MAKALAH MATERIAL CERDAS
RESPON DIELEKTRIK: EFEK POLARISASI
Disusun oleh :
Chusnul Khotimah 2412100029
Vincensius Cahya Dwinanda 2412100034
Jovi Abi Rahman 2412100040
Putria Widya Budiarti 2412100047
JURUSAN TEKNIK FISIKA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2015
DAFTAR ISI
BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................................ 1
1.1 Latar belakang ............................................................................................................. 1
1.2 Rumusan Masalah ....................................................................................................... 1
1.3 Tujuan.......................................................................................................................... 1
BAB II DASAR TEORI........................................................................................................... 2
2.1 Polarisasi pada Material: Respon Dielektrik ............................................................... 2
2.2 Respon Dielektrik Ferroelektrik .................................................................................. 3
2.3 Polarisasi Tailoring: Efek Piezoelektrik ...................................................................... 5
2.4 Polarisasi Tailoring: Efek Piroelektrik ........................................................................ 7
2.5 Aplikasi Alat dari Material Polar ................................................................................ 7
BAB III KESIMPULAN........................................................................................................ 10
3.1 Kesimpulan................................................................................................................ 10
REFERENSI ........................................................................................................................... 11
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Dewasa ini perkembangan ilmu pengetahuan semakin maju, apalagi yang berkaitan
dengan teknologi. Inovasi teknologi terus berkembang pesat, salah satunya adalah ilmu bahan
atau material. Material sendiri merupakan komponen yang paling penting dalam suatu
teknologi, pemilihan bahan yang tepat dapat menentukan sifat atau kualitas suatu divais
ataupun instrumen. Smart material adalah salah satu contoh yang paling sering digunakan
dalam teknologi informasi modern dalam aplikasi di bidang elektronik, optoelektronik,
sensor, memori, dan segala jenis divais lainnya. Untuk mengetahui sifat-sifat fisik dari suatu
jenis smart material entah itu tergolong semikondukor, dielektrik, feroelektrik, dan
feromagnetik perlu diberikan suatu efek agar mengahasilkan suatu respon yang menentukan
karekteristik dari suatu material. Selain sifat fisik, ada juga sifat lain dari smart elektronik
material yang perlu diketahui, seperti transport, polarisasi, magnetik. Respon dielektrik suatu
bahan ditentukan oleh efek polarisasi dan depolarisasi, selain itu ditentukan oleh metode
pengukuran frequency domain spectrometer.
1.2 Rumusan Masalah
Berikut rumusan yang dibawa dalam penulisan makalah ini adalah sebagai berikut:
a. Apa yang dimaksud dengan smart material?
b. Bagaimana interaksi atau respon suatu jenis smart material jika diberikan suatu efek?
c. Bagaimana respon dielektrik material terhadap metode pengukuran efek polarisasi?
1.3 Tujuan
Adapun tujuan ditulisnya makalah ini mengenai respon dielektrik: efek polarisasi adalah: a. Mengetahui tentang smart material, jenis-jenis, dan sifat-sifatnya
b. Mengetahui bagaimana interaksi atau respon suatu jenis smart material dielektrik jika
diberikan suatu efek polarisasi
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Polarisasi pada Material: Respon Dielektrik
Material solid atau padatan dapat diklasifikasikan dalam beberapa jenis, yaitu insulator,
semikonduktor, logam. Ketika ada medan listrik mengenai suatu padatan, akan
mengakibatkan terbentuknya momen dipol dan polarisasi, sehingga efek
polarisasi(penkutuban) tersebut mempengaruhi repon dielektrik yang mana secara umum
merupakan fungsi frekuensi. Pengutuban dielektrik , muatan positif bergerak menuju kutub
negatif medan listrik, sedang muatan negatif bergerak pada arah berlawanan(yaitu kutub
postif medan listrik). Hal ini menimbulkan medan listrik internal yang menyebabkan jumlah
keseluruhan medan listrik yang melingkupi bahan dielektrik menurun. Jika bahan dielektrik
terdiri dari molekul-molekul yang memiliki ikatan lemah, molekul tidak hanya terkutub,
namun juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti arah medan
listrik.
2.2 Respon Dielektrik Ferroelektrik
Di dalam material dengan kation dan anion memungkinkan memiliki struktur Kristal,
dimana polarisasi dalam material adalah non-zero.
Gambar 2.1 Skematik dari kurva histeresis pada material ferroelektrik
Pada gambar 2.1 menunjukkan hysteresis loop khusus untuk bahan ferroelectric.efek
ferroelectric akan menghilang pada saat suhu tertentu, yang disebut suhu Curie. Bahan
ferroelectric dapat di klasifikasi kan menjadi 2 kategori : order-disorder, atau displacive.
