Fisika Zat Padat

1.      Apa yang dimaksud dengan zat padat?

jawaban:

·         Zat didefinisikan sebagai segala sesuatu yang mempunyai massa dan menempati ruang. Maksud dari menempati ruang adalah memiliki volume. 

·         Padat adalah keadaan benda di mana volume dan bentuk tetap.

·         Jadi dari definisi tersebut dapat di artikan bahwa Zat padat adalah materi yang mempunyai bentuk dan volume tetap.

Ada dua cara utama partikel-partikel padat bisa tersusun yakni dalam baris-baris teratur yang rapi atau dalam susunan yang tidak tentu. Karena partikel-partikelnya tersusun berdekatan menyatu, zat padat tidak bisa dimampatkan dengan mudah—zat padat tidak bisa dikecilkan dengan menekannya.

Sifat-sifat zat padat adalah sebagai berikut :

1)       Jarak antar partikelnya sangat rapat

2)       Tidak bisa di mamapatkan.

3)       Umumnya mempunyai massa jenis besar

4)       Tidak dapat mengalir

5)       Gaya tarik antar partikelnya sangat kuat

6)       Bentuknya tetap

7)        Volumenya tetap

Karena gaya tarik antar partikel pada zat padat sangat kuat maka bentuk zat padat cenderung tetap bila tidak ada gaya atau reaksinya yang mempengaruhinya. Contoh zat padat adalah batu, kayu, besi dan lain-lain.

2.      Struktur kristal jelaskan hal hal dibawah ini

a.    Apa yang dimaksud dengan Kristal

jawaban

Zat padat yang partikel-partikelnya tersusun dalam baris-baris yang teratur rapi disebut Kristal. Kristal adalah suatu padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. struktur kristal seperti pengertiannya dibangun oleh sel unit, sekumpulan atom yang tersusun secara khusus, yang secara periodik berulang dalam tiga dimensi dalam suatu kisi. Contoh umum kristal adalah sebagian besar logam, intan, es, dan kristal garam

Berikut ini adalah fase-fase pembentukan kristal yang umumnya terjadi pada pembentukan kristal :

·         Fase cair ke padat : kristalisasi suatu lelehan atau cairan sering terjadi pada skala luas dibawah kondisi alam maupun industri. Pada fase ini cairan atau lelehan dasar pembentuk kristal akan membeku atau memadat dan membentuk kristal. Biasanya dipengaruhi oleh perubahan suhu lingkungan.

·         Fase gas ke padat (sublimasi) : kristal dibentuk langsung dari uap tanpa melalui fase cair. Bentuk kristal biasanya berukuran kecil dan kadang-kadang berbentuk rangka (skeletal form). Pada fase ini, kristal yang terbentuk adalah hasil sublimasi gas-gas yang memadat karena perubahan lingkungan. Umumnya gas-gas tersebut adalah hasil dari aktifitas vulkanis atau dari gunung api dan membeku karena perubahan temperature.

·         Fase padat ke padat : proses ini dapat terjadi pada agregat kristal dibawah pengaruh tekanan dan temperatur (deformasi). Yang berubah adalah struktur kristalnya, sedangkan susunan unsur kimia tetap (rekristalisasi). Fase ini hanya mengubah kristal yang sudah terbentuk sebelumnya karena terkena tekanan dan temperatur yang berubah secara signifikan. Sehingga kristal tersebut akan berubah bentuk dan unsur-unsur fisiknya. Namun, komposisi dan unsur kimianya tidak berubah karena tidak adanya faktor lain yang terlibat kecuali tekanan dan temperatur.

b.      Apa yang dimaksud dengan Amorf

jawaban:

Zat padat yang partikel-partikelnya tidak tersusun secara teratur disebut amorf. Susunan partikel dalam padatan amorf sebagian teratur dan sedikit agak mirip dengan padatan kristalin. Namun, keteraturan ini, terbatas dan tidak muncul di keseluruhan padatan. Banyak padatan amorf di sekitar kita, contohnya sepeerti gelas, karet, lilin, plastik, dan polietena memiliki keteraturan sebagian. Fitur padatan amorf dapat dianggap intermediate antara padatan dan cairan..Zat padat amorf biasanya bertekstur mengilat atau elastis.

Tabel 1. beberapa contoh padatan amorf fungsional

Amorf	Penggunaan material
Gelas kuarsa	Serat optik
Gelas khalkogenida	Membran selenium untuk mesin fotokopi
Silikon amorf	Sel surya
Logam besi/kobal amorf	(bahan magnetik)

c.       Apa yang dimaksud dengan Cacat Kristal

jawaban:

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. Cacat Kristal dapat terjadi karena adanya solidifikasi (pendinginan) ataupun akibat dari luar. Cacat paling sederhana adalah kehilangan atom pada posisi tertentu dalam kristal (vacancy) yang sering disebut cacat Schottky. Cacat kristal yang terjadi dalam suatu bahan padat dapat mempengaruhi sifat fisis tertentu seperti sifat mekanik atau sifat listrik. Cara memodelkan cacat 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.

Kecacatan ini biasanya diakibatkan adanya :

1.    efek vibrasi yang ada pada atom, sehingga atom mudah pindah

2.    inklusi atau adanya atom asing

3.    gaya-gaya dari luar yang memungkinkan atom-atom berpindah tempat, contoh: beban termal, dan beban mekanik .

akibat adanya ketidaksempurnaan susunan atom , maka kekuatan menjadi turun

d.      Apa yang dimaksud dengan Cacat titik

jawaban:

Cacat titik  atau point defect terdiri dari kekosongan, penggantian atom (substitusi), dan penyisipan atom (interstisi). Substitusi atau interstisi ditentukan oleh ukuran atau diameter atom asingnya. Intertisi jika atom yang nyisip lebih kecil dengan perbedaan diameter atom lebih besar dari 15%. Sedangkan substitusi jika diameter atom hampir sama atau perbedaan diameter atom lebih kecil

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.

e.       Apa yang dimaksud dengan Cacat dislokasi

jawaban

Dislokasi adalah suatu pergeseran atau pegerakan atom-atom di dalam sistem kristal logam akibat tegangan mekanik yang dapat menciptakan deformasi plastis (perubahan dimensi secara permanen). Pada saat terjadinya deformasi plastis maka melibatkan pergerakan sejumlah besar dislokasi, sebuah dislokasi sisi bergerak sebagai respons terhadap tegangan geser yang diterapkan hingga akhirnya menimbulkan deformasi plastis. Proses dimana deformasi plastis dihasilkan oleh gerakan dislokasi disebut Slip; bidang kristalografi sepanjang yang melintasi dislokasi garis adalah bidang slip. Dislokasi bisa mudah bergerak dan juga bisa sulit bergerak. Misalya pada proses pengerjaan dingin (cold work) terjadi peningkatan dislokasi di dalam kristal logam sehingga kekuatan logam meningkat, namun keuletan menurun.Cacat garis disebut juga dislokasi atau dislocation. Secara umum ada 3 jenis dislokasi, yakni : dislokasi ulir, dislokasi sisi/pinggir, dan dislokasi campuran. Dislokasi ulir terbentuk karena gaya geser yang diberikan menghasilkan distorsi. Dislokasi sisi/pinggir adalah terdapatnya bidang atom ekstra atau setengah bidang, dimana sisinya terputus di dalam kristal.

Jika pada material dijumpai kedua jenis dislokasi diatas maka disebut material mempunyai dislokasi campuran.

f.       Bagaimana sifat dan unsur pembentuk Zat padat

jawaban

Unsur pembentuk zat padat dibagi dalam 2 golongan yaitu logam seperti besi (Fe), tembaga (Cu), seng (Zn) dan sebagainya dan non logam seperti unsur karbon (kayu, intan), unsur sulfur (karet sintetis) poliaster/ polimer (plastik, fiberglas) dan silikat (batu-batuan).

g.      Jelaskan Jenis padatan berdasarkan ikatan dan keteraturan atom pembentuk suatu zat padat

jawaban                                                                                                      

Suatu zat padat dapat berupa kristal, amorf, dan polikristal. Dari ketiga jenis zat padat di atas, jika ditinjau ikatan kimianya, dapat dibedakan menjadi 4 kelompok zat padat, yaitu padatan molekul, padatan kovalen, zat padat ion dan zat padat logam.

