i

KARAKTERISASI SIFAT FISIK, SIFAT OPTIK DAN SIFAT

LISTRIK KACA TZBPN

Disusun oleh :

ARUM LUVITA SARI

M0212019

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS ILMU MATEMATIKA DAN PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Oktober, 2016

2

HALAMAN PERSETUJUAN

SKRIPSI

KARAKTERISASI SIFAT FISIK, SIFAT OPTIK DAN SIFAT LISTRIK

KACA TZBPN

Oleh:

ARUM LUVITA SARI

M0212019

Telah disetujui oleh:

Pembimbing 1

Dra. Riyatun, M.Si Tanggal: …………………

NIP. 196802261994022001

Pembimbing 2

Drs. Hery Purwanto, M.Sc Tanggal: …………………

NIP. 195905181987031002

3

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi dengan judul : Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik, dan Sifat Listrik Kaca

TZBPN

Yang ditulis oleh :

Nama : Arum Luvita Sari

NIM : M0212019

Telah diuji di depang dewan penguji pada:

Hari : …………

Tanggal: …………

Dewan Penguji :

1. Ketua Penguji

Dr. Fuad Anwar, S.Si., M.Si. .......................................

NIP. 197006102000031001

2. Sekertaris Penguji

Drs. Suharyana, M.Sc .......................................

NIP. 196112171989031003

3. Anggota Penguji I

Dra. Riyatun, M.Si. .......................................

NIP. 196802261994022001

4. Anggota Penguji II

Drs. Hery Purwanto, M.Sc. .......................................

NIP. 195905181987031002

Disahkan pada tanggal ………..

Oleh

Ketua Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret Surakarta

Dr. Fahru Nurosyid S.Si.,M.Si

NIP. 197210132000031002

4

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul

“KARAKTERISASI SIFAT FISIK, SIFAT OPTIK, DAN SIFAT LISTRIK

KACA TZBPN “ adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini

Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain

atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di

Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah

dituliskan di daftar pustaka Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua

pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau

di fotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.

Surakarta, 3 Oktober 2016

ARUM LUVITA SARI

5

MOTTO

-Tiada ragu mengucap syukur, maaf, dan terima kasih-

-“Hai orang-orang yang beriman. Bersabarlah kamu dan kuatkanlah

kesabaranmu dan tetaplah bersiaga-siaga (diperbatasan negrimu)

dan bertaqwalah kepada Allah supaya kamu beruntung”-

(Q.S AL Imran: 200)

6

PERSEMBAHAN

To

- Apriarti Purwaningsih, Suprapto, Yoga Prakosa

Who always beside me, support me, and praying for me whereever

you are-

-all my bestfriend who always love me-

and

-and my physics science-

7

Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik, dan Sifat Listrik Kaca TZBPN

Arum Luvita Sari

Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Kaca merupakan jenis material padat yang mempunyai struktur amorf

Pada penelitian kaca tellurite difabrikasi dengan metode melt-quenching pada

suhu 900°C dengan komposisi 55TeO2- (41-x) ZnO-2Bi2O3-2PbO-xNa2O yang

disebut kaca TZBPN. Simbol x merupakan variasi komposisi dengan nilai x= 2,

2,5, 3, 3,5. Karakterisasi terhadap sifat kaca TZBPN dilakukan untuk mengetahui

nilai densitas, indeks bias, metalisasi, energi gap, energi urbach, polarisabilitas

elektronik ion oksida, basisitas, massa reduksi, rentang transmitansi, dan arus

yang dapat mengalir. Diperoleh nilai densitas (5,7776 - 6,1104) gr/cm3, indeks

bias (2,006 - 2,035), metalisasi (0,565 - 0,568), energi gap (3,14±0,05) –

(3,37±0,05) eV, energi urbach (0,12±0,13) – (0,27±0,11) eV, polarisabilitas ion

oksida (2,23-2,81) Å3, basisitas (0,922 – 1,07), massa reduksi (0,0364 – 0,0520)

gr, rentang UV-Vis edge (365,2-336,7) nm, rentang IR edge (6363,1 - 6563,4)

nm, dan arus (0 – 0,02) μA. Berdasarkan karakterisasi yang diperoleh disimpulkan

bahwa kaca TZBPN ditinjau dari sifat optik dan listriknya memiliki sifat sebagai

semikonduktor.

Kata kunci : densitas, tellurite, melt-quenching, energi gap.

8

Characterization of Physical Properties, Optical Properties and Electrical

Properties of TZBPN Glass

Arum Luvita Sari

Physics Department, Faculty of Matehmatics and Natural Sciences,

Sebelas Maret University

ABSTRACT Glass is a kind of solid material that has an amorphous structure research

tellurite glass fabricated by the melt-quenching method at 900 ° C with composition

55TeO2-(41-x) ZnO-2Bi2O3-2PbO-xNa2O called TZBPN glass. Symbol x is a

variation of the composition with x = 2, 2.5, 3, 3.5. Characterization of glass TZBPN

conducted to determine the value of density, refractive index, metallization, energy

gap, the energy urbach, electronic polarizability ion oxide, basisitas, mass reduction,

transmittance ranges, and the current can flow. Density values obtained (5.77768 to

6.11041) g / cm3, refractive index (2.006 to 2.035), the metallization (0.5656 to

0.5689), the energy gap (3.14 ± 0.05) - (3, 37 ± 0.05) eV, energy urbach (0.12 ± 0.13)

- (0.27 ± 0.11) eV, polarizability ion oxide (2.23 to 2.81) A3, basisitas (0.922 to 1 ,

07), the mass reduction (0,0364 – 0,0520) gr, the range of UV-Vis edge (365,2-

336,7) nm, range of IR edge (6363,1 - 6563,4) nm, and the current (0-0,02) μA.

Based on the characterization of the obtained glass TZBPN concluded that in terms of

the optical properties and electrical properties as a semiconductor.

Keywords: density, tellurite, melt-quenching, gap energi.

9

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat ALLAH SWT yang telah melimpahkan rahmat,

hidayah, inayah dan segala kenikmatan luar biasa banyaknya. Sholawat serta

salam semoga selalu tercurahkan kepada Nabi kita Muhammad SAW,

keluarganya, para sahabatnya dan umatnya yang selalu istiqomah dijalan

kebenaran.

Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan

gelar sarjana sains ini penulis beri judul “Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik

dan Sifat Listrik kaca TZBPN”. Terselesaikannya skripsi ini adalah suatu

kebanggaan dan kepuasan tersendiri bagi penulis. Setelah sekitar lebih dari satu

semester penulis harus berjuang untuk bisa menyelesaikan skripsi. Kepada

berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan skripsi ini penulis

mengucapkan terima kasih. Atas bantuannya yang sangat besar selama proses

pengerjaan skripsi ini, ucapan terima kasih secara khusus penulis sampaikan

kepada:

1. Ibu Dra. Riyatun, M.Si selaku pembimbing satu dan pembimbing akademik

yang telah memberikan bimbingan dan saran dalam menyelesaikan tugas akhir

penulis.

2. Bapak Drs. Hery Purwanto, M.Sc selaku pembimbing dua yang telah

memberikan bimbingan dalam menyelesaikan tugas akhir penulis.

3. Keluarga tercinta papa Suprapto, mama Apri, mas Yoga, adek Shofi dan

seluruh keluarga besar yang terus memberikan semangat dan motivasi penulis

untuk menyelesaikan tugas akhir.

4. Bapak dan Ibu dosen serta Staff di Program Studi Fisika FMIPA UNS yang

telah banyak memberikan ilmu tidak ternilai besarnya bagi penulis.

5. Keluarga selama merantau di Solo “Cemewew”, Aninda, Ira, Nita dan Dian

yang selalu menjadi saksi perjuangan selama merantau, thanks a lot guys for

everything has you did for me.

