MAKALAH FISIKA ZAT PADAT

“IMPERFECTION (CACAT KRISTAL)”

Disusun oleh:

I Wayan Jihan Pramana (G 101 09 029)

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS TADULAKO

2012

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Istilah "kristal" memiliki makna yang sudah ditentukan dalam ilmu material dan fisika zat

padat, dalam kehidupan sehari-hari "kristal" merujuk pada benda padat yang menunjukkan

bentuk geometri tertentu, dan kerap kali sedap di mata. Berbagai bentuk kristal tersebut dapat

ditemukan di alam. Bentuk-bentuk kristal ini bergantung pada jenis ikatan molekuler antara

atom-atom untuk menentukan strukturnya, dan juga keadaan terciptanya kristal tersebut. Bunga

salju, intan, dan garam dapur adalah contoh-contoh kristal.

Susunan yang sempurna ada di keseluruhan material kristal pada skala atom tidaklah ada.

Semua bahan padat mengandung sejumlah besar cacat atau ketaksempurnaan. Beberapa

material kristalin mungkin menunjukkan sifat-sifat elektrik khas, seperti efek feroelektrik atau

efek piezoelektrik. Kebanyakan material kristalin memiliki berbagai jenis cacat kristalografis.

Jenis dan struktur cacat-cacat tersebut dapat berefek besar pada sifat-sifat material tersebut.

1.2 Tujuan

Tujuan dari penyusunan makalah tentang Cacat Kristal ini adalah :

1. Mengetahui dan memahami karakteristik material penyusun zat padat

2. Mengetahui dan memahami cacat kristal pada zat padat, dimana kristal merupakan penyusun

zat padat.

1.3 Permasalahan

Permasalahan yang mendukung disusunnya makalah fisika bahan tentang

“IMPERFECTION (Cacat Kristal) ini adalah menjelaskan komponen penyusun material pada

zat padat yang berupa kristal, macam-macam cacat kristal, dan penyebabnya.

2

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Pengertian Kristal

Kristal adalah suatu padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara

teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. Secara umum, zat cair membentuk

kristal ketika mengalami proses pemadatan. Pada kondisi ideal, hasilnya bisa berupa kristal

tunggal, yang semua atom-atom dalam padatannya "terpasang" pada kisi atau struktur kristal

yang sama, tapi secara umum kebanyakan kristal terbentuk secara simultan sehingga

menghasilkan padatan polikristalin. Misalnya, kebanyakan logam yang kita temui sehari-hari

merupakan polikristal. Struktur kristal mana yang akan terbentuk dari suatu cairan tergantung

pada kimia cairannya sendiri, kondisi ketika terjadi pemadatan, dan tekanan ambien. Kristal

terbentuk karena proses kristalisasi. Pengertian kristalisasi sendiri yaitu proses pembentukan

kristal yang terjadi pada saat pembekuan, perubahan dari fasa cair ke fasa padat. Jika ditinjau

dari mekanismenya, kristalisasi terjadi melalui 2 tahap :

1. Tahapan Nucleation (pembentukan inti)

2. Tahapan Crystal Growth (Pertumbuhan Kristal)

Gambar 2.1 Kristal Insulin

2.2 Proses Terbentuknya Kristal

Adapun cara terbentuknya kristal secara sederhana bahwa dalam keadaaan cair, atom-atom

tidak memiliki susunan yang teratur (selalu mudah bergerak) dan mempunyai temperature yang

relatip tinggi serta atom-atomnya memiliki energi yang cukup banyak sehingga mudah bergerak

dan tidak ada pengaturan letak atom relatip terhadap atom lainnya. Dengan semakin turunnya

3

temperature maka energy atom akan semakin rendah dan semakin sulit bergerak sehingga atom-

atom ini mulai mencari atau mengatur kedudukan relatip terhadap atom lainnya dan mulai

membentuk lattice. Proses ini terjadi pada temperature yang relatip lebih dingin dimana

sekelompok atom menyusun diri membentuk inti Kristal. Inti-inti ini akan menjadi pusat dari

proses kristalisasi selanjutnya.

2.3 Cacat Kristal (Imperfection)

Cacat dapat terjadi karena adanya solidifikasi (pendinginan) ataupun akibat dari luar.

Cacat tersebut dapat berupa :

2.3.1 Cacat Titik (Point Defect)

1. Cacat kekosongan (Vacancy) yang terjadi karena tidak terisinya suatu posisi atom

pada lattice atau kekosongan sisi kisi, yaitu sisi yang seharusnya ditempati atom,

kehilangan atomnya. Vakansi terbentuk selama proses pembekuan, dan juga karena

getaran atom yang mengakibatkan perpindahan atom dari sisi kisi normalnya.

2. Interstitial (sisipan) adalah “salah tempat”, posisi yang seharusnya kosong justru

ditempati atom. Interstitial diffusion secara umum lebih cepat daripada vacancy

diffusion karena ikatan dari interstiti terhadap atom-atom sekelilingnya lebih kuat

dan terdapat beberapa posisi interstiti dibandingkan posisi kekosongan dalam hal

berdifusi.

3. Impurity (ketidakmurnian), adanya atom “asing” yang menggantikan tempat yang

seharusnya diisi oleh atom. Impuritas adalah atom asing yang hadir pada material.

Logam murni yang hanya terdiri dari satu jenis atom adalah tidak mungkin.

Impuritas bisa menyebabkan cacat titik pada kristal. Ada paduan dimana atom

impuritas sengaja ditambahkan untuk mendapatkan karakteristik tertentu pada

material seperti untuk meningkatkan kekuatan mekanik atau ketahanan korosi.

4. Cacat Schottky dan Frenkel banyak dijumpai pada kristal ionik. Cacat Schottky

adalah berupa kekosongan pada suatu titik kisi bersama-sama dengan cacat sisipan di

permukaan. Sedangkan bila kekosongan berpasangan dengan sisipan di dalam kristal

membentuk cacat Frenkel.

2.3.2 Cacat garis (line defect)

Cacat yang menimbulkan distorsi pada lattice yang berpusat pada suatu garis. Sering

pula disebut dengan dislokasi. Secara umum ada 3 jenis dislokasi, yakni : dislokasi ulir,

4

dislokasi sisi/pinggir, dan dislokasi campuran. Dislokasi ulir terbentuk karena gaya geser

yang diberikan menghasilkan distorsi seperti yang ditunjukkan Gambar 2.4. Daerah

depan bagian atas kristal tergeser sebesar satu atom kekanan relatif terhadap bagian

bawah. Dislokasi ini disimbolkan dengan (.).

Gambar 2.2 Dislokasi Ulir

Dislokasi sisi/pinggir adalah terdapatnya bidang atom ekstra atau setengah bidang,

dimana sisinya terputus di dalam kristal. Gambar 2.5 memperlihatkan skematik dari

dislokasi sisi. Dislokasi sisi disimbolkan dengan ┴

Gambar 2.3 Dislokasi Sisi/Pinggir

Jika pada material dijumpai kedua jenis dislokasi diatas maka disebut material

mempunyai dislokasi campuran. Contoh dislokasi campuran bisa dilihat pada gambar

2.6.

5

Gambar 2.4 Dislokasi Campuran

2.3.3 Cacat bidang (interfacial defect)

Pada bahan polikristal, zat padat tersusun oleh kristal-kristal kecil yang disebut butir

(grain). Setiap butir dapat berukuran mulai dari nanometer hingga mikrometer. Pada

setiap butir atom-atom tersusun pada arah tertentu, dan arah keteraturan atom ini

bervariasi dari satu butir ke butir lain. Batasan antara 2 buah dimensi dan umumnya

memisahkan daerah dari material yang mempunyai struktur kristal berbeda dan atau arah

kristalnya berbeda, misalnya : Batas Butir (karena bagian batas butir inilah yang

membeku paling akhir dan mempunyai orientasi serta arah atom yang tidak sama.

Semakin banyak batas butir maka akan semakin besar peluang menghentikan dislokasi.

Kemudian contoh yang berikutnya adalah Twin (Batas butir tapi special, maksudnya :

antara butiran satu dengan butiran lainnya merupakan cerminan) dan ini menimbulkan

cacat pada daerah batas butir, sehingga disebut cacat batas butir.

2.3.4 Cacat Ruang (Bulk defect)

Perubahan bentuk secara permanen disebut dengan Deformasi Plastis, deformasi

plastis terjadi dengan mekanisme :

a. Slip, yaitu : Perubahan dari metallic material oleh pergerakan dari luar sepanjang

Kristal. Bidang slip dan arah slip terjadi pada bidang grafik dan arah atom yang

paling padat karena dia butuh energi yang paling ringan atau kecil.

b. Twinning terjadi bila satu bagian dari butir berubah orientasinya sedemikian rupa

sehingga susunan atom di bagian tersebut akan membentuk simetri dengan bagian

kristal yang lain yang tidak mengalami twinning.

6

BAB III

PEMBAHASAN

3.1 Cacat Kristal dalam Padatan

Pada bab sebelumnya, selalu digunakan anggapan kristal sempurna, tanpa cacat. Ciri

kristal sempurna (perfect crystal ) adalah terdapat pengulangan posisi setimbang atom-atom

penyusun kristal. Terdapat berbagai cacat sebagai penyimpangan dari kristal sempurna, tapi

yang akan dibahas hanyalah cacad titik. Cacat paling sederhana adalah kehilangan atom pada

posisi tertentu dalam kristal (vacancy) yang sering disebut cacat Schottky. Cara memodelkan

cacad ini adalah dengan menganggap terjadi perpindahan suatu atom (atau molekul) dari suatu

titik dalam kristal ke permukaan. Perubahan ini adalah endoterm (tidak disukai) tetap diimbangi

oleh penaikan entropi akibat peningkatan ketakteraturan kristal. Kita gunakan anggapan (1)

energi yang diperlukan untuk memindahkan atom dari kisi ke permukaan adalah “v dan (2)

kekosongan yang ada amatlah jarang sehingga proses ini dianggap “independen”. Dengan

asumsi ini, dapat dituliskan,

dengan n adalah jumlah kekosongan, dan faktor kombinatorial adalah jumlah cara

mendistribusikan kekosongan dalam kristal. Keadaan setimbang adalah keadaan dengan nilai

A(n) minimum, yaitu

dimana kita mengabaikan nilai n dibandingkan dengan N. Cacat yang lain yang dikenal adalah

acat Frenkel, dimana kekosongan diimbangi dengan interstisi di tempat lain. Anggap energi

yang dibutuhkan untuk memindahkan atom dari kisi ke interstisi adalah “I , N adalah jumlah

titik dalam kisi dan N0 adalah jumlah titik yang mungkin disisipi.

Dengan cara yang sama (meminimalkan A), kita peroleh

Secara umum, entropi dapat dituliskan sebagai S = k ln (N; V;E), dengan adalah jumlah

susunan yang mungkin dari suatu sistem.

7

Angka kesetimbangan vakansi, Nv untuk material tertentu tergantung atas kenaikan temperatur

sesuai dengan persamaan:

dimana N = jumlah total sisi

Qv = energi yang diperlukan untuk membentuk vakansi

T = 8emperature mutlak, K

k = konstanta Boltzmqan = 1,38 x 10-23 J/atom-K = 8,62 x 10-5 eV/atom-K

Gambar 3.1 Cacat Kekosongan (Vacancy) dan Cacat Interstisi

Selain cacat vacancy (kekosongan), salah satu macam cacat titik adalah cacat interstisi yaitu

sebuah atom dari bahan kristal yang berdesakan ke dalam sisi interstisi, yaitu ruang kosong

kecil dimana dalam kondisi normal tidak diisi atom. Pada logam, interstisi diri mengakibatkan

distorsi yang relatif besar di sekitar kisi karena atom interstisi lebih besar dari ruang interstisi.

Karena itu pembentukan cacat ini kemungkinannya kecil, dan juga konsentrasinya kecil, dimana

konsentrasinya jauh lebih kecil dari cacat vakansi.

