10 -15
[4]. SUASMORO, S. PRATAPA, D. HARTANTO, D. SETYOKO, U.M. DANI, J.Eur.Ceram.Soc ., 20 (2000)
[5]. SUASMORO, Kappa 1 (2) (2000)
[6]. KISI, EH, Material Forum ., 18 (1994) 135-153