10

6. Saudaraku di Laboratorium Optics & Photonics Research Group (OPRG),

Dian Putri, Hali, Gitrin, Anin, mas Edi, Ega, Carol, teh Lita, ECP, mas Icas,

mas Aftah and so on.

7. Keluarga kedua dari jaman SMA “Ndologenkss”, Piti, Cun, Cam, Tante

makasih masih setia menemani selama 7 tahun ini, makasih support-nya,

makasih untuk tempat mengeluhnya, tempat berbagi suka duka, not a word

can describe you.

8. Asogy member keluarga selama merantau di Solo, Meri, Hali, teh Lita, Dita,

Cece, Hisan, dan semua mbak mbak adek adek.

9. Teman-teman Creativity oF physiCians (CFC) 2012 yang telah memberikan

motivasi bagi penulis.

Semoga ALLAH SWT membalas segala kebaikan yang telah diberikan.

Penulisan skripsi ini masih jauh dari sempurna, sehingga masukan dan

kritikan yang membangun, sangat penulis harapkan demi kedepan yang lebih baik

dan semoga bermanfaat.

Surakarta, 3 Oktober 2016

Penulis

11

PUBLIKASI

Sebagian skripsi saya yang berjudul “Karakterisasi Sifat Fisik, Sifat Optik, dan

Sifat Listrik kaca TZBPN” telah dipublikasikan pada Sebelas Maret University

Institutional Repository (UNS-IR), pada tanggal 29 September 2016, Universitas

Sebelas Maret Surakarta.

12

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL .................................................................................... i

HALAMAN PERSETUJUAN .................................................................... ii

HALAMAN PERNYATAAN ................................................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................... iv

HALAMAN MOTTO ..................................................................................v

HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................. vi

HALAMAN ABSTRAK ........................................................................... vii

HALAMAN ABSTRACT........................................................................ viii

KATA PENGANTAR................................................................................ ix

HALAMAN PUBLIKASI ......................................................................... xi

DAFTAR ISI ............................................................................................. xii

DAFTAR TABEL .................................................................................... xiv

DAFTAR GAMBAR .................................................................................xv

DAFTAR SIMBOL .................................................................................. xvi

DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................... xvii

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................1

1.1.Latar Belakang Masalah .........................................................................1

1.2.Batasan Masalah .....................................................................................3

1.3.Perumusan Masalah................................................................................3

1.4.Tujuan Penelitian....................................................................................3

1.5.Manfaat Penelitian..................................................................................4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................5

2.1.Teori Dasar Kaca ....................................................................................5

2.2.Fabrikasi Kaca ........................................................................................7

2.2.1.Melt Quenching Tecnique ( MQT ) ...................................... …7

2.2.2.Chemical Vapor Deposition (CVD) ........................................... 8

2.2.3.Sol-gel Proscess .......................................................................... 8

2.3.Kaca Tellurite .........................................................................................9

2.4.Karakteristik Kaca ................................................................................10

2.4.1.Indeks bias ............................................................................... 10

2.4.2.Pengukuran indeks bias dengan metode teori sudut Brewster

............................................................................................................ 12

2.4.3.Rapat massa (Densitas) ........................................................... 14

2.4.4.Absorbansi dan Transmitansi .................................................... 15

2.4.5.Karakteristik kaca pada gelombang UV-VIS ....................... 16

2.4.5.1.Energi gap ..................................................................... 16

2.4.6.Karakteristik kaca pada gelombang IR ................................ 18

2.4.7.Karakteristik kelistrikan kaca ............................................... 20

2.4.7.1.Polarisabilitas elektronik ion oksida dan basisitas ........ 21

BAB III METODE PENELITIAN .............................................................22

3.1.Tempat dan Waktu Penelitian ..............................................................22

3.2.Alat dan Bahan Penelitian ....................................................................22

13

3.2.1.Alat yang Digunakan dalam Penelitian ................................. 22

3.2.1.1.Alat Fabrikasi ................................................................ 22

3.2.1.2.Alat Karakterisasi ......................................................... 23

3.2.1.3.Bahan yang Digunakan dalam Penelitian ..................... 23

3.3.Prosedur Penelitian ...............................................................................24

3.3.1.Persiapan Alat dan Bahan ...................................................... 25

3.3.2.Fabrikasi Kaca......................................................................... 25

3.3.3.Karakterisasi Kaca .................................................................. 27

3.3.3.1.Pengukuran Densitas Kaca ........................................... 27

3.3.3.2.Pengukuran Indeks Bias Kaca ...................................... 27

3.3.3.3.Karakterisasi dengan Spektrometer UV-Vis ................ 28

3.3.3.4.Karakterisai dengan Spektrometer FTIR ...................... 28

3.3.3.5.Pengukuran Rentang Transmitansi ............................... 28

3.3.4.I-V meter .................................................................................. 29

3.3.5.Analisa ...................................................................................... 29

3.3.6.Kesimpulan .............................................................................. 29

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................37

4.1.Hasil Fabrikasi Kaca ............................................................................37

4.2.Karakterisasi Kaca................................................................................38

4.2.1.Sifat Fisik.…………………………………………..…………38

4.2.1.1.Densitas Kaca ….……………………………………..38

4.2.2.Sifat Optik…………..………..………………………………..39

4.2.2.1.Indeks Bias Kaca…………………..…………….……39

4.2.2.2.Metalisasi (M)…………………………………..……..43

4.2.2.3.Energi gap pada UV-Vis………………………………43

4.2.2.4.Polarisabilitas Elektronik Ion Oksida dan Basisitas

Optik…………………………………………………………..41

4.2.2.5.Transmitansi Kaca pada IR…………………………...48

4.2.2.5.1.Rentang Transmitansi……………………….50

4.2.2.6.Karakterisasi Kelistrikan Kaca………………………..53

BAB 5 PENUTUP ......................................................................................55

5.1.Kesimpulan...........................................................................................55

5.2.Saran .....................................................................................................56

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................57

LAMPIRAN ...............................................................................................60

14

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1. Indeks bias, indeks bias non-linier, dan range transmitansi

kaca pada kaca telurium, silika dan

fluoride…….………………………………………………. 10

Tabel 2.2. Posisi puncak spektrum FTIR...……………………........... 20

Tabel 3.1. Komposisi kaca TZBPN dalam mol %........………............ 26

Tabel 4.1. Densitas hasil perhitungan dan pengukuran...…................... 31

Tabel 4.2. Indeks bias perhitungan dan pengukuran...………............... 36

Tabel 4.3. Volume molar, refraksi molar dan metalisasi ..……............. 36

Tabel 4.4. Nilai Koefisien absorpsi sampel kaca K1, K2, K3,

K4………………………………………………………….. 38

Tabel 4.5. Egap perhitungan dan pengukuran kaca K1, K2, K3, dan

K4....……………………………………………………….. 40

Tabel 4.6. Energi Urbach sampel K1, K2, K3, dan K4..………............ 41

Tabel 4.7. Data Polarisabilitas pengukuran dan perhitungan................. 42

Tabel 4.8. Data basisitas optik berdasarkan indeks bias dan energi

gap...…………………………..……………........................ 43

Tabel 4.9. Pita wavenumber dengan transmitansi untuk sampel K1,

K2, K3, dan K4………………..……………….................... 45

Tabel 4.10. Massa reduksi dan frekuensi vibrasi sampel K1, K2, K3,

dan K4…………………...…………………….................... 46

Tabel 4.11. Rentang tranmitansi UV-VIS edge λ dan IR edge λ

...……………………………..………………….................. 46

15

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2. 1 Ilustrasi Bentuk Dua Dimensi dari Susunan Atom Kaca… 5

Gambar 2.2. Kurva pendinginan dalam pembentukan kaca dan Kristal... 6

Gambar 2.3. Skema proses pemantulan dan pembiasan pada (a) θp<

sudut Brewster (b) θp = sudut Brewster…………………... 11

Gambar 2.4. Hasil FTIR kaca TZ (TeO2 dan ZnO)……………..……… 19

Gambar 3.1. Diagram alir tahap eksperimen…………………..……… 24

Gambar 3. 2 Skema spektrometer metode Brewster Angel…………… 27

Gambar 4.1 Kaca TZBPN K1, K2, K3, dan K4……………..………… 31

Gambar 4.2 Pengukuran reflektansi Mode TE dan TM pada K1 dengan

rentang sudut 10°-70°……………..……………………… 33

Gambar 4.3 Pengukuran reflektansi Mode TE dan TM pada K1, (a)

rentang sudut 55° - 65°……………..……………………. 34

Gambar 4.4 Spektrum absorbansi pada kaca K1, K2, K3, K4 (a)

panjang gelombang (200-1100)…..……………..………… 37

Gambar 4.5 Grafik dan untuk indirect Band Gapsampel

kaca K1, K2, K3, dan K4…………………………………. 39

Gambar 4.6

Grafik dan untuk Urbach energi sampel K1............ 40

Gambar 4.7 (a) Spektrum transmisi IR hubungan transmitansi dengan

wavenumber pada sampel……………..………………… 44

Gambar 4.8 Karakterisasi kelistrikan kaca TZBPN sampel K1, K2, K3

dan K4…….……………..………………………………… 47

Gambar 5.1 Data arus dan tegangan kaca TZBPN sampel K1, K2, K3,

dan K4……………..……………………………………… 50

16

DAFTAR SIMBOL

Satuan

T = Suhu/temperatur °C

Tg = Suhu/temperatur transisi °C

Tm = Suhu/temperatur melted °C

Tf = Fictive Temperature °C

n = indeks bias

θ = sudut Derajat (°)

θ p = sudut polarisasi

r = koefisien reflektansi

Egap = Energi band gap eV

Rf = Reflektansi

T = Transmitansi %

E = Medan listrik V/m

B = Medan magnet Tesla

TE = Tranverse electric

TM = Transerve Magnetic

= Refraksi molar cm3/mol

= Volume molar cm3/mol

= Koefisien Absorbansi m-1

= Polarisabilitas molekul Å3

= Polarisabilitas kation Å3

= Polarisabilitas ion oksida Å3

= Densitas gr/cm3

m = Massa Kg

V = Volume cm3

A = Absorbansi

= Konstanta Planck Js

= Frekuensi Hz

= Panjang gelombang M

= Kecepatan cahaya m/s

= Massa reduksi Kg

It = Intensitas cahaya keluar

Io = Intensitas cahaya awal

t = Tebal medium M

= Basisitas

= kation oksida

= Ion oksida

= Bilangan Avogadro 6,022 × 1023

mol-1

= Energi Urbach eV

Vt = Tegangan Volt

I = Arus Ampere

17

R = Hambatan Ω

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1 Gambar alat dan bahan……………………………….. 55

Lampiran 2 Data massa masing-masing bahan dalam gram……… 58

Lampiran3 Data Pengukuran Densitas dengan Piknometer dan Data

Perhitungan Densitas…………………………………… 58

Lampiran 4 Data Pengukuran Indeks Bias Perhitungan…………… 59

Lampiran 5 Data Pengukuran Egap Perhitungan…………………… 61

Lampiran 6 Data Polarisabilitas Pengukuran dan Perhitungan……… 63

Lampiran 7 Data FTIR kaca TZBPN sampel K1, K2, K3 dan K4…… 63

Lampiran 8 Data Grafik Pengukuran Indeks Bias Tahap Pertama

hingga Ketiga………………………………………......... 64

Lampiran 9 Data Grafik Pengukuran Energi Urbach pada sampel K2,

K3, dan K4……………………………………………… 68

Lampiran 10 Data Pengukuran I-V meter pada kaca TZBPN sampel

K1, K2, K3, dan K4…………………………………….. 70