Contoh Soal : Hitunglah angka kesetimbangan vakansi per meter kubik untuk tembaga pada

suhu 1000 0C. Energi pembentukan vakansi adalah 0,9 eV/atom; berat atom dan kerapatannya

(pada 1000 0C) masing-masing adalah 63,5 g/mol dan 8,4 g/cm3.

Jawab

Pertama-tama tentukan harga N, jumlah sisi atom per meter kubik untuk tembaga dari berat

atomnya Acu, kerapatannya ρ, dan bilangan Avogadro NA, sesuai dengan:

Jumlah vakansi pada 1000 0C (1273) adalah:

8

3.2 Difusivitas Atom

Pada suhu tertentu, tidak semua atom (molekul) mempunyai energi yang sama pada saat

tertentu, terdapat suatu spectrum energi di antara atom-atom mulai dari nilai mendekati nol

sampai nilai yang sangat tinggi (tetapi tetap mendekati harga rata-rata). Sebaliknya untuk

periode waktu tertentu, setiap atom akan dapat memiliki serangkaian nilai energi mulai dari

sekitar nol sampai nilai yang sangat tinggi (tetapi tetap mendekati harga rata-rata). Dalam dua

kondisi ini, atom kemungkinan mempunyai cukup energi untuk memutuskan ikatannya dan

melompat ke posisi baru dan mengalami suatu proses difusi. Difusivitas bergantung dari jenis

atom yang larut, struktur bahan padat dan perubahan suhu.

Tabel 3.1 Difusivitas Atom

Perbedaan nilai difusivitas pada beberapa bahan padatan disebabkan oleh beberapa hal :

a. suhu yang lebih tinggi menghasilkan difusivitas yang lebih tinggi pula. Atom-atom

memiliki energi termal yang lebih tinggi, oleh karena itu besar kemungkinan untuk

mencapai energi yang dapat melampaui hambatan antara atom-atom.

b. Karbon memiliki difusivitas yang lebih tinggi dari pada nikel dalam besi karena atom

karbon lebih kecil.

9

c. Tembaga lebih mudah berdifusi dalam aluminium daripada tembaga sendiri oleh karena

ikatan Cu-Cu lebih kuat daripada ikatan Al-Al. (berdasarkan titik cairnya).

d. Atom-atom mempunyai difusivitas yang lebih tinggi dalam besi kpr daripada dalam besi

kps karena kpr mempunyai factor tumpukan yang lebih rendah. (lubang sisipan dalam kps

lebih besar dibanding lubang sisipan dalam kpr).

e. Difusi berjalan lebih cepat melalui batas butir karena merupakan daerah dengan cacat

kristal. Hubungan difusi dengan energi aktivasi :

Dalam kimia difusi berkaitan dengan Q dengan satuan kal/mol dan R (konstanta gas),

sehingga diperoleh hubungan :

Contoh soal :

Difusivitas aluminium dalam tembaga pada 5000C adalah 2,6x10-17m2/s dan 1,6x10-12m2/s pada

10000C. Hitung D0, Q dan E serta berapa difusivitas pada suhu 7500C.

Penyelesaian :

Sehingga :

Untuk T=7500C maka :

BAB IV

KESIMPULAN

1. Kristal merupakan padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara

teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. Kristal terbentuk dari zat cair

yang mengalami proses pemadatan. Pada keadaan ideal, zat cair yang membentuk Kristal

tersebut hasilnya bias berupa Kristal tunggal, tapi secara umum kebanyakan kristal terbentuk

secara simultan sehingga menghasilkan padatan polikristalin.

10

2. Kristal merupakan suatu bahan penyusun zat padat, sehingga keadaan Kristal harus

diketahui. Adapun macam-macam cacat pada Kristal antara lain cacat titik, cacat garis, cacat

bidang dan cacat ruang.

DAFTAR PUSTAKA

www.okasatrianovyanto.blogspot.comwww.mechanical.petra.ac.idwww.lischer.wordpress.com

11