KRISTAL

 A. Kristal

Kristal didefinisikan sebagai komposisi atom-atom zat padat yang memiliki susunan teratur dan periodik dalam pola tiga dimensi. Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus memenuhi adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Atom-atom bergabung membentuk padatan (solid), atom-atom itu mengatur dirinya sendiri dalam pola tatanan tertentu yang disebut kristal. Susunan khas atom-atom dalam kristal disebut struktur kristal.

Struktur kristal terbentuk dari gabungan sel satuan yang merupakan sekumpulan atom yang tersusun secara khusus dan periodik berulang dalam tiga dimensi pada suatu kisi kristal. Kumpulan atom penyusun kristal sering juga disebut dengan basis dan kedudukan atom-atom di dalam ruang dinyatakan oleh kisi. Ditinjau dari strukturnya, zat padat dibagi menjadi tiga yaitu monocrystal (kristal tunggal), polycrystal, dan amorf.

Pada kristal tunggal (monocrystal), atom atau penyusunnya mempunyai struktur tetap karena atom-atom penyusunnya tersusun secara teratur dalam pola tiga dimensi dan pola-pola ini berulang secara periodik dalam rentang yang panjang tak berhingga. Polycrystal adalah kumpulan dari kristal-kristal tunggal yang memiliki ukuran sangat kecil dan saling menumpuk yang membentuk benda padat. Amorf memiliki pola susunan atom-atom atau molekul-molekul yang acak dan tidak teratur secara berulang. Amorf terbentuk karena proses pendinginan yang terlalu cepat sehingga atom-atom tidak dapat dengan tepat menempati lokasi kisinya.Untuk mengetahui susunan atom kristal dan amorf ditunjukkan pada Gambar 1.

1. Struktur Kristal

Susunan khas atom-atom dalam kristal disebut struktur kristal. Struktur kristal dibangun oleh sel satuan (unit cell). Sel satuan adalah bagian terkecil dari unit struktur yang dapat menjelaskan struktur suatu kristal. Tiga sisi suatu sel satuan disebut sudut-sudut permukaan batas (antar permukaan) seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2. Pengulangan dari sel satuan akan mewakili struktur secara keseluruhan. Geometri kristal dalam ruang tiga dimensi yang merupakan karakteristik kristal memiliki pola yang berbeda-beda. Suatu kristal yang terdