oleh: Abdul Muiz*
Dalam kehidupan sehari-hari, disadari maupun tidak, hidup kita tidak terlepas dari bahan-bahan yang memiliki sifat ferroelektrik dan ferromagnetik. Sebagai contoh, tulisan ini disusun menggunakan komputer dengan spesifikasi harddisk 150 GB dan memori 1 GB. Transfer-transfer data dari rumah ke tempat kerja seringkali dilakukan menggunakan flashdisk (USB stick). Peranti-peranti memori ini adalah sebagian di antara contoh kecil penggunaan bahan ferromagnetic.
Sebagai contoh ketika kita menggunakan lift untuk turun dari lantai yang tinggi. Jika jumlah orang di dalam lift itu berlebih dan terjadi over capacity, secara otomatis sensor berat dalam lift akan mencegah lift itu untuk bergerak hingga dikurangi bebannya. Saat menunggu untuk menyeberang jalan, berhentinya kita di pinggir perempatan jalan akan mengaktifkan lampu penyeberangan. Kemudian setelah tiba di tempat kerja, pintu masuk gedung akan terbuka secara otomatis karena sensor cahayanya mendeteksi kehadiran kita. Sensor-sensor ini banyak sekali memanfaatkan sifat bahan ferroelektrik.
Di luar aplikasi-aplikasi di atas, bahan-bahan ferroelektrik dan ferromagnetic ini sangat bermanfaat untuk kapasitor -yang menjadi unit terkecil dan terpenting dari hampir seluruh perangkat elektronik, baik di lingkup rumah tangga hingga lingkup yang lebih besar, maupun transducer yang mampu mengubah satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain. Sebagai contoh, konversi energi ini dapat terjadi dari energi listrik menjadi energi gerak semisal motor listrik. Divais (peranti) yang terkait dengan fungsi itu disebut actuator.
Apa sebetulnya yang dinamakan bahan ferroelektrik ini?
Secara klasik, kita mengenal adanya kutub-kutub positif dan negatif dalam bahan. Kutub-kutub ini berkaitan dengan muatan positif dan negatif di dalam bahan tersebut. Muatan positif itu berasal dari salah satu komponan dalam inti atom (proton), dan muatan negatif datang dari electron yang mengelilinginya. Di dalam sebuah atom yang netral, jumlah proton dan elektronnya berimbang. Selain itu, electron terdistribusi secara merata di sekeliling inti. Dengan demikian, tidak dijumpai kutub positif maupun negatif. Akan tetapi, jika diberikan medan listrik dari luar, eletron-elektron tersebut akan segera berusaha menjauhi arah medan tersebut. Akibatnya, distribusi eletron di sekitar inti tidak lagi merata. Di sini kemudian dijumpai adanya polarisasi (pengkutuban).
Gambar 1: Interaksi antara medan listrik dengan atom dalam model klasik (gambar diambil dari situs Wikipedia).
Di sisi lain, bila terdapat atom yang jumlah proton dan eletronnya tidak berimbang (ini dapat dipahami karena atom tersebut cenderung untuk melepas elektronnya atau menyerap electron lain agar stabil), atom tersebut dikatakan bermuatan (ionik). Sebagai contoh, oksigen cenderung untuk menyerap dua electron, maka pada saat itu jumah elektronnya akan berlebih sehingga ion ini disebut O2-. Proses lepas-serap electron ini sering terjadi melalui ikatan kimia dalam sebuah molekul. Oksigen kita, sebagai contoh, yang kini ionik tersebut dapat mengambil kedua electron tambahannya dari dua buah atom hidrogen yang juga cenderung melepas masing-masing sebuah electron agar stabil. Inilah yang kita kenal dengan molekul air (H2O).
Persoalannya kemudian, apa yang terjadi dengan molekul yang terbentuk dari ion-ion bermuatan tersebut? Sepintas akan langsung terbayang oleh kita bahwa tentu molekul tersebut akan menjadi polar (memiliki kutub) pula. Pada kasus tertentu, molekul tersebut akan tetap non polar. Ini misalnya terjadi dalam molekul yang memiliki simetri tinggi, misalnya berstruktur linear (lurus) dan arah polarisasinya saling meniadakan. Akan tetapi secara umum, molekul tersebut akan menjadi polar, karena arah polarisasinya tidak saling menghilangkan. Besarnya polarisasi ini dapat diukur di laboratorium.
Pada kasus air, struktur paling stabil dimiliki molekul tersebut tidak dalam keadaan linear, akan tetapi agak melengkung membentuk huruf V. Ini menyebabkan molekul air polar. Karena itu, air seringkali dijadikan model standar untuk memahami molekul yang memiliki kutub listrik. Dalam Gambar 2, kutub negatif berada di atas (karena ion O2-), sedangkan kutub positif berada di bawah (karena kedua ion H+). Bila diberikan medan listrik yang berlawanan, polarisasi dalam air dapat berubah mengikuti medan tersebut, karena kini ion oksigen dapat berada di bawah.
Gambar 2: a) Molekul air (gambar diambil dari situs Wikipedia) dan b) Momen dipol pada air.
Dari penggambaran tersebut, kita dapat menggeneralisasi keberadaan polarisasi listrik akibat kehadiran ion-ion bermuatan tersebut pada sistem-sistem yang lain. Di dalam zat padat misalnya, di mana atom-atomnya tersusun secara teratur mengikuti kaidah simetri tertentu, polarisasi listrik ini dapat pula muncul. Dalam keadaan simetri yang tinggi, polarisasi yang diakibatkan oleh ion-ion penyusun kristal tersebut saling meniadakan, sehingga polarisasi total secara makroskopik tidak muncul (Gambar 3 kiri). Akan tetapi, bila terjadi distorsi, misalnya pada suhu yang rendah, ion-ion tersebut dapat bergeser sehingga memiliki simetri yang lebih rendah. Dalam keadaan ini, polarisasi listrik secara local tidak mampu saling meniadakan, sehingga terjadi kutub listrik secara makroskopik (Gambar 3 kanan). Dikarenakan susunan ionnya yang teratur di dalam kristal, arah polarisasinya pun akan seragam ke arah tertentu. Dalam gambar 3, polarisasi digambarkan muncul ke arah sumbu-z (menuju atas) karena ion positifnya bergeser ke atas. Polarisasi listrik dalam kristal ini kemudian menjadi salah satu topik penelitian utama di seluruh dunia.
Gambar 3: Contoh polarisasi yang terjadi pada kristal BaTiO3 karena pergeseran ion Ti4+ dari pusat koordinasi oktahedral dengan ion-ion O2- di sekitarnya. Bahan ini merupakan salah satu sample ferroelektrik tertua yang ditemukan dan telah dipelajari sejak lebih dari 60 tahun lalu.
Secara definisi, bahan ferroelektrik adalah bahan yang memiliki polarisasi spontan yang arahnya dapat dibalik jika diberikan medan listrik dari luar. Dikatakan spontan, karena dalam sebagian material, polarisasi dapat terjadi hanya pada saat diberikan medan listrik. Ketika medan tersebut dihilangkan, ion-ion akan kembali ke tempatnya semula, sehingga polarisasinya menjadi hilang. Dalam bahan ferroelektrik, saat medan tersebut dihilangkan, ion-ionnya tidak kembali, sehingga polarisasinya tetap tinggal di sana. Bila diberikan medan dengan arah berkebalikan, besar polarisasinya akan berkurang, dan pada saat tertentu, akan nol kembali. Jika tetap diteruskan pemberian medannya, arah polarisasi listrik tersebut dapat berbalik. Perilaku ini digambarkan dengan kurve histeresis.
Gambar 4: Kurve histeresis ferroelektrik. P menggambarkan polarisasi yang timbul, sedangkan E menggambarkan medan listrik yang diberikan (gambar diambil dari situs http://physics.cusat.ac.in/oed/research_area.htm).
Karena bahan ini merespon medan dari luar ini menjadi polarisasi listrik (akibat perubahan struktur dalam bahan), sifatnya ini kemudian dapat dimanfaatkan menjadi peranti-peranti seperti sensor dan transducer yang dijelaskan di muka tulisan ini. Selain itu, karena bahan ini juga adalah isolator yang memiliki sifat dielektrik yang tinggi, ferroelektrik dapat pula dimanfaatkan sebagai inti dari bermacam kapasitor.
Bagaimana dengan bahan ferromagnetik, dan apa pula yang disebut multiferroic itu? Pertanyaan tersebut akan dijelaskan dalam bagian lanjutan tulisan ini, insya Allah.
*Penulis
Mahasiswa PhD di Rijksuniversiteit Groningen, Belanda
