Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Ilmu dan teknologi bahan kristalin

7,367 views

Published on

  • Be the first to comment

Ilmu dan teknologi bahan kristalin

  1. 1. ILMU DAN TEKNOLOGI BAHAN BAB KRISTALIN22 februari 2013Ken AdityaMuhammad Andre GusnnovMisbah Thoyyibah
  2. 2. KRISTAL Kristal atau hablur adalah suatu padatan yang atom,molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara teratur danpolanya berulang melebar secara tiga dimensi. Secara umum,zat cair membentuk kristal ketika mengalami proses pemadatan.Pada kondisi ideal, hasilnya bisa berupa kristal tunggal, yangsemua atom-atom dalam padatannya "terpasang" pada kisiatau struktur kristal yang sama, tapi, secara umum, kebanyakankristal terbentuk secara simultan sehingga menghasilkanpadatan polikristalin. Misalnya, kebanyakan logam yang kitatemui sehari-hari merupakan polikristal.Struktur kristal mana yang akan terbentuk dari suatu cairantergantung pada kimia cairannya sendiri, kondisi ketika terjadipemadatan, dan tekanan ambien. Proses terbentuknya strukturkristalin dikenal sebagai kristalisasi. Meski proses pendinginan sering menghasilkan bahankristalin, dalam keadaan tertentu cairannya bisa membekudalam bentuk non-kristalin. Dalam banyak kasus, ini terjadikarena pendinginan yang terlalu cepat sehingga atom-atomnya tidak dapat mencapai lokasi kisinya. Suatu bahan non-kristalin biasa disebut bahan amorf atau seperti gelas.Terkadang bahan seperti ini juga disebut sebagai padatanamorf, meskipun ada perbedaan jelas antara padatan dangelas. Proses pembentukan gelas tidak melepaskan kalor leburjenis (Bahasa Inggris: latent heat of fusion). Karena alasan inibanyak ilmuwan yang menganggap bahan gelas sebagaicairan, bukan padatan. Topik ini kontroversial, silakan lihat gelasuntuk pembahasan lebih lanjut. Struktur kristal terjadi pada semua kelas material, dengansemua jenis ikatan kimia. Hampir semua ikatan logam ada padakeadaan polikristalin; logam amorf atau kristal tunggal harus
  3. 3. diproduksi secara sintetis, dengan kesulitan besar. Kristal ikatanion dapat terbentuk saat pemadatan garam, baik dari lelehancairan maupun kondensasi larutan. Kristal ikatan kovalen jugasangat umum. Contohnya adalah intan, silika dan grafit.Material polimer umumnya akan membentuk bagian-bagiankristalin, namun panjang molekul-molekulnya biasanyamencegah pengkristalan menyeluruh. Gaya Van der Waalslemah juga dapat berperan dalam struktur kristal. Contohnya,jenis ikatan inilah yang menyatukan lapisan-lapisan berpolaheksagonal pada grafit.Kebanyakan material kristalin memiliki berbagai jenis cacatkristalografis. Jenis dan struktur cacat-cacat tersebut dapatberefek besar pada sifat-sifat material tersebut. Galium, logam yang dengan mudah membentuk kristaltunggal berukuran besar. Meskipun istilah "kristal" memiliki maknayang sudah ditentukan dalam ilmu material dan fisika zat padat,dalam kehidupan sehari-hari "kristal" merujuk pada benda padatyang menunjukkan bentuk geometri tertentu, dan kerap kalisedap di mata. Berbagai bentuk kristal tersebut dapatditemukan di alam. Bentuk-bentuk kristal ini bergantung padajenis ikatan molekuler antara atom-atom untuk menentukanstrukturnya, dan juga keadaan terciptanya kristal tersebut.Bunga salju, intan, dan garam dapur adalah contoh-contohkristal.Beberapa material kristalin mungkin menunjukkan sifat-sifatelektrik khas, seperti efek feroelektrik atau efek piezoelektrik.Kelakuan cahaya dalam kristal dijelaskan dalam optika kristal.Dalam struktur dielektrik periodik serangkaian sifat-sifat optis unikdapat ditemukan seperti yang dijelaskan dalam kristal fotonik.Kristalografi adalah studi ilmiah kristal dan pembentukannya.
  4. 4. Macam-macam kristal logam ionik molekular kovalen Li 38 LiF 246,7 Ar 1,56 C(intan) 170 Ca 42 NaCl 186,2 Xe 3,02 Si 105 Al 77 AgCl 216 Cl 4,88 SiO2 433 Fe 99 Zn 964 CO2 6,03 W 200 CH4 1,96Nilai yang tercantum di atas adalah energi yang diperlukanuntuk memecah kristal menjadi partikel penyusunnya (atom, ion,atau molekul (dalam kkal mol-1))a. Kristal logam Kisi kristal logam terdiri atas atom logam yang terikatdengan ikatan logam. Elektron valensi dalam atom logammudah dikeluarkan (karena energi ionisasinya yang kecil)menghasilkan kation. Bila dua atom logam saling mendekat,orbital atom terluarnya akan tumpang tindih membentuk orbitalmolekul. Bila atom ketiga mendekati kedua atom tersebut,interaksi antar orbitalnya terjadi dan orbital molekul baruterbentuk. Jadi, sejumlah besar orbital molekul akan terbentukoleh sejumlah besar atom logam, dan orbital molekul yangdihasilkan akan tersebar di tiga dimensi. Karena orbital atombertumpangtindih berulang-ulang, elektron-elektron di kulitterluar setiap atom akan dipengaruhi oleh banyak atom lain.Elektron semacam ini tidak harus dimiliki oleh atom tertentu,tetapi akan bergerak bebas dalam kisi yang dibentuk olehatom-atom ini. Jadi, elektron-elektron ini disebut denganelektron bebas.
  5. 5. Sifat-sifat logam yang bemanfaat seperti kedapat-tempa-annya,hantaran listrik dan panas serta kilap logam dapat dihubungkandengan sifat ikatan logam. Misalnya, logam dapatmempertahankan strukturnya bahkan bila ada deformasi. Hal inikarena ada interaksi yang kuat di berbagai arah antara atom(ion) dan elektron bebas di sekitarnyaLogam akan terdeformasi bila gaya yang kuat diberikan, tetapi logam tidak akan putus. Sifat ini karena interaksiyang kuat antara ion logam dan elektron bebas. Tingginya hantaran panas logam dapat juga dijelaskan dengan elektron bebas ini. Bila salah satu ujunglogam dipanaskan, energi kinetik elektron sekitar ujung itu akan meningkat. Peningkatan energi kinetik dengancepat ditransfer ke elektron bebas. Hantaran listrik dijelaskan dengan cara yang sama. Bila beda tegangandiberikan pada kedua ujung logam, elektron akan mengalir ke arah muatan yang positif. Kilap logam diakibatkan oleh sejumlah besar orbital molekul kristal logam. Karena sedemikian banyakorbital molekul, celah energi antara tingkat-tingkat energi itu sangat kecil. Bila permukaan logam disinari,elektron akan mengabsorbsi energi sinar tersebut dan tereksitasi. Akibatnya, rentang panjang gelombangcahaya yang diserap sangat lebar. Bila elektron yang tereksitasi melepaskan energi yang diterimanya dankembali ke keadaan dasar, cahaya dengan rentang panjang gelombang yang lebar akan dipancarkan, yang akankita amati sebagai kilap logam.
  6. 6. b. Kristal ionik Kristal ionik semacam natrium khlorida (NaCl) dibentuk oleh gaya tarik antaraion bermuatan positif dan negatif. Kristal ionik biasanya memiliki titik leleh tinggo danhantaran listrik yang rendah. Namun, dalam larutan atau dalam lelehannya, kristalionik terdisosiasi menjadi ion-ion yang memiliki hantaran listrik. Biasanya diasumsikanbahwa terbentuk ikatan antara kation dan anion. Dalam kristal ion natrium khlorida,ion natrium dan khlorida diikat oleh ikatan ion. Berlawanan dengan ikatan kovalen,ikatan ion tidak memiliki arah khusus, dan akibatnya, ion natrium akan berinteraksidengan semua ion khlorida dalam kristal, walaupun intensitas interaksi beragam.Demikian juga, ion khlorida akan berinteraksi dengan semua ion natrium dalam kristal. Susunan ion dalam kristal ion yang paling stabil adalah susunan dengan jumlahkontak antara partikel bermuatan berlawanan terbesar, atau dengan kata lain,bilangan koordinasinya terbesar. Namun, ukuran kation berbeda dengan ukurananion, dan akibatnya, ada kecenderungan anion yang lebih besar akan tersusunterjejal, dan kation yang lebih kecil akan berada di celah antar anion. Dalam kasus natrium khlorida, anion khlorida (jari-jari 0,181 nm) akan membentuksusunan kisi berpusat muka dengan jarak antar atom yang agak panjang sehinggakation natrium yang lebih kecil (0,098 nm) dapat dengan mudah diakomodasi dalamruangannya . Setiap ion natrium dikelilingi oleh enam ion khlorida (bilangan koordinasi= 6). Demikian juga, setiap ion khlorida dikelilingi oleh enam ion natrium (bilangankoordinasi = 6) Masing-masing ion dikelilingi oleh enam ion yang muatannya berlawanan. Struktur ini bukan struktur terjejal.
  7. 7. Dalam cesium khlorida, ion cesium yang lebih besar (0,168nm) dari ion natriumdikelilingi oleh 8 ion khlorida membentuk koordinasi 8:8. Ion cesium maupun khloridaseolah secara independen membentuk kisi kubus sederhana, dan satu ion cesiumterletak di pusat kubus yang dibentuk oleh 8 ion klorida. Jelas bahwa struktur kristal garam bergantung pada rasio ukuran kation dananion. Bila rasio (jarijari kation)/(jari-jari anion) (rC/rA) lebih kecil dari nilai rasio di natriumkhlorida, bilangan koordinasinya akan lebih kecil dari enam. Dalam zink sulfida, ionzink dikelilingi hanya oleh empat ion sulfida. Masalah ini dirangkumkan di tabel Rasio jari-jari kation rC dan anion rA dan bilangan koordinasi.Rasio jari-jari rC/rA Bilangan koordinasi contoh0,225-0,414 4 ZnS0,414-0,732 6 Sebagian besar halida logam alkali>0,732 8 CsCl, CsBr, CsI
  8. 8. c. Kristal Molekular Kristal dengan molekul terikat oleh gaya antarmolekul semacam gaya van derWaals disebut dengan kristal molekul. Kristal yang didiskusikan selama ini tersusun atassuatu jenis ikatan kimia antara atom atau ion. Namun, kristal dapat terbentuk, tanpabantuan ikatan, tetapi dengan interaksi lemah antar molekulnya. Bahkan gas muliamengkristal pada temperatur sangat rendah. Argon mengkristal dengan gaya vander Waaks, dan titik lelehnya -189,2°C. Padatan argon berstruktur kubus terjejal. Molekul diatomik semacam iodin tidak dapat dianggap berbentuk bola.Walaupun tersusun teratur di kristal, arah molekulnya bergantian). Namun, karenastrukturnya yang sederhana, permukaan kristalnya teratur. Ini alasannyamengapakristal iodin memiliki kilap. Struktur kristal iodin. Strukturnya berupa kisi ortorombik berpusat muka. Molekul di pusat setiap muka ditandai dengan warna lebih gelap. Polapenyusunan kristal senyawa organik dengan struktur yang lebih rumit telah diselidikidengan analisis kristalografi sinar-X. Bentuk setiap molekulnya dalam banyak kasusmirip atau secara esensi identik dengan bentuknya dalam fasa gas atau dalamlarutan.
  9. 9. d. Kristal Kovalen Banyak kristal memiliki struktur mirip molekul-raksasa atau mirip polimer. Dalamkristal seperti ini semua atom penyusunnya (tidak harus satu jenis) secara berulangsaling terikat dengan ikatan kovelen sedemikian sehingga gugusan yang dihasilkannampak dengan mata telanjang. Intan adalah contoh khas jenis kristal seperti ini, dankekerasannya berasal dari jaringan kuat yang terbentuk oleh ikatan kovalen orbitalatom karbon hibrida sp3 (Gambar 8.12). Intan stabil sampai 3500°C, dan padatemperatur ini atau di atasnya intan akan menyublim. Kristal semacam silikon karbida (SiC)n atau boron nitrida (BN)n memiliki strukturyang mirip dengan intan. Contoh yang sangat terkenal juga adalah silikon dioksida(kuarsa; SiO2) (Gambar 8.13). Silikon adalah tetravalen, seperti karbon, dan mengikatempat atom oksigen membentuk tetrahedron. Setiap atom oksigen terikat padaatom silikon lain. Titik leleh kuarsa adalah 1700 °C.Struktur kristal intan
  10. 10. Sudut ∠C-C-C adalah sudut tetrahedral, dan setiap atom karbon dikelilingi oleh empat atom karbon lain. Struktur kristal silikon dioksida Bila atom oksigen diabaikan, atom silikon akan membentuk struktur mirip intan. Atom oksigen berada di antara atom-atom silikon.e. Kristal cair Kristal memiliki titik leleh yang tetap, dengan kata laun, kristal akanmempertahankan temperatur dari awal hingga akhir proses pelelehan. Sebaliknya,titik leleh zat amorf berada di nilai temperatur yang lebar, dan temperatur selamaproses pelelehan akan bervariasi. Terdapat beberapa padatan yang berubah menjadi fasa cairan buram padatemperatur tetap tertentu yang disebut temperatur transisi sebelum zat tersebutakhirnya meleleh. Fasa cair ini memiliki sifat khas cairan seperti fluiditas dantegangan permukaan. Namun, dalam fasa cair, molekul-molekul pada derajattertentu mempertahankan susunan teratur dan sifat optik cairan ini agak dekat
  11. 11. dengan sifat optik kristal. Material seperti ini disebut dengan kristal cair. Molekulyang dapat menjadi kristal cair memiliki fitur struktur umum, yakni molekul-molekul ini memiliki satuan struktural planar semacam cincin benzen. Di Gambar,ditunjukkan beberapa contoh ristal cair. Beberapa contoh kristal cair Dalam kristal-kristal cair ini, dua cincin benzen membentuk rangka planar. Terdapat tiga jenis kristal cair: smektik, nematik, dan kholesterik.Hubungan struktural antara kristal padat-smektik, nematik dan kholesterik secara skematik ditunjukkan diKristal cair digunakan secara luas untuk tujuan praktis semacam layar TV atau jam tangan.
  12. 12. Keteraturan dalam kristal cair. Keteraturan adalm kristal adalah tiga dimensi. Dalam kristal cair smektik dapat dikatakan keteraturannya di dua dimensi, dan di nematik satu dimensi. T adalah temperatur transisi. STRUKTUR KRISTAL Struktur Kristal Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi. Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus memenuhi adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasi susunan atom- atom. Secara ideal, susunan polihedra koordinasi paling stabil adalah yang memungkinkan terjadinya energi per satuan volume yang minimum. Keadaan tersebut dicapai jika:(1) kenetralan listrik terpenuhi,(2) ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi,(3) gaya tolak ion-ion menjadi minimal,(4) susunan atom serapat mungkin. Kisi Ruang Bravais Dan Susunan Atom Pada Kristal Kisi ruang (space lattice) adalah susunan titik-titik dalam ruang tiga dimensi dimana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yangserupa itu disebutsimpul kisi (lattice points). Simpul kisi dapat disusun hanya dalam 14 susunan yang berbeda, yang disebut kisi-kisi Bravais. Jika atom-atom dalam kristal membentuk susunan teratur yang berulang maka atom-atom dalam kristal haruslah tersusun dalam salah satu dari 14 bentuk kisi-kisi tersebut. Perlu dicatat bahwa setiap simpul kisi bisa ditempati oleh lebih dari satu atom, dan atom atau kelompok atom yang menempati tiap-tiap simpul kisi haruslah identik dan memiliki orientasi sama sesuai dengan pengertian simpul kisi. Karena kristal yang sempurna merupakan susunan atom secara teratur dalam kisi ruang, maka susunan atom tersebut dapat dinyatakan secara lengkap dengan menyatakan posisi atom dalam suatu kesatuan yang berulang. Kesatuan yang berulang di dalam kisi ruang itu disebut sel unit(unit cell). Jika posisi atom dalam padatan dapat dinyatakan dalam sel unit ini, maka sel unit itu merupakan sel unit struktur kristal. Rusuk dari suatu sel unit dalam struktur kristal haruslah merupakan translasi kisi, yaitu vektor yang menghubungkan dua simpul kisi.
  13. 13. Sistem Sumbu (axes) Sudut sumbu (axial angles) Kubik a = b = c a = b = g = 900 Tetragonal a = b ¹ c a = b = g = 900 Ortorombik a ¹ b ¹ c a = b = g = 900 Monoklinik a ¹ b ¹ c a - g - 900 ¹ b Triklinik a ¹ b ¹ c a ¹ b ¹ g = 900 Hexagonal a = a ¹ c a = b = 900 ; g = 1200 Rombohedral a = b = c a = b = g ¹ 900BIDANG KRISTALBidang kristal adalah bidang-bidang atom dalam suatu kisi kristal. Arah ^ (tegak lurus) bidang kristal disebutsebagai arah kristal.Suatu kristal tentunya memiliki bidang-bidang atom yang mempenga-ruhi sifat dan perilaku bahan. Baikbidang, maupun arah bidang dinyatakan dalam 3 angka yang disebut sebagai indeks miller .Untuk membedakannya, maka :a. Untuk arah bidang digunakan simbol atau lambang [ h, k, l ]Contoh : [ 1, 1, 1 ]b. Untuk bidang kristal digunakan lambang ( h, k, l ) Contoh : ( 1, 1, 1 )
  14. 14. Bidang kisi yang paling mudah digambarkan adalah bidang-bidang yang membatasi sel satuan di sampingbidang lainnya. h, k, l, tersebut adalah bilang-bilangan bulat seperti 0, 1, 2, 3, dan seterusnya yang dapatditentukan dengan cara sebagai berikut :1. Tentukan panjang perpotongan bidang kristal terhadap ketiga sumbukristal misalnya x1, y1 , z1. x1, y1 dan z1 dinyatakan dalam kelipatan besaran-besaran sel satuan a, b,dan c. Contoh : x1 = p1 a y1 = p2 b z1 = p3 c.2. Ketiga nilai p1 , p2 dan p3 dapat dikalikan/dibagi dengan faktor yang sama untuk memberikan bilang-bilangan integer terkecil (tentukan dulu kebalikannya !)Contoh :Bidang yang diarsir memotong sumbu x, y, z masing-masing di a, 2b , dan 2/3c . Untuk satu unit sel makabidang tersebut berpotongan di 1, 2, 2/3. Kebalikannya : 1,1/2, dan 3/2.
  15. 15. Indeks Miller h, k, l dapat dikalikan Receprocal dengan bilangan yang memberikan bilangan bulat terkecil yaitudengan 2. Sehingga bidangnya menjadi 213 ; Jadi bilangan tersebut (2, 1, 3).Catatan:Indeks Miller adalah kebalikan dari perpotongan suatu bidang dgn ke-tiga sumbu x,y dan z yang dinyatakandalam bilangan utuh bukan pecahan. Indeks miller yang biasanya bertanda negative (-) berartimenunjukkan bidang pada arah tertentu, (misalnya perpotongan tsb ada di + ½, + ½ dan – 1/3 makareceprocalnya 2, 1, dan –3).Maka bidang dengan indeks Miller semacam ini ditulis (2, 1, 3).Family bidang adalah sekelompok bidang memiliki karakteristik yang sama tetapi memiliki indeks Millerr yangberbeda satu dengan lainnya.Misalkan : notasi untuk family bidangnya adalah {1 1 0}, maka bidang-bidangnya adalah : (1, 1, 0), (1, 0, 1),(0, 1, 1), (1, 1, 0), (1, 1, 0)DENSITAS BIDANG DAN DENSITAS GARISDensitas bidang atau Planar Density (PD) adalah fraksi bidang kristal yang ditempati oleh atom-atom kristal.Sedangkan densitas garis atau Linier Density (LD) adalah fraksi garis sepanjang arah kristal yang melewatipusat-pusat atom.
  16. 16. Kristalografi Sistem Kristal1. Sistem IsometrikSistem ini juga disebut sistem kristal regular, atau dikenal pula dengan sistemkristal kubus atau kubik. Jumlah sumbu kristalnya ada 3 dan saling tegak lurus satudengan yang lainnya. Dengan perbandingan panjang yang sama untuk masing-masing sumbunya. Pada kondisi sebenarnya, sistem kristal Isometrik memiliki axial ratio(perbandingan sumbu a = b = c, yang artinya panjang sumbu a sama dengan sumbub dan sama dengan sumbu c. Dan juga memiliki sudut kristalografi α = β = γ = 90˚.Hal ini berarti, pada sistem ini, semua sudut kristalnya ( α , β dan γ ) tegak lurus satusama lain (90˚). Gambar 1 Sistem Isometrik Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistemIsometrik memiliki perbandingan sumbu a : b : c = 1 : 3 : 3. Artinya, pada sumbu aditarik garis dengan nilai 1, pada sumbu b ditarik garis dengan nilai 3, dan sumbu cjuga ditarik garis dengan nilai 3 (nilai bukan patokan, hanya perbandingan). Dansudut antar sumbunya a+^bˉ = 30˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbu a+memiliki nilai 30˚ terhadap sumbu bˉ.Sistem isometrik dibagi menjadi 5 Kelas :TetaoidalGyroidaDiploidaHextetrahedralHexoctahedral
  17. 17. Beberapa contoh mineral dengan system kristal Isometrik ini adalah gold, pyrite,galena, halite, Fluorite (Pellant, chris: 1992)2. Sistem Tetragonal Sama dengan system Isometrik, sistem kristal ini mempunyai 3 sumbu kristalyang masing-masing saling tegak lurus. Sumbu a dan b mempunyai satuan panjangsama. Sedangkan sumbu c berlainan, dapat lebih panjang atau lebih pendek. Tapipada umumnya lebih panjang.Pada kondisi sebenarnya, Tetragonal memiliki axial ratio (perbandingan sumbu) a = b≠ c , yang artinya panjang sumbu a sama dengan sumbu b tapi tidak sama dengansumbu c. Dan juga memiliki sudut kristalografi α = β = γ = 90˚. Hal ini berarti, padasistem ini, semua sudut kristalografinya ( α , β dan γ ) tegak lurus satu sama lain(90˚). Gambar 2 Sistem Tetragonal Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistem kristalTetragonal memiliki perbandingan sumbu a : b : c = 1 : 3 : 6. Artinya, pada sumbu aditarik garis dengan nilai 1, pada sumbu b ditarik garis dengan nilai 3, dan sumbu cditarik garis dengan nilai 6 (nilai bukan patokan, hanya perbandingan). Dan sudutantar sumbunya a+^bˉ = 30˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbu a+ memilikinilai 30˚ terhadap sumbu bˉ.Sistem tetragonal dibagi menjadi 7 kelas:PiramidBipiramidBisfenoidTrapezohedralDitetragonal PiramidSkalenohedralDitetragonal BipiramidBeberapa contoh mineral dengan sistem kristal Tetragonal ini adalah rutil, autunite,pyrolusite, Leucite, scapolite (Pellant, Chris: 1992)
  18. 18. 3. Sistem Hexagonal Sistem ini mempunyai 4 sumbu kristal, dimana sumbu c tegak lurus terhadapketiga sumbu lainnya. Sumbu a, b, dan d masing-masing membentuk sudut 120˚terhadap satu sama lain. Sambu a, b, dan d memiliki panjang sama. Sedangkanpanjang c berbeda, dapat lebih panjang atau lebih pendek (umumnya lebih panjang). Pada kondisi sebenarnya, sistem kristal Hexagonal memiliki axial ratio(perbandingan sumbu) a = b = d ≠ c , yang artinya panjang sumbu a sama dengansumbu b dan sama dengan sumbu d, tapi tidak sama dengan sumbu c. Dan jugamemiliki sudut kristalografi α = β = 90˚ ; γ = 120˚. Hal ini berarti, pada sistem ini,sudut α dan β saling tegak lurus dan membentuk sudut 120˚ terhadap sumbu γ. Gambar 3 Sistem Hexagonal Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistemHexagonal memiliki perbandingan sumbu a : b : c = 1 : 3 : 6. Artinya, pada sumbu aditarik garis dengan nilai 1, pada sumbu b ditarik garis dengan nilai 3, dan sumbu cditarik garis dengan nilai 6 (nilai bukan patokan, hanya perbandingan). Dan sudutantar sumbunya a+^bˉ = 20˚ ; dˉ^b+= 40˚. Hal ini menjelaskan bahwa antarasumbu a+ memiliki nilai 20˚ terhadap sumbu bˉ dan sumbu dˉ membentuk sudut40˚ terhadap sumbu b+.Sistem ini dibagi menjadi 7:Hexagonal PiramidHexagonal BipramidDihexagonal PiramidDihexagonal BipiramidTrigonal BipiramidDitrigonal BipiramidHexagonal Trapezohedral
  19. 19. Beberapa contoh mineral dengan sistem kristal Hexagonal ini adalah quartz,corundum, hematite, calcite, dolomite, apatite. (Mondadori, Arlondo. 1977)4. Sistem Trigonal Jika kita membaca beberapa referensi luar, sistem ini mempunyai nama lainyaitu Rhombohedral, selain itu beberapa ahli memasukkan sistem ini kedalam sistemkristal Hexagonal. Demikian pula cara penggambarannya juga sama. Perbedaannya,bila pada sistem Trigonal setelah terbentuk bidang dasar, yang terbentuk segienam,kemudian dibentuk segitiga dengan menghubungkan dua titik sudut yang melewatisatu titik sudutnya. Pada kondisi sebenarnya, Trigonal memiliki axial ratio (perbandingan sumbu) a= b = d ≠ c , yang artinya panjang sumbu a sama dengan sumbu b dan sama dengansumbu d, tapi tidak sama dengan sumbu c. Dan juga memiliki sudut kristalografi α =β = 90˚ ; γ = 120˚. Hal ini berarti, pada sistem ini, sudut α dan β saling tegak lurusdan membentuk sudut 120˚ terhadap sumbu γ. Gambar 4 Sistem Trigonal Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistem kristalTrigonal memiliki perbandingan sumbu a : b : c = 1 : 3 : 6. Artinya, pada sumbu aditarik garis dengan nilai 1, pada sumbu b ditarik garis dengan nilai 3, dan sumbu cditarik garis dengan nilai 6 (nilai bukan patokan, hanya perbandingan). Dan sudutantar sumbunya a+^bˉ = 20˚ ; dˉ^b+= 40˚. Hal ini menjelaskan bahwa antarasumbu a+ memiliki nilai 20˚ terhadap sumbu bˉ dan sumbu dˉ membentuk sudut40˚ terhadap sumbu b+.Sistem ini dibagi menjadi 5 kelas:Trigonal piramidTrigonal TrapezohedralDitrigonal PiramidDitrigonal SkalenohedralRombohedralBeberapa contoh mineral dengan sistem kristal Trigonal ini adalah tourmalinedancinabar (Mondadori, Arlondo. 1977)
  20. 20. 5. Sistem Orthorhombik Sistem ini disebut juga sistem Rhombis dan mempunyai 3 sumbu simetri kristalyang saling tegak lurus satu dengan yang lainnya. Ketiga sumbu tersebut mempunyaipanjang yang berbeda.Pada kondisi sebenarnya, sistem kristal Orthorhombik memiliki axial ratio(perbandingan sumbu) a ≠ b ≠ c , yang artinya panjang sumbu-sumbunya tidak adayang sama panjang atau berbeda satu sama lain. Dan juga memiliki sudutkristalografi α = β = γ = 90˚. Hal ini berarti, pada sistem ini, ketiga sudutnya salingtegak lurus (90˚). Gambar 5 Sistem Orthorhombik Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistemOrthorhombik memiliki perbandingan sumbu a : b : c = sembarang. Artinya tidak adapatokan yang akan menjadi ukuran panjang pada sumbu-sumbunya pada sistem ini.Dan sudut antar sumbunya a+^bˉ = 30˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbua+ memiliki nilai 30˚ terhadap sumbu bˉ.Sistem ini dibagi menjadi 3 kelas:BisfenoidPiramidBipiramidBeberapa contoh mineral denga sistem kristal Orthorhombik ini adalah stibnite,chrysoberyl, aragonite dan witherite (Pellant, chris. 1992)6. Sistem Monoklin Monoklin artinya hanya mempunyai satu sumbu yang miring dari tiga sumbuyang dimilikinya. Sumbu a tegak lurus terhadap sumbu n; n tegak lurus terhadapsumbu c, tetapi sumbu c tidak tegak lurus terhadap sumbu a. Ketiga sumbu tersebut
  21. 21. mempunyai panjang yang tidak sama, umumnya sumbu c yang paling panjang dansumbu b paling pendek. Pada kondisi sebenarnya, sistem Monoklin memiliki axial ratio (perbandingansumbu) a ≠ b ≠ c , yang artinya panjang sumbu-sumbunya tidak ada yang samapanjang atau berbeda satu sama lain. Dan juga memiliki sudut kristalografi α = β =90˚ ≠ γ. Hal ini berarti, pada ancer ini, sudut α dan β saling tegak lurus (90˚),sedangkan γ tidak tegak lurus (miring). Gambar 6 Sistem Monoklin Pada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, sistem kristalMonoklin memiliki perbandingan sumbu a : b : c = sembarang. Artinya tidak adapatokan yang akan menjadi ukuran panjang pada sumbu-sumbunya pada sistem ini.Dan sudut antar sumbunya a+^bˉ = 30˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbua+ memiliki nilai 45˚ terhadap sumbu bˉ.Sistem Monoklin dibagi menjadi 3 kelas:SfenoidDomaPrismaBeberapa contoh mineral dengan ancer kristal Monoklin ini adalah azurite, malachite,colemanite, gypsum, dan epidot (Pellant, chris. 1992)7. Sistem Triklin Sistem ini mempunyai 3 sumbu simetri yang satu dengan yang lainnya tidaksaling tegak lurus. Demikian juga panjang masing-masing sumbu tidak sama.Pada kondisi sebenarnya, sistem kristal Triklin memiliki axial ratio (perbandingansumbu) a ≠ b ≠ c , yang artinya panjang sumbu-sumbunya tidak ada yang samapanjang atau berbeda satu sama lain. Dan juga memiliki sudut kristalografi α = β ≠ γ≠ 90˚. Hal ini berarti, pada system ini, sudut α, β dan γ tidak saling tegak lurus satudengan yang lainnya.
  22. 22. Gambar 7 Sistem TriklinPada penggambaran dengan menggunakan proyeksi orthogonal, Triklin memilikiperbandingan sumbu a : b : c = sembarang. Artinya tidak ada patokan yang akanmenjadi ukuran panjang pada sumbu-sumbunya pada sistem ini. Dan sudut antarsumbunya a+^bˉ = 45˚ ; bˉ^c+= 80˚. Hal ini menjelaskan bahwa antara sumbu a+memiliki nilai 45˚ terhadap sumbu bˉ dan bˉ membentuk sudut 80˚ terhadap c+.Sistem ini dibagi menjadi 2 kelas:PedialPinakoidalBeberapa contoh mineral dengan ancer kristal Triklin ini adalah albite, anorthite,labradorite, kaolinite, microcline dan anortoclase (Pellant, chris. 1992)Karakteristik gejala polimorfisme Polimorfisme dalam ilmu material adalah kemampuan suatu benda padatmemiliki lebih dari satu bentuk atau struktur kristal.Polimorf memiliki kestabilanyang berbeda dan dapat terkonversi secara spontan dari bentuk metastabil(bentuk tidak stabil) ke bentuk stabil terbentuk pada suhu tertentu. Mereka jugamenunjukkan perbedaan titik leleh , kelarutan, dan pola difraksi sinar-X. Selainperubahan suhu, struktur kristal berubah dengan adanya perubahan tekanan.Perubahan bentuk kristal disertai dengan perubahan densitas, perubahan bilanganoksidasi, perubahan warna serta perubahan data elektrokimia (energi bebas).Beberapa contoh padatan yang mengalami polimorfisme, antara lain :Logam Uranium dapat menjadi 3 bentuk struktur kristal berbeda. Tiap strukturmemiliki fasa yang spesifik, seperti pada gambar di bawah ini.