Dalam kasus order-disorder polarisasi timbul dari penyusunan ion yang membentuk
jaringan polarisasi. Sedangkan pada tipe displacive, bentuk kation berpindah dengan
mengenai anion untuk membentuk jaringan polarisasi. Kristal yang mengandung unsure H
sering ditemui pada tipe order-disorder seperti KH2PO4, RbH2PO4, dsb. Sedangkan Kristal
ion seperti BaTiO3, LiNbO3, GeTe, dsb merupakan tipe displacive.
Dapat dilihat dari kurva hysteresis dari ferroelectric khusus, sifat polarisasi dari bahan
dijelaskan dengan polarisasi spontan Ps dan bidang kritis Ec. Pada table 6.1 menunjukkan
nilai-nilai dari polarisasi spontan dan temperature Curie untuk beberapa ferroelectric. Jika kta
mengubah nilai dari polarisasi spontan untuk perpindahan ion, maka terlihat perpindahan
sebesar 0,1 A. jadi didalam Efek ferroelectric ion bergerak dengan fraksi yang signifikan dari
konstata kisi.
Tabel 2.1 Daftar beberapa material ferroelektrik dan sifatnya
Perumusan analisis yang menggambarkan hysteresis loo dapat ditulis. Jika bidang
meningkat dari nilai negative yang besar untuk nilai positive yang besar (the forward cycle)
polarisasi dapar dituliskan :
Dimana Ec disebut bidang coercive. Parameter polarisasi Pr dan Ps disebut sisa dan
polarisasi spontan, berurutan.
Untuk respon dielektrik adalah sebagai berikut :
2.3 Polarisasi Tailoring: Efek Piezoelektrik
Peristiwa polarisasi dalam suatu material dapat dimanfaatkan dalam beberapa cara dalam
desain perangkat. Polarisasi mempengaruhi konstanta dielektrik sehingga sifat
elektromagnetik dapat dipengaruhi. Hal ini dapat digunakan untuk membuat perubahan
tegangan dalam perangkat yang akan digunakan sebagai sensor dan detektor.
Efek piezoelektrik menggambarkan perubahan polarisasi yang terjadi ketika suatu
material diberi tegangan, dimana hal tersebut juga bisa terjadi sebaliknya.
Gambar 2.2 Skema yang menunjukkan bagaimana bahan feroelektrik dengan polarisasi
net P dapat mengubah polarisasi karena suatu tegangan.
Pada Gambar. 2.2 ditunjukkan secara skematis bagaimana stres menyebabkan sublattices
atom dalam kristal bergeser untuk membuat polarisasi net. Polarisasi dapat muncul dalam
bahan feroelektrik (di mana polarisasi spontan hadir tanpa medan) atau bahan non-
feroelektrik. Dari total 32 kelompok kristal, 11 memiliki pusat simetri dan tidak
menghasilkan efek piezoelektrik. Dari sisa 21, 20 melakukan menampilkan efek
piezoelektrik.
Dalam aplikasi, efek piezoelektrik dimanfaatkan tergantung pada penghasilan arus dan
tegangan akibat adanya tegangan, hal tersebut juga berlaku sebaliknya.
Gambar 6.12 (a) Mekanisme tegangan dapat menghasilkan arus atau tegangan dari
bahan piezoelektrik, (b) Proses yang terjadi sebaliknya
Sifat piezoelektrik dari bahan dijelaskan melalui beberapa parameter respon. Hubungan
umum antara perpindahan D, stres X, dan medan listrik E, adalah
dimana d adalah konstanta regangan piezoelektrik (satuan: pC / N) dan x adalah
konstanta dielektrik di bawah tekanan konstan. Sebaliknya, hubungan antara regangan ,
medan listrik, dan stres adalah
di mana sE adalah elastic compliance pada konstanta medan listrik (satuan: m
2 / N).
Regangan, tegangan, dan respon dilelektrik dalam benda padat digambarkan oleh tensor
second rank. Elastic compliance adalah tensor fourth rank. Secara keseluruhan ada beberapa
tensor dan sejumlah besar parameter dalam keterangan lengkap tentang s, d, e dalam
persamaan yang diberikan di atas. Namun, karena beberapa simetri terdapat dalam kristal
secara umum dan khusus, tidak semua komponen tensor yang independen atau non-nol.
Hubungan antara polarisasi dan tegangan atau antara polarisasi dan regangan dirumuskan
dalam persamaan berikut,
Dimana d adalah konstanta piezoelektrik (satuan:mV), X adalah tegangan dan x adalah
susceptibility (kelemahan). Polarisasi dapat juga dirumuskan dalam hubungannya dengan
regangan sebagai berikut,
Dimana e adalah koefisien piezoelektrik (satuan:C/m2)
Tabel 6.2 Konstanta piezoelektrik untuk beberapa material
Dalam sebagian besar aplikasi efek piezoelektrik, regangan dihasilkan oleh sumber
eksternal (aplikasi sensor regangan) atau medan listrik diterapkan untuk mengubah kristal.
2.4 Polarisasi Tailoring: Efek Piroelektrik
Pyroelectric Effect merupakan polarisasi spontan dari sebuah bahan diakibatkan oleh
perubahan temperatur. Contoh Ferroelectric materials (mempunyai polarisasi spontan yang
besar) yang memperilhatkan efek tersebut adalah A1N, GaN, dan InN. Berikut merupakan
proses terjadinya polarisasi spontan diakibatkan oleh perubahan temperatur.
Aliran listrik pada time interval At digunakan untuk menetralisir muatan pada permukaan dan
dapat digunakan untuk mendeteksi dan mengukur pyroelectric effect. Berikut merupakan
persamaan dielectric constant () dihubungkan dengan displacement (D) dan polarisasi.
Pyroelectric Coefficient P dapat diukur dengan menggunakan persamaan :
2.5 Aplikasi Alat dari Material Polar
A. Ferroelectric Memory Ferroelectric memory bekerja menggunakan prinsip dasar pada bahan ferroelectric
yaitu polarisasinya dapat dibalik dengan perlakuan tertentu dan menghasilkan
Ferroelctric Film tipis yang memiliki dua electical state yang stabil. Contoh
penggunaan Ferroelectric Memory adalah Smart Card.
B. Strain Sensor & Accelorometer Suatu bahan Piezoelectric yang apabila mengalami regangan (strain) atau
displacement maka polarisasinya berubah sehingga menghasilkan sinyal voltage yang
berubah pula. Berikut mekanisme kerja dari strain sensor :
Ketika plat tipis dibengkokkan maka setengah piringan (plate) akan meregang
sementara yang setengah yang lain akan terkompresi sehingga tidak ada tegangan
yang lewat. Tegangan tersebut diukur oleh elektrode yang berada ditengah plate
tersebut.
C. Infrared Detection (Pyroelectric Effect) Sebuah Objek akan meradiasiakn gelombang elektromagnetik dengan intensitas dan
spektral tertentu bergantung pada temperatur benda tersebut. Hal tersebut yang
mendasari cara kerja dari sebuah infrared detection.
Terdapat dua cara untuk mengukur photon dengan wavelength yang panjang, yaitu
menggunakan material yang memiliki bandgap rendah/sempit, atau menggunakan
bahan pyroelectric. Namun, dalam kenyataannya, bahan pyroelectric sering
digunakan untuk infrared detection karena harganya yang lebih murah.
BAB III
KESIMPULAN
3.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang bisa didapat dari materi mengenai respon dielektrik dan efek polarisasi
adalah sebagai berikut:
a. Terdapat beberapa sumber polarisasi pada material yaitu atomik, ionik, dipolar. Setiap
sumber memiliki frekuensi ketergantungan masing-masing. Pada frekuensi tinggi hanya
kontribusi elektrik yang penting
b. Respon Dielektrik menjelaskan bagaimana efek medan eksternal dimodifikasi dalam
benda padat karena efek polarisasi.
c. Beberapa material memiliki struktur ionik yang memungkinkan untuk memiliki struktur
yang stabil dengan polarisasi net pada medan nol. Hubungan antara polarisasi dengan
medan menunjukkan histeresis di bahan-bahan feroelektrik. Efek feroelektrik menghilang
di atas suhu (suhu Curie) yang ditentukan oleh sifat material.
d. Polarisasi dalam suatu material dipengaruhi oleh regangan. Sebaliknya, medan listrik
dapat menghasilkan regangan pada benda padat. Efek piezoelektrik dapat dimanfaatkan
untuk sensor regangan dan generasi suara
e. Perubahan suhu dapat mengubah polarisasi dalam bahan. Efek ini dapat dimanfaatkan
untuk pencitraan termal..
REFERENSI
Singh, Jasprit. 2005. Smart Electronic Materials Fundamental and Application. United
Kingdom: University Press, Cambridge
Recommended