·         Padatan molekul adalah zat-zat yang terdiri atas molekul-molekul dan berwujud padat. Molekul-molekul itu merapat membentuk padatan. Setiap molekul terdiri atas inti atom dan elektron-elektron yang terdapat dalam orbital masing-masing, mengelilingi intinya. Antar molekul satu dengan molekul yang lain saling tarik menarik dengan gaya tarik antar molekulnya. Jenis gaya tarik bergantung pada jenis molekulnya. Contohnya, I2 dan CO2 memiliki gaya tarik Van Der Waals, karena molekul-molekul itu tergolong non polar, jadi terdapat gaya tarik antar molekul non polar atau gaya tarik antar dipol sesaat. Sedangkan pada H2O,  terdapat ikatan hidrogen antara molekul satu dengan molekul lainnya, yaitu atom O molekul yang satu dengan atom H pada molekul yang lain.

·         Padatan kovalen contohnya intan dan silikon. Dalam zat padat ini, ikatan kovalennya mengikat semua atom membentuk satu molekul besar. Baik dalam intan maupun silikon, ikatan kovalen menyatukan semua atom karbon, begitu pula silikon.

·         zat padat ion, gaya tarik elektrostatik mengikat semua ion menyatu membentuk satu kesatuan. Kekuatan ikatan ion ditentukan oleh kekuatan gaya tarik elektrostatik. Gaya ini dipengaruhi oleh ukuran partikel dan jumlah muatan.

·         Zat padat logam mengandung gaya tarik elektrostatik antara inti atom dan arus elektron yang mengikat semua atom-atom logam membentuk satu kesatuan tunggal.

h.      Jelaskan tentang konsep Kisi dan Basis

jawaban

Kisi kristal yang biasa disebut kisi dapat dikatakan sebagai abstraksi dari kristal, sehingga kisi merupakan pola dasar atau pola geometri dari kristal, Kisi kristal memiliki sifat geometri yang sama seperti Kristal. Kisi yang memiliki titik-titik kisi yang ekuivalen disebut kisi Bravais sehingga titik-titik kisi tersebut dalam kristal akan ditempati oleh atom-atom yang sejenis. Titik-titik kisi Bravais dapat ditempati oleh atom atau sekumpulan atom yang disebut basis

           Kisi yaitu sekumpulan titik-titik yang tersusu secara periodik dalam ruang. Sebuah kristal ideal disusun oleh satuan-satuan kristal yang identic disusun oleh satuan-satuan kristal yang identik secara berulang-ulang yang tak hingga dalam ruang. Basis didefinisikan sebagai sekumpulan atom, dengan jumlah atom dalam sebuah basis dapat berisi satu atom atau lebih.

Hubungan logisnya adalah:
kisi + basis = struktur kristal.
         Kisi ruang (space lattice) adalah susunan titik-titik dalam ruang tiga dimensi di mana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang serupa itu disebut simpul 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..

i.        Jelaskan yang dimaksud dengan Sel kisi primitive

jawaban

Sel primitif adalah sel satuan yang hanya memiliki satu titik kisi per sel. Sel primitive mempunyai ciri-ciri sebagai berikut :
a) Sebuah sel yang mempunyai luas atau volume terkecil.
b) Kebalikan dari sel konvensional, yaitu sel yang mempunyai luas atau volume terbesar.
c) Sel yang mempunyai satu titik kisi.
d) Sebuah pararelepipid yang dibentuk oleh sumbu-sumbu. Sel epipid yaitu sebuah bangun yang sisinya sejajar / bidang yang dibatasi oleh garis-garis sejajar.
Cara untuk memilih sel primitif yaitu dengan metode Wigner Seitz.
1) Ambillah salah satu titik kisi sebagai acuan (biasanya ditengah).
2) Titik kisi yang anda ambil sebagai acuan dihubungkan dengan titik kisi terdekat disekitarnya.
3) Di tengah-tengah garis penghubung, buatlah garis yang tegak lurus terhadap garis penghubung.
4) Luas terkecil (2 dimensi) atau volume terkecil (3 dimensi) yang dilingkupi oleh garis-garis atau bidang-bidang ini yang disebut sel primitive Wigner-Seitz.
       Untuk setiap struktur kristal ada sel unit konvensional, yang merupakan unit terkecil yang memiliki simetri penuh kristal (lihat di bawah).Namun, sel unit konvensional tidak selalu pilihan terkecil yang mungkin.Suatu sel unit primitif dari suatu struktur kristal merupakan sel unit terkecil yang mungkin yang dapat membuat seperti itu, ketika ubin, itu benar-benar mengisi ruang.Sel satuan primitif ini tidak Namun, menampilkan semua simetri yang melekat pada kristal.Sebuah sel Wigner-Seitz adalah suatu jenis tertentu sel primitif yang memiliki simetri yang sama sebagai kisi.

j.        Jelsakan tipe kisi dua dimensi

jawaban:

Kisi dua dimensi ada 5 jenis yaitu :

a.       Kisi miring.

b.      Kisi bujur sangkar.

c.       Kisi heksagonal.

d.      Kisi segi panjang.

e.       Kisi segi panjang berpusat.

k.      Jelaskan Kisi Tiga dimensi

jawaban:

Untuk tipe kisi 3 dimensi terdapat 7 sistem kisi Kristal yaitu sebagai berikut :

l.        Sebutkan Jenis Kisi Bravaise

Menurut anggapan Bravais (1848), berdasarkan kisi bidang dan kisi ruang kristal mempunyai 14 kisi dan berdasarkan perbandingan sumbu-sumbu kristal dan hubungan sudut sat dengan sudut yang lain, kristal dikelompokkan menjadi 7 sistem kristal seperti yang dapat dilihat pada Tabel 2.  

Tabel 2. Tujuh sistem kristal dan empat belas kisi Bravais

 

    

m.    Sebutkan Jenis kisi Kubus

jawaban

Contoh : kisi Kubus ( 3 jenis)

a.       Kubus Sederhana / Simple Cubic (SC).

Volume sel satuan =  .

Jumlah titik kisi =  (pada setiap kubus 8 kubus sel).

Vector primitive =

Contoh =

   

b.      Kubus Pusat Badan / Body Center Cubic (BCC).

Volume sel satuan =

Jumlah titik kisi pada :

Ø  Sel primitive =

Ø  Sel konvensional =  

Vektor primitive =

Ø 

Ø 

Ø 

Contoh = .

 

c.       Kubus Pusat Muka / Face Center Cubic (FCC).

Volume sel satuan =

Jumlah titik pada kisi =

Ø  Sel primitive =

Ø  Sel konvensional =

Vector primitive =

Contoh =   

                 

n.      Jelakan tentang translasi pada kisi

jawaban

Didalam kristal terdapat kisi-kisi yang ekivalen yang sesuai dengan lingkungannya dan diklasifisikan menurut simetri  translasi. Operasi translasi kisi didefinisikan sebagai perpindahan dari sebuah kristal oleh sebuah vektor translasi kristal , maka persamaannya

Dimana u1,u2,u3 = bilangan bulat.

                a1, a2, a3 = vektor translasi primitive

                ≈ sumbu-sumbu Kristal

                = vektor translasi kristal

                = vektor translasi primitif/sumbu-sumbu Kristal

                         

o.      Jelakan tentang Index miler pada kristal, berikan 2 contohnya

jawaban

Melalui titik-titik kisi suatu Kristal dapat dibentuk suatu bidang  datar. Masing-masing bidang datar memiliki orientasi yang berbeda kecuali pada bidang yangs ejajar orientasinya adalah identik

Untuk menentukan orientasi bidangt ersebut digunakan system indeks yang dinamakan indeks  Miller(hkl).

CaramenentukanindeksMiller:

1.Tentukan perpotongan bidang kristal dengan  sumbu a, b, dan c

OM=¼a

OS=2/3b

OR=½c

Titik perpotongan pada a,b,c adalah ¼, 2/3 ,½

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, 2

3.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)

p.      Bagaimanakah Struktur kristal Sederhana pada Sodium Klorida, Cesium klorida, Intan dan Besi Sulfida

jawaban:

·         sodium klorida serupa dengan natrium chorida

strktur kristal natrium chorida merupakan kisi pusak muka (FCC). Basisnya terdiri atas satu atom Na dan satu atom Cl dengan jarak pisah setengah panjang diagonal ruangnya. NaCl yang setiap sel satuannya berbentuk kubus sederhana dengan posisi atom-atomnya seperti yang ditunjukkan gambar berikut:

·         cesium chorida (CsCl) memiliki satu molekul per satuan. posisi atom-atomnya berada pada 000, dan mempunyai kisi bravais BCC pada posisi ½ ½ ½ . tiap titik kisi diisi pola yang terdiri dari molekul CsCl, yaitu basis yang dengan ion Cs⁺ pada 000 dan ion Cs^- pada ½ ½ ½. atom sudut dari salah satu subkisi merupakan atom pusat dari subkisi yang lain. oleh karena itu, jumlah atom tetangga terdekat adalah delapan, seperti ditunjukkan pada gambar.

·         struktur intan mempunyai ruang kisi yang terbentuk FCC dan merupaka gabungan dari subkisi FCC, dan basis primitif mempunyai dua taom yang identik, yaitu pada posisi asal 000 dan 1/4 ¼  ¼ , seperti ditunkkan oleh gambar berikut

               struktir intang juga dapat dipandang sebagai kisi yang dapat bergeser sejauh seperempat diagonal kubus dalam diagonal FCC yang lain sehingga sel kubus konvesionalnya berisi delapan buah atom.

·         struktur kubus sulfida seng dihasilkan pada saat atom-atom Zn ditempatkan pada salah satu kisi kubus FCC dan taom-atom sulfur ditempatkan pada sisi kubus lainnya seperti ditunjukkan oleh gambar berikut

3.      Pada Konsep Difraksi Sinar X Jelaskan hal hal dibawah inI

a.       Bagaimanakah proses terjadinya Sinar X

jawaban

Gambar di atas merupakan suatu skema sederhana tentang proses pembentukan sinar-X di dalam X-ray tube (tabung sinar-X)

1. Di dalam tabung sinar-X terdapat anoda dan catoda (filament) dan tabung tersebut merupakan tabung hampa udara.
2. Filamen merupakan bagian yang berfungsi sebagai penghasil electron. Untuk menghasilkan electron, filament harus dipanaskan dengan cara mengalirkan arus listrik pada filament tersebut. Setelah filament berpijar, maka akan terbentuk awan-awan electron di sekitar filament tersebut.
3. Setelah electron terbentuk, electron siap ditembakkan ke anoda dengan kecepatan yang tinggi. Untuk menembakkan electron ke anoda diperlukan suatu nilai tegangan yang tinggi hingga ribuan volt (kilovolt).
4. Electron-elektron yang ditembakkan akan menumbuk target dan akan berinteraksi dengan atom-atom dari target tersebut. Interaksi electron dengan inti akan menyebabkan arah pergerakan electron menjadi berubah dan terjadi pengurangan energy kinetic pada electron tersebut. Perubahan arah (pembelokan) dari sinar-X tersebut akan disertai dengan pemancaran foton sinar-X yang disebut sebagai sinar-X breamstarhlung. Sedangkan interaksi electron yang ditembakkan dengan electron pada target akan menghasilkan sinar-X karakteristik

Proses terjadinya sinar-X breamstrahlung

b.      Bagaimana kah proses difraksi sinar x

jawaban

 Difraksi sinar-x oleh sebuah materi terjadi akibat dua fenomena: (1) hamburan oleh tiap atom dan (2) interferensi gelombang-gelombang yang dihamburkan oleh atom-atom tersebut. Interferensi ini terjadi karena gelombang-gelombang yang dihamburkan oleh atom-atom memiliki koherensi dengan gelombang datang dan, demikian pula, dengan mereka sendiri.

c.       Jelaskan Hukum Bragg pada konsep difraksi Sinar X

jawaban

Suatu kristal memiliki susunan atom yang tersusun secara teratur dan berulang, memiliki jarak antar atom yang ordenya sama dengan panjang gelombang sinar-X. Akibatnya, bila seberkas sinar-X ditembakkan pada suatu material kristalin maka sinar tersebut akan menghasilkan pola difraksi khas. Pola difraksi yang dihasilkan sesuai dengan susunan atom pada kristal tersebut.

Menurut pendekatan Bragg, kristal dapat dipandang terdiri atas bidang-bidang datar (kisi kristal) yang masing-masing berfungsi sebagai cermin semi transparan. Jika sinar-X ditembakkan pada tumpukan bidang datar tersebut, maka beberapa akan dipantulkan oleh bidang tersebut dengan sudut pantul yang sama dengan sudut datangnya, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 3, sedangkan sisanya akan diteruskan menembus bidang.

Perumusan secara matematik dapat dikemukakan dengan menghubungkan panjang gelombang sinar-X, jarak antar bidang dalam kristal, dan sudut difraksi:

nλ = 2d sin θ (Persamaan Bragg)

λ adalah panjang gelombang sinar-X, d adalah jarak antar kisi kristal, θ adalah sudut datang sinar, dan n = 1, 2, 3, dan seterusnya adalah orde difraksi. Persamaan Bragg tersebut digunakan untuk menentukan parameter sel kristal. Sedangkan untuk menentukan struktur kristal, dengan menggunakan metoda komputasi kristalografik, data intensitas digunakan untuk menentukan posisi-posisi atomnya.

Gambar 3.        Pemantulan berkas sinar-X monokromatis oleh dua bidang kisi dalam kristal, dengan sudut sebesar θ dan jarak antara bidang kisi sebesar dhkl

d.      Jelaskan tentang Brillouin Zone pada konsep difraksi Sinar X

jawaban:

Simetri di Ruang q: Zona Brillouin pertama (Tiga Dimensi)

Hubungan dispersi dalam kasus kisi-kisi tiga dimentional adalah

ω  =  ω_j (q)

di mana indeks j menspesifikasi hal yang diamati. Hubungan dispersi untuk setiap cabang individu yang memnuhi sifat simetri, serupa dengan yang dibahas sehubungan dengan kisi satu dimensi. Dalam diskusi berikut, kita akan menghilangkan rincian matematika, karena sangat mirip dengan rincian matematika untuk kasus satu dimensi.

Pertama, ω_j (q) memenuhi properti periodik

ω_j (q+G)  =  ω_j (q)

di mana G adalah vektor kisi yang tertukar. Ini berarti bahwa kita membatasi perhatian kita pertama kali kepada  BZ (zona Brillouin). Juga pada simetri inversi berlaku

ω_j (- q)  =  ω_j (q)

Perhatikan kembali simetri ini, berdasarkan simetri translasi kisi sejati selalu memenuhi tanpa memperhatikan pertimbangan kepadatannya.

  

Gambar. 3.26 (a) BZ pertama dari Al: tetrahedron dipotong sepanjang sumbu kubik. (b) Frekuensi (ω) kontur untuk cabang LA di Al (bilangan untuk unit adalah 2π х 10¹³ s^-1). Catatan bahwa ini hanya terjadi ketika dipotong melintang dan hanya ada bidang q_x dan q_y.

Selain itu, hubungan relasi dispersi simetri rotasi menujukkan bahwa yang  dimiliki adalah kisi nyata. Misalnya, dalam kristal kubik, hubungan dispersi ω_j (q) menunjukkan kubik yang simetri.

Berbagai simetri dimaksud diilustrasikan pada Gambar. 3.26. Gambar 3.26 (a) menunjukkan BZ untuk Al, yang memiliki kisi fcc, dan Gambar. 3.26 (b) adalah plot dari kontur frekuensi di zona ini. Hal ini mudah dilihat dari gambar bahwa ini periodik yang terbalik, dan semua simetri rotasi terpenuhi.

Selain nilai estetika tersebut, simetri ini juga penting dalam arti praktis. Jadi biasanya kita perlu menentukan kurva dispersi di daerah kecil dari BZ saja, dan sisanya dari zona dapat diselesaikan dengan menggunakan simetri. Sehingga dalam kristal kubik kurva dispersi dapat ditentukan hanya dengan 1/48^th dari BZ (kelompok rotasi kubik yang memiliki 48 elemen). Akhirnya, perhatikan bahwa simetri tersebut berlaku untuk setiap cabang dispersi individual. Mereka tidak mengaitkan cabang yang berbeda satu sama lain.

4.      Pada Konsep vibrasi Kristal

a.       Jelaskan tentang proses terjadinya vibrasi pada kisi kristal

Jawaban

 Atom-atom atau molekul–molekul dapat berbentuk kisi kristal melalui gaya tarik menarik (gaya coulomb). Kisi–kisi tersebut tersusun secara priodik membentuk kristal. Atom–atom yang menyusun zat padat bervibrasi terhadap posisi keseimbanganya sehingga kisi–kisi kristal pun ikut bervibrasi.

b.      Sebutkan Jenis jenis vibrasi Krista

Jawaban 

vibrasi monoatomik, diatomik, akustik dan optik.

c.       Jelaskan tentang persamaan persamaan vibrasi monoatomik, diatomik, akustik dan optik.

Jawaban :

·         Vibrasi Pada Kisi Monoatomik

Gelombang elastik dari vibrasi pada kisi disebut sebagai fonon, yang mana merupakan vibrasi kolektif suatu bahan. Model kisi dengan basis monoatomik dalam satu bidang s dengan konstanta kisi a sebagai berikut .

Model kisi monotomik : Bidang atom berpindah pada gelombang longitudinal  Koordinat U menggambarkan perpindahan bidang s dari posisi kesetimbangannya.

·         Kristal Linier Diatomik

Anadaikan terdapat dua jenis atom yang bermasa M yang terletak dalam satu bidang dan atom yang bermasa m pada bidang yang lain. Kedua atom tersebut dapat dipandang sebagai satu rantai linier dimana jarak antara dua atom terdekat pada saat keadaan kesetimbangannya adalah a. Diasumsikan bahwa interaksi hanya terjadi diantara atom terdekat saja dan konstanta gaya adalah identik .

5.      Pada sifat thermal kristal

a.       Apa kegunaan mempelajari Sifat termal pada Kristal

Jawaban

Agar mengetahui bahwa sifat termal itu sifat yang menunjukkan respon material terhadap panas yang diterima suatu bahan/material. Sehingga kita dapat mempelajari mengenai kapasitas panas, panas spesifik,  pemuaian, dan konduktivitas panas.

b.      Apa perbedaan konsep termal Debye dan Einstein

Jawaban

o   Dalam model einstein , atom-atom dianggap sebagai osilator-osilator bebas yang bergetar tanpa terpengaruh oleh osilator lain di sekitarnya. Sedangkan dalam kenyataanya atom-atom saling berinteraksi sehingga osilasi satu atom akan mempengaruhi atom yang lainnya.

o   Gerak yang ditinjau adalah gerak kekisi secara keseluruhan , bukan gerak atom secara individu , sehingga ditinjau kekisi mode kolektif.

o   Nilai w pada model einstein adalah tunggal yaitu w_E sedangkan pada model debye nilai w bervariasi dari 0 hingga w maksimum

c.       Pada dunia Industri, apa manfaat mempelajari sifat termal kristal sebutkan contohnya dan jelaskan

Jawaban

Manfaatnya yaitu untuk industri keramik karena Sifat termal penting bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan tersebut.

Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadi getaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak pada kisi kristalnya.

Hantaran panas dalam padatan melibatkan transfer energi antar atom-atom yang bervibrasi. Vibrasi atom akan mempengaruhi gerakan atom-atom lain di tetangganya dan hasilnya adalah gelombang yang bergerak dengan kecepatan cahaya yakni fonon. Fonon bergerak dalam bahan sampai terhambur baik oleh interaksi fonon-fonon maupun cacat kristal. Keramik amorf yang mengandung banyak cacat kristal menyebabkan fonon selalu terhambur sehingga keramik merupakan konduktor panas yang buruk.

Mekanisme hantaran panas oleh elektron, yang dominan pada logam, tidak dominan di keramik karena elektron di keramik sebagian besar terlokalisasi. Contoh paling baik penggunaan keramik untuk insulasi panas adalah pada pesawat ruang angkasa. Hampir semua permukaan pesawat tersebut dibungkus keramik yang terbuat dari serat silika amorf. Titik leleh aluminium adalah 660^oC. Ubin menjaga suhu tabung pesawat yang terbuat dari Al pada atau dibawah 175^oC, walaupun eksterior pesawat mencapai 1400^oC 

d.      Jelakan tentang kapasitas panas dan konduktivitas panas pada Kristal

Jawaban

Kapasitas Termal adalah sifat yang  mengindikasikan kemampuan materi untuk menyerap panas. Kapasitas panas (heat capacity) adalah jumlah panas yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur padatan sebesar satu derajat K.Sedangkan Konduktivitas atau keterhantaran termal, k, adalah suatu besaran intensif bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas.Benda yang memiliki konduktivitas termal (k) besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik). Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal yang kecil merupakan merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk).

6.      Jelaskan hal hal dibawah ini tentang

a.       Bagaimanakah teori pita energi pada Kristal

jawaban

Jika ada atom hidrogen, maka tingkat energi s akan terpecah  menjadi . Jika  makin besar maka perbedaan antara dua tingkat yang berdekatan akan semakin kecil dan mendekati kontintyu. Kita katakan bahwa orbital s telah berubah menjadi pita energi s . Terbentuknya pita energi tidak hanya terjadi pada orbital s, tetapi terjadi pada semua orbital. Jadi kita memperoleh pita energi 1 s, 2 s, 2p, dan seterusnya, yang ditunjukkan secara skematis pada Gb.8.3.  

Peristiwa terbentuknya pita energi tentu tidak hanya terjadi pada atom H saja, akan tetapi terjadi pula pada kumpulan sejumlah besar atom- atom yang menyusun padatan.  Pengertian terbentuknya pita energi inilah yang menjadi dasar dikembangkannya teori pita energi yang akan kita bahas berikut ini. 

Tingkat-tingkat energi elektron dalam atom makin rumit jika nomer atom makin besar. Gb.8.4. memperlihatkan tingkat-tingkat energi atom Na yang memiliki konfigurasi elektron 1 s2 2 s2 2 p6 3 s1. Orbital terluar yang ditempati elektron adalah 3 s. 

Jika ada  atom Na maka tingkat-tingkat energi terpecah menjadi   tingkat dengan perbedaan energi yang kecil antara tingkat-tingkat energi tersebut, sehingga tingkat energi berubah menjadi pita energi, seperti diperlihatkan oleh Gb.8.5. 

Gambar ini memperlihatkan pita-pita energi yang terbentuk pada tingkat energi ke-2 dan ke-3 dari Na. Perhatikan bahwa mulai pada jarak atom tertentu, pita 3 s bertumpang-tindih dengan pita 3 p; pita 3 p bertumpang-tindih dengan pita 3 d mulai pada jarak atom tertentu pula.  Kita perhatikan pula bahwa tumpang-tindih pita energi sudah terjadi pada jarak r0, yaitu jarak keseimbangan antar atom. 

b.      Jelakan tentang konsep sifat semikonduktor pada kristal bila perlu berikan contohnya

jawaban

·         SEMIKONDUKTOR INSTRINSIK (MURNI)

Semikonduktor instrinsik adalah sebuah unsur semikonduktor kristal tunggal tanpa atom jenis lain didalamnya. Pada sebuah semikonduktor instrinsik, kepadatan elektron dan hole adalah sama (seimbang), karena satu-satunya sumber partikel ini adalah elektron dan hole yang terbentuk secara thermal. Untuk itu, kita menggunakan notasi ni untuk menyatakan konsentrasi pembawa intrinsik, yakni konsentrasi dari elektron bebas ataupun hole.

Menurut tori pita energi, pada T = 0 K pita valensi semikonduktor terisi penuh elektron, sedangkan pita konduksi kosong. Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi kecil, yakni dalam rentang 0,18 - 3,7 eV. Pada suhu kamar Si dan Ge masing-masing memiliki celah energy 1,11 eV dan 0,66 eV. Konsentrasi instrinsik ni adalah parameter penting yang sering muncul dalam persamaan-persamaan arus-tegangan pada komponen semikonduktor

·         SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK (TAK MURNI)

Semikonduktor yang telah terkotori (tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya dinamakan semikonduktor ekstrinsik. Proses penambahan atom pengotor pada semikonduktor murni disebut pengotoran (doping). Dengan menambahkan atom pengotor (impurities), struktur pita dan resistivitasnya akan berubah. Ketidakmurnian dalam semikonduktor dapat menyumbangkan elektron maupun hole dalam pita energi. Dengan demikian, konsentrasi elektron dapat menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole, namun masing-masing bergantung pada konsentrasi dan jenis bahan ketidakmurnian.

Dalam aplikasi terkadang hanya diperlukan bahan dengan pembawa muatan elektron saja, atau hole saja. Hal ini dilakukan dengan doping ketidakmurnian ke dalam

semikonduktor.

Terdapat tiga jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p, dan semikonduktor paduan.

  contoh

·         Sel Surya

Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics. Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit [bumi], kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering.

·         Single-Atom Transistor     

Kemajuan di bidang nanoteknologi belakangan ini telah memungkinkan para ilmuwan untuk mengontrol bahan secara super akurat dalam skala nanometer. Tahun lalu, ilmuwan dari Universitas Cornell di AS berhasil membuat single-atom transistor (transistor atom tunggal), yang dibuat oleh ahli kimia bersama dengan insinyur material setempat. Apabila tegangan listrik dikenakan ke transistor tersebut, elektron mengalir di antara elektroda melalui atom kobalt (pada gambar berwarna biru tua, tengah) yang disanggah oleh molekul pyridine (biru muda). Di masa depan terobosan-terobosan di bidang nanoteknologi seperti ini akan dapat menghasilkan aplikasi-aplikasi baru.