  23. 23. 1. Fasa alfa, pada temperature ruangan sampai 663°C2. Fasa beta, pada suhu 663°C hingga 764°C3. Fasa beta, pada suhu 764°C hingga titik lelehnya, yaitu 1133°CLogam besi memiliki beberapa bentuk kristal. Perubahan suhu dan tekananmempengaruhi perubahan bentuk kristal besi. Hal tersebut dapat diamati padadiagram di bawah ini :Keterangan (pada tekanan 1 bar)• ferit (besi alpha) - terbentuk di bawah 1043 K (titik Curie, Tc); besi menjadimagnet dalam bentuk alfa (BCC)• Fasa beta – terbentuk di bawah 1185 K ; strukrtur kristal BCC• Fasa gamma - formulir di bawah 1667 K; struktur kristal FCC• Fasa delta - terbentuk dari pendinginan besi cair di bawah 1811 K ; strukturkristal BCCCiri dari padatan yang dapat mengalami polymorfisme, antara lain: Polimorf memiliki kestabilan yang berbeda dan spontan dapat mengkonversidari bentuk metastabil (atau termodinamika bentuk tidak stabil) ke stabilterbentuk pada suhu tertentu. Menurut aturan Gibbs dari kesetimbangan fasa,fasa kristalin yang unik ini akan tergantung pada variabel intensif seperti tekanandan temperatur. Polimorfisme berpotensi dapat ditemukan dalam bahan-bahankristalin, termasuk polimer , mineral , dan logam , dan berhubungan denganallotropy , yang mengacu pada unsur padat. Dalam hal termodinamika , ada dua jenis polimorfisme. Untuk sistemmonotropic, sebuah plot energi bebas dari berbagai polimorf terhadap suhu tidak
  24. 24. akan terlewati sebelum polimorf meleleh seluruhnya. Dengan kata lain, setiaptransisi dari satu polimorf menjadi polimorf lainnya akan ireversibel. Untuk sistemenantiotropic, sebuah plot energi bebas terhadap suhu menunjukkan titikpersimpangan (crossing point) sebelum berbagai titik leleh, dan dimungkinkanuntuk konversi secara reversibel antara dua polimorf pada pemanasan danpendinginan.Suatu elemen yang mengalami perubahan bentuk kristal disertai denganperubahan energi yang kecil pada data termokimianya (energi bebas).CACAT PADA KRISTAL Terdapat beberapa jenis cacat Kristal pada susunan atom dalam Kristal. Kitaperlu ketahui bahwa kehadiran cacat Kristal yang sedikit memiliki pengaruh yangsangat besar dalam menentukan sifat suatu bahan dan pengaturan cacat sangatpenting dalam pemrosesan bahan. Contoh relevansi cacat Kristal dalam kehidupan pada umumnya dan dalambahan pada khususnya yaitu, ketika kita membeli cincin berlian, sebenarnya kitamembayar untuk tipe cacat pada Kristal pada cincin berlian tersebut. Pembuatandevice semikonduktor tidak hanya membutuhkan Silikon murni tetapi jugameliputi cacat Kristal tertentu pada sample. Menempa suatu logam akanmenghasilkan cacat pada logam tersebut dan meningkatkan kekuatan dankelenturan logam. Catatan, sifat-sifat tersebut dicapai tanpa mengubah komposisipenyusun bahan tetapi hanya manipulasi cacat Kristal.Berikut ini merupakan jenis-jenis cacat Kristal Cacat titik yaitu adanya atom yang hilang atau terdapat sisipan atom asing dalam kisi (kekosongan, interstitial dan subtitutional , cacat Schottky dan cacat Frenkel) Cacat Linear yaitu sekelompok atom berada pada posisi yang menyimpang ( dislokasi tepi dan dislokasi screw) Cacat interfacial yaitu interface antara daerah sejenis pada bahan (permukaan eksternal, grain boundaries, dan twin boundaries)
  25. 25. gambar diatas merupakan representasi dua dimensi kristal sempurna dengansusunan atom yang benar. Namun kenyataannya tidak ada yan sempurna.Jenis-Jenis Cacat KristalBerikut ini akan dijelaskan masing-masing cacat pada bahan padat.Cacat TitikCacat titik terdiri dari kekosongan, interstisial dan subtitutional, cacat Schottkydan cacat Frenkela. Kekosongan Di alam ini tidak terdapat Kristal yang sempurna dengan susunan atom yangteratur. Selalu terdapat cacat dalam suatu Kristal, dan yang paling sering dijumpaiadalah cacat titik. Hal ini terutama ketika temperature Kristal cukup tinggi dimanaatom-atom bergetar dengan frekuensi tertentu dan secara acak dapatmeninggalkan kisi, lokasi kisi yang ditinggalkan disebut vacancy atau kekosongan.Dalam kebanyakan kasus difusi atau transportasi massa oleh gerak atom jugadapat disebabkan oleh kekosongan. Semakin tinggi suhu, semakin banyak atom yang dapat meninggalkan posisikesetimbangannya dan semakin banyak kekosongan yang dapat dijumpai padaKristal. Banyaknya kekosongan yang terjadi Nv meningkat dengan meningkatnyasuhu Kristal dan banyaknya kekosongan ini dapat diperoleh dengan persamaanberikut (distribusi Boltzman)Rj=Ro exp(-Em/kT) Dalam persamaan ini, N adalah banyaknya atom dalam Kristal, Qv adalahenergy yang dibutuhkan untuk membentuk vacancy atau kekosongan, T adalah
  26. 26. suhu kristal dalam Kelvin, dan k adalah konstanta Boltzman yang bernilai 1.38 x10-23 J/atom-K, atau 8.62 x 10-5 eV/atom-K bergantung pada satuan Qv. Denganmenggunakan persamaan tersebut kita dapat mengestimasi bahwa pada suhukamar terdapat satu kekosongan dalam 1015 kisi Kristal dan pada suhu tinggiatau suhu mendekati titik leleh zat padat terdapat satu kekosongan dalam 10000atom. Pada Kristal,atom membutuhkan energy untuk bergerak ke posisikekosongan (misalnya energi termal) untuk lepas dari tetangga-tetangganya.Energi tersebut disebut energy aktivasi kekosongan, Em. Energi termal rata-rataatom biasanya lebih kecil dari energy aktivasi Em dan fluktuasi energy yang besardibutuhkan untuk loncat. Peluang untuk fluktuasi atau frekuensi loncatan atom Rj,tergantung secara eksponensial terhadap suhu dan dapat digambarkan olehpersamaan yang ditemukan kimiawan Swedia Arrhenius:Dimana R0 adalah frekuensi percobaan yang sebanding dengan frekuensi getaranatom(kiri) Skema representasi kekosongan pada Kristal dalam 2 dimensi. (kanan)Skema representasi difusi atom dari posisi asalnya ke posisi kosong. Energyaktivasi Em telah diberikan pada atom sehingga atom dapat memutuskan ikatanantar atom dan pindah ke posisi yang baru.b. Interstitial dan Subtitutional Interstitial yaitu Penekanan atau penumpukan antara tempat kisi teratur.Jika atom interstitial adalah atom yang sejenis dengan atom-atom pada kisi makadisebut self interstitial. Terciptanya self-interstitial menyebabkan distorsi besardisekeliling kisi dan membutuhkan energy lebih dibandingkan dengan energy yang
  27. 27. dibutuhkan untuk membuat vacancy atau kekosongan (Ei>Ev), dan dibawahkondisi kesetimbangan, self-interstitial hadir dengan konsentrasi lebih rendah darikekosongan. Jika atom-atom interstitial adalah atom asing, biasanya lebih kecilukurannya (karbon, nitrogen, hydrogen, oksigen) disebut interstitial impurities.Mereka memperkenalkan distorsi kecil pada kisi dan banyak terdapat padamaterial nyata. Subtitutional yaitu Penggantian atom pada matriks Kristal. Jikaatom asing mengganti atau mensubtitusi matriks atom, maka disebut subtitusionalimpurity.Gambar diatas menunjukan skema representasi macam-macam cacat titik dalamKristal (1) kekosongan, (2) self-interstitial, (3) Interstitial impurity, (4) (5)subtitutional impurities. Tanda panah menunjukan tekanan local yang dihasilkanoleh cacat titik.c. Cacat Schottky dan Cacat Frenkel Dalam Kristal ionic (misalnya garam dapur- Na+Cl-), ikatannya disebabkanoleh gaya Coulomb antara ion positif dan ion negatif. Cacat titik dalam Kristal ionadalah muatan itu sendiri. Gaya Coulomb sangat besar dan setiap muatan yangtidak seimbang memiliki kecenderungan yang kuat untuk menyeimbangkan diri.Untuk membuat muatan netral, beberapa cacat titik akan terbentuk. Cacat Frenkeladalah kekosongan pasangan ion dan cation interstitial. Atau kekosonganpasangan ion dan anion interstitial. Namun ukuran anion jauh lebih besar daripada kation maka sangat sulit untuk membentuk anion interstitial. Cacat Schottkyadalah kekosongan pasangan kation dan anion. Keduanya cacat Frenkel danSchottky, pasangan cacat titik tetap berdekatan satu sama lain karena tarikancoulomb yang kuat antara muatan yang berlawanan.
  28. 28. Gambar diatas merupakan skema representasi dari (1) cacat Frenkel (kekosongandan pasangan interstitial) dan cacat schottky (kekosongan pasangan kation dananion) dalam Kristal ionic.2. Cacat Linear Mengapa logam dapat terdeformasi plastis dan mengapa sifat deformasiplastis dapat diubah sangat besar dengan ditempa tanpa mengubah komposisikimia adalah sebuah misteri pada ribuan tahun yang lalu. Hal ini menjadi misteriyang sangat besar ketika awal tahun 1900an para ilmuan memperkirakan bahwalogam mengalami deformasi plastis jika diberi gaya yang lebih kecil dari gaya yangmengikat atom-atom logam bersama, .Kejelasan muncul pada tahun 1934 ketika Taylor, Orowan dan Polyani menemukandislokasi. Dislokasi garis dapat dikenal dan dipikiran sebagai bidang kisi tambahandimasukan kedalam Kristal, tetapi tidak diperpanjang ke seluruh Kristal tapiberakhir di dislokasi garis.Gambar tiga dimensi penyisipan setengah bidang tambahan melalui pusat gambar. Dislokasi adalah cacat garis. Ikatan interatomik secara signifkan terdistorsihanya dalam daerah sekitar dislokasi garis yang cepat. Dislokasi juga membentukdeformasi elastic kecil kisi pada jarak yang jauh. Untuk menggambarkan ukurandan arah distorsi kisi utama disebabkan oleh dislokasi, kita seharusnyamemperkenalkan vector Burger b. Untuk menentukan vector burger , kita dapatmembuat lintasan dari atom ke atom dan menghitung masing-masing jarak antaratom dalam segala arah. Jika lintasan melingkupi dislokasi, lintasan tidak akanditutup. Vektor yang menutup loop merupakan vector Burger b.
  29. 29. Dislokasi dengan arah vector Burger tegak lurus dengan dislokasi disebutdislokasi tepi atau dislokasi edge. Ada tipe dislokasi kedua yang disebut screwdislocation. Screw dislocation sejajar dengan arah Kristal yang dipindahkan atauyang digeser (vector Burger sejajar dengan dislokasi garis). Hampir seluruhdislokasi yang ditemukan pada Kristal bahan tidak terdiri daru edge dislocationsaja atau screw dislocation saja tetapi terdiri dari campuran keduanya ataudisebut mix dislocation. edge dislocation screw dislocationGerak dislokasi mengikuti slip-deformasi plastis ketika ikatan interatomik patahdan terbentuk kembali. Sebenarnya, slip selalu terjadi melalui gerak dislokasi.Lihatlah pada diagram diatas, kita akan mengerti mengapa dislokasi mengijinkanslip pada tekanan yang kecil yang diberikan pada Kristal yang sempurna. Jikasetengah bagian atas Kristal di geser dan pada saat itu hanya fraksi kecil dariikatan yang patah dan hal ini membutuhkan gaya yang cukup kecil. Pada prosespergeseran ini dislokasi terbentuk dan menyebar melalui Kristal. Penyebaran satudislokasi melalui bidang menyebabkan setengah bidang atas tersebut bergerakterhadap bagian bawahnya tetapi kita tidak memecah semua ikatan pada tengahbidang secara simultan (dimana akan membutuhkan gaya yang sangat besar).Gerak dislokasi dapat dianalogikan dengan perpindahan ulat bulu. Ulat bulu harusmengadakan gaya yang besar untuk memindahkan seluruh tubuhnya pada waktuyang sama. Untuk itu bagian belakang tubuh akan bergerak ke depan sedikit danmembentuk punggung bukit. Punggung bukit lalu menyebar terus danmemindahkan ulat bulu. Cara yang sama digunakan untuk memindahkan karpetyang besar. Daripada memindahkan seluruhnya pada waktu yang bersamaan, kita
  30. 30. dapat membuat punggung bukit pada karpet dan mendorongnya menyebarangilantai.3. Cacat interfacial Kristal tunggal terkadang dapat ditemukan dalam material nyata yang tidaksedikit kondisi pertumbuhannya secara khusus di desain dan di atur sebagaicontoh ketika memproduksi Kristal tunggal silicon untuk device mikroelektronikatau bilah untuk turbin yang terbuat dari super alloy. Zat padat pada umumnyaterdiri dari beberapa Kristal-kristal kecil atau grain. Grain dapat berukuran dariordo nanometer hingga millimeter dan orientasi bidang atom diputar terhadapgrain tetangganya. Material ini disebut polikristal. Grain-grain tunggal dipisahkanoleh batas grain atau grain Boundaries, yaitu daerah yang berdensitas kecil dantwin boundaries.a. Permukaan eksternal Salah satu batas yang selalu ada adalah permukaan luar atau permukaaneksternal, dimana permukaan ada disetiap ujung Kristal. Di permukaan, atomtidak memiliki jumlah tetangga maksimum sehingga jumlah ikatanya lebih kecildan memiliki keadaan energy yang lebih besar dari atom atom yang beradadibagian dalam. Ikatan atom pada permukaan Kristal yang tidak terikatmemberikan energy permukaan yang diekspresikan dalam satuan energypersatuan luas permukaan (J/m2 atau org/cm2). Untuk mengurangi energytersebut, suatu bahan cenderung untuk memperkecil permukaannya. Namununtuk zat padat hal ini sulit karena memiliki sifat yang kaku.b. Grain Boundaries Jenis lain dari cacat interfacial adalah grain boundaries yaitu batas yangmemisahkan dua grain kecil atau Kristal yang memiliki struktur Kristal yangberbeda dalam bahan polikristalin. Didalam daerah batas, dimana terdapat jarakcukup lebar diantara atom, terdapat beberapa atom yang hilang dalam transisidari orientasi Kristal dalam satu grain ke grain yang berdekatan.
  31. 31. Bermacam-macam ketidak sejajaran kristalografi diantara grain yangberdekatan merupakan hal yang mungkin. Ketika orientasi yang tidak cocok inidiabaikan atau derajatnya kecil maka bentuk sudut kecil grain boundariesdigunakan.Batas ini dapat digambarkan dalam bentuk susunan dislokasi. Salahsatu contoh sederhana dari sudut kecil grain boundaries dibentuk ketika dislokasitepi disejajarkan seperti pada gambar 1. Jenis ini disebut tilt boundaries ataubatas kemiringan. Jika sudut kecil dibentuk dari susunan dislokasi screw makadisebut twist boundaries. Atom-atom disekitar batas diikat dengan jumlah kurang dari yang diperlukandan konsekuensinya terdapat energy grain boundary yang serupa dengan energypermukaan eksternal. Besarnya energy ini merupakan fungsi dari derajatmisorientasi dan menjadi besar jika sudut batasnya besar. Grain boundaries sifatkimianya lebih reaktif dari grain-grain itu sendiri sebagai akibat dari kehadiranenergy tersebut. Lebih jauh lagi atom-atom yang tidak murni terpisahkan secarakhusus karena tingkat energinya yang lebih besar. Energi interfacial total materialbergrain kasar lebih kecil daripada material bergrain halus karena pada grainkasar memiliki area batas grain total yang kecil. Jumlah grain meningkat denganmeningkatnya suhu untuk mengurangi energy total batas.Kita dapat membedakan antara sudut batas grain kecil dan sudut batas grainbesar. Hal ini mungkin untuk menjelaskan sudut batas kecil grain sebagaikesatuan dislokasi. Gambar disamping merupakan transmisi mikroskop electrondari kemiringan sudut batas grain kecil silicon. Garis merah menandakan dislokasitepi atau edge dislocation dab garis biru mengindikasikan kemiringan sudut. Jenislain dari cacat permukaan dalam kisi adalah stacking fault dimana rentetan bidangatom memiliki kesalahan.Walaupun susunan atom tidak teratur dan ikatan yang seharusnya sangat kurang,material polikristalin sangat kuat. Gaya kohesif didalam dan sepanjang batasterbentuk. Lebih jauh, densitas polikristalin sebenarnya serupa dengan Kristaltunggal pada bahan yang sama.
  32. 32. c. Twin Boundaries Twin boundaries atau batas kembar merupakan jenis khusus dari grainboundaries dimana terdapat cermin kisi yang simetri. Atom dalam satu sisi batasditempatkan sebagai cermin atom pada sisi yang lainnya. Daerah diantara dua sisitersebut terbentuk bidang twin. Batas kembar dihasilkan dari perpindahan atomyang diproduksi oleh gaya mekanik yang dikerjakan pada bahan (mechanic twin)dan juga terbentuk selama proses annealing panas yang mengikuti deformasi(annealing twins). Perkembaran terjadi pada bidang Kristal tertentu dan arahtertentu juga dan keduannya tergantung pada struktur Kristal. Annealing twinadalah tipe yang ditemukan dalam metal yang berstruktur FCC dan mechanic twindapat di observasi pada logam berstruktur BCC dan HCP. Cacat pada Kristal dapat mengubah sifat listrik dan mekanik bahan.Kekosongan pada Kristal dapat mengubah sifat listrik bahan. Sebagai contoh, kitamemanfaatkan kekosongan pada Kristal silicon untuk pendopingan oleh phosporsehingga terbentuk semikonduktor tipe n. Selain itu cacat Kristal sepertikekosongan, dislokasi, dan boundaries dapat meingubah sifat mekanik bahan.Grain Boundaries dapat menghambat difusi atom dan gerak dislokasi sehinggadeformasi bahan sulit terjadi. Semakin kecil grain, semakin kuat bahan tersebut. Ukuran grain dapat diatur dengan laju pendinginan. Laju pendinginan yangcepat menghasilkan grain-grain yang kecil sedangkan proses-proses pendinginanyang lambat menghasilkan grain-gran yang besar.DISLOKASI
  33. 33. Line defect yang paling banyak dijumpai adalah dislokasi. Secara geometris,dislokasi dapat digambarkan seperti di bawah ini : Dislokasi ini dapat digambarkan sebagai sisipan satu bidang atom tambahandalam struktur kristal. Garis dislokasi dalam gambar tersebut adalah garis tegaklurus (^) pada bidang gambar. Di daerah garis sekitar dislokasi terjadi distorsikisi yang besifat lokal. Daerah-daerah yang jauh dari garis dislokasi, derajatdistorsi lokalnya menurun dan susunan atomnya kembali normal. Distorsi kisi tersebut dapat berupa tekanan dan tegangan sehingga terdapatenergi tambahan sepanjang dislokasi tersebut. Jarak geser atom di sekitardislokasi disebut vektor geser b* (burger vectors) yang mana tegak lurus padgaris dislokasi.Ada 2 jenis dislokasi, yaitu : - EDGE – DISLOCATION (dislokasi sisi) dan - SCREW – DISLOCATION(dislokasi ulir)Di dalam material biasanya ditemukan gabungan antara edge dislocation danscrew diclocation yang biasa disebut dislokasi campuran. Dislokasi dapatberpindah-pindah ataupun bergerak. Proses dimana deformasi plastis di-karenakan gerakan gerakan dislokasi yang berpindah-pindah tersebut biasanyadinamakan dengan SLIP.
  34. 34. Bidang, dimana garis dislokasi melintang disebut BIDANG SLIP, sedangkan arahgerakan dislokasi disebut ARAH SLIP. Bila ditinjau secara khusus , ternyatagerakan dislokasi pada berbagai bidangn kritis adalah tidak sama sehingga denganperkataan lain dapat dikatakan bahwa terdapat arah dan bidang kristal yangmeudahkan dislokasi terssebut bergerak yang disebut dengan nama PREFFERED– PLANE.Bidang-bidang dan arah bidang yang memudahkan dislokasi tersebut bergerakpada umumnya adalah bidang-bidang kristal yang memiliki planar density yangtinggi. Sedangkan arah gerakan dislokasi pada bidang kristal dengan planardensity yang tinggi merupakan arah slip.Dengan perkataan lain arah slip yang diinginkan adalah arah dengnn Linier densityyang tinggi.SURFACE DEFECTS (PLANAR DEFECTS)Planar defect (dapat berupa cacat pada permukaan-permukaan luar, twinboundary, batas-batas fasa, batas butir) pada material (dimana) akanmemisahkan material tersebut atas beberapa bagian yang mana tiap-tiap bagianakan memiliki struktur kristal yang sama tetapi berbeda arah kristalnya.Permukaan Material
  35. 35. Ketidak-sempurnaan kristal dalam dua dimensi merupakan suatu batas,dimana batas yang nyata adalah permukaan luar. Permukaan dapat diilustrasikansebagai batas struktur kristal sehingga kita dapat melihat bahwa koordinasi atompada permukaan tidak sama dengan koordinasi atom dalam kristal. Dengan katalain : Atom permukaan hanya mempunyai tetangga pada satu sisi saja, sehinggamemiliki energi yang lebih tinggi dimana ikatannya menjadi kurang kuat. Karenaatom-atom ini tidak seluruhnya dikekelingi oleh atom lainnya, maka energinya jadilebih banyak dibandingkan dengan atom di dalamnya. Contoh idealnya: Tetesan cairan yang berbentuk bulat maka luas permukaannya per satuan volumetetesan harus minimal (sehingga E permukaannya minimmal). Penyerapanpermukaan merupakan adanya perbedaan energi pada permukaan tersebut.Batas Butir
  36. 36. Bentuk butir dalam solid material biasanya diatur oleh adanya butir-butir laindi sekitarnya dimana dalam setiap butir, semua selnya teratur dalam satu arah dansatu pola yang tertentu. Pada grain boundary (batas butir), antara dua butir yangberdekatan terdapat daerah transisi yang tidak searah dengan pola dalam keduabutir tersebut.VOLUME DEFECTSVolume defects pada material dapat berupa : crack (retak)/pori-pori,inklusi, presipitat, fasa kedua dan lain sebagainya. Kehadiran volumedefect di dalam materiaal biasanya memberikan suatu implikasi(misalnya terhadap sifat material) yang akan menyebabkan perubahandensitas material (terutama dengan adanya pori-pori ataupun fasa keduapada material). Dengan adanya pori-pori maka : material theoritisnya = m dimana dengan adanya pori-pori massa akan V
  37. 37. Dengan adanya fasa kedua maka : material 1 V1 + 2 V2Dimana 1 = densitas fasa utama (1) V1 = fraksi volume fasa utama 2 = densitas fasa kedua V2 = fraksi volume fasa keduaSecara illustratif akan ditinjau efek dari kehadiran cacat volume tersebut (sepertiretak) terhadap kekuatan material, dimana ingin dilihat perban-dingan (kekuatantarik retakan) dengan th (kekuatan tarik teoritis) suatu material yang sama.
  38. 38. Identifikasi Struktur Kristal dengan DIFRAKSI SINAR XAdanya struktur kristal dapat dibuktikan dengan percobaan Difraksi sinar X ( X RD ).
  39. 39. Sinar X berasal dari transisi kulit K ke L DE = E2 – E1 = h c l1h = konstanta planckc = kecepatan rambat cahayal1 = panjang gelombangSaat elektron transisi dari kulit K ke kulit L, elektron menyerap energi danbilamana elektron ersebut pindah kembali ke kulit K (agar stabil) maka akanmemancarkan X-Ray. Gelombang elektromagnetik berfrek-wensi tinggimempunyai panjang gelombang ( l ) yang besar sedikit dari jarak antar bidangdalam kristal. Berkas gelombang elektromagnetik yang mengenai kristalmengalami fraksi sesuai hukum-hukum fisika. Maka sudut difraksi yang terjadidigunakan untuk menentukan struktur kristal dengan ketelitian tinggi. Selain itu,dapat juga menentukan jarak antar bidang dan jari-jari atom suatu logam.Jarak antar Bidang Bidang-bidang yang sejajar memiliki notasi (h k l) yang sama. Sehingga bila kitaukur jarak tegak lurus (^) dari titik asal ke bidang terdekat , maka akan kitaeroleh jarak antar bidang (d).
  40. 40. HUKUM BRAGGBila seberkas sinar X mengenai suatu bahan kristalin maka berkas ini akan di-difraksi oleh bidang atom / ion dalam kristal tersebut. Maka besar sudut difraksi qtergantung pada panjang gelombang l berkas sinar X dan jarak d (jarak antarbidang).ANALISA DIFRAKSI SINAR XAnalisa bahan dalam bentuk serbuk halus merupakan cara penelitian dengan sinarX yang paling banyak diterapkan.Sampel + perekat polimer ® dibentuk jadi benang-benang halus yangkemudian ditempatkan pada titik pusat karema Slindris.Berkas sinar X yang sejajar diarahkan pada serbuk tersebut (benang); Sehingga :Karena terdapat partikal serbuk dalam jumlah cukup banyak dengan orientasiberbeda. Maka berkas yang didifraksi akan membentuk sudut 2 q dengan arahberkas semula. Kerucut difraksi mengenai pita film di 2 tempat masing-masingmembentuk sudut 2 q dengan garis berkas masuk dan keluar. Akan diperolehkerucut terpisah (sepasang garis difraksi) untuk setiap nilai Dh k l tertentu. Jadiletak garis difraksi dapat ditentukan berdasarkan percobaan di atas, sehinggajarak d dapat dihitung. Difraksi sinar X adalah sarana yang serbaguna dalampenentuan struktur intern bahan.
  41. 41. Cara menentukan indeks Miller:1. Tentukan perpotongan bidang kristal dengan menetukan sumbu abc
  42. 42. 2. Tentukan bilangan resiprok (bilangan yang berbanding terbalik dengan nilai titik potong bidang dengan sumbu a,b,c. Titik potong: ¼, 2/3, ½ Bilangan resiprok : 4 , 3/2, 23. Buatlah bilangan resiprok tersebut menjadi bilangan bulat terkecil Bilangan resiprok : 4, 3/2, 2 Bilangan bulat terkecil : 8, 3, 4 Maka Indeks Miller (hkl)= (834)
  43. 43. Sistem Indeks (Indeks Miller)Digunakan unuk menyatakan bidang kristal (indeks bidang)Aturan : 1. Tentukan titik potong antara bidang yang bersangkutan dengan sumbu-sumbu  (a1,a2,a3) / sumbu-sumbu primitf atau konvensional dalam satuan konstanta lattice (a1,a2,a3) . 2. Tentukan kebalikan (reciprok) dari bilangan-bilangan tadi, dan kemudian tentukan tiga bilangan bulat (terkecil) yang mempunyai perbandingan yang sama. Indeks (h k l). Contoh : Bidang ABC memotong sumbu-sumbu : a1di 2a1 a2di 2a2 a3di 2a3 1 11 Kebalikannya adalah , , 2 23 Jika ketiga bilanagn bulat yang mempunyai perbandingan yang sama seperti di atas adalah 3, 3, 2. dengan demikian indeks bidang ABC tersebut adalah (3 3 2).Perhatikan bahwa dalam penulisan indeks kita tidak menggunakan tanda koma.Misal:(3 3 2)(h k l)Jika salah satu dari h k l negatif, maka indeks bidang tersebut ditulis (h k l), artinya h bertanda negatif.Untuk Sel kubus, jarak antar bidang hkl dapat ditulis sebagai berikut :
  44. 44. a dhkl h2  k2  l2Contoh-contoh Indeks Miller untuk sel kubus primitif maupun konvensional :Kubus Sederhana : sel konvensional = sel primitif Bidang ABFE Perpotongan bidang ABFE dengan sumbu: X di 1axˆ Y di ~ ayˆ Z di ~ azˆ 111 Kebalikannya : , , 1~~ Jadi, indeks bidang ABFE adalah (1 0 0) Bidang BCGF Perpotongan bidang BCGF dengan sumbu: X di ~ axˆ Y di 1ayˆ Z di ~ azˆ 111 Kebalikannya : ,, ~1~ Jadi, indeks bidang BCGF adalah (0 1 0) Bidang EFGH Perpotongan bidang EFGH dengan sumbu: X di ~ axˆ Y di ~ ayˆ Z di 1azˆ 111 Kebalikannya : , , ~~1 Jadi, indeks bidang EFGH adalah (0 0 1) Bidang ACGE
  45. 45. Perpotongan bidang ACGE dengan sumbu: X di 1axˆ Y di 1ayˆ Z di ~ azˆ 111 Kebalikannya : ,, 11~Jadi, indeks bidang ACGE adalah (1 1 0) Bidang DCGH Bidang DCGH sejajar dengan bidang ABFE, dan menempel di sumbu Y dan Z, artinya bidang tersebut tidak hanya satu tetapi lebih dari satu, maka indeks bidang DCGH adalah : {1 0 0} Tanda {1 0 0} menyatakan kumpulan bidangbidang yang sejajar dengan bidang (1 0 0).Sama halnya dengan Bidang ADHE yang sejajar dengan bidang BCGF, maka indeks bidang ADHE adalah{1 0 0} begitu juga dengan bidang ABCD sejajar dengan bidang EFGH, maka bidang ABCD adalah {0 0 1},dan seterusnya.Jadi, apabila bidangnya menempel di sumbu, indeksnya akan sama dengan indeks bidang yang sejajardengannya.Kubus Pusat Muka (FCC) : sel konvensional sel primitif Bidang ABEF
  46. 46. Perpotongan idang ABEF primitif : dengan  sumbu ˆ a1 di 2a1  di ~ a  a2 ˆ2  di 2a  a3 ˆ3 M aka, indeks bidang ABEF pada sel primitif 1 adalah (1 0 1)P Sedangkan pada sumbu konvensional bidang ebalikan ABEF berpotongan pada: nya : , , 2 ˆX di 1ax 1 1 1 ˆY di ~ ay Kebalikannya : , , 1 ~ ~ ˆZ di ~ azJadi, indeks bidang ABEF pada sel konvensional adalah (1 0 0)K Bidang ACGF Dengan menggunakan sumbu konvensional pada kubus FCC, bidang ACGF mempunyai indeks (1 1 0)K Sedangkan pada sumbu primitif bidang ACGF berpotongan dengan a1 di 1aˆ1 1 1 1 a2 di 2aˆ2Kebalikannya : , , 1 2 2 a3 di 2aˆ3 Maka, indeks bidang ACGF pada sel primitif adalah (2 1 1)P Bidang ACHDengan menggunakan sumbu konvensional pada kubus FCC, bidang ACH mempunyai indeks (1 1 1)KSedangkan pada sumbu primitif bidang ACH
  47. 47. berpotongan dengan a1 di 1aˆ1 1 1 1 a2 di 1aˆ2 Kebalikannya : , , 1 1 1 a3 di 1aˆ3 Maka, indeks bidang ACH pada sel primitif adalah (1 1 1)P Jadi, indeks bidangnya sama baik pada selkonvensional maupun pada sel primitif. Bidang ABGH Dengan menggunakan sumbu konvensional pada kubus FCC, bidang ABGH mempunyai indeks (1 0 1)K Sedangkan pada sumbu primitif bidang ABGH berpotongan dengan a1 di 2aˆ 1 1 1 1 a2 di 2aˆ2Kebalikannya : , , 2 2 1 a3 di 1aˆ3 Maka, indeks bidang ABGH pada sel primitif adalah (1 1 2)PBidang BCEHDengan menggunakan sumbu konvensional pada kubus FCC, bidang ABGH mempunyai indeks (1 0 1) K.Sedangkan pada sumbu primitif bidang ABGH berpotongan dengana1 di 2aˆ 11 1 1 a2 di 2aˆ2Kebalikannya : , ,2 2 1 a3 di 1aˆ3Maka, indeks bidang ABGH pada sel primitif adalah (1 1 2)P. Begitu juga dengan bidang-bidang yanglainnya, pada kubus FCC.Kubus Pusat Badan (BCC) : sel konvensional  sel primitif
  48. 48. Dengan menggunakan sumbu primitif pada kubus BCC, bidang yang mempunyai indeks (1 1 0)P seperti gambar di samping, berpotongan pada sumbu konvensional dengan X di 1xˆ Y di ˆ 11 1 1y Kebalikannya : , , Z di  1zˆ1 1  1 Maka, indeks bidang ABGH pada sel konvensional adalah (1 1 1)K Dengan menggunakan sumbu konvensional pada kubus BCC, bidang yang mempunyai indeks (1 0 0)K seperti gambar di samping, berpotongan pada sumbu primitif dengan  a1 di 1aˆ1 1 1 1 a2 di  1aˆ2Kebalikannya : , , 1  1 1a3 di 1aˆ3 Maka, indeks bidang ABGH pada sel konvensional adalah (1 1 1)P
  49. 49. DAFTAR PUSTAKAvan vlack, Lawrence. Ilmu dan Teknologi bahan. Diterjemahkan oleh Sriati Djaprie.Great Britain, BirminghamMondadori, Arlondo. 1977. Simons & Schuster’s Guide to Rocks andMinerals. Milan : Simons & Schuster’s Inc.Pellant, Chris. 1992. Rocks and Minerals. London: Dorling KindersleyWijayanto, Andika. 2009. Kristalografi.Smallman Ana R.J Bishop. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material; edisikeenam. Diterjemahkan Ir. Sriati Djaprie, M.MetComslabs. Digilibs/repository/ITB/direktori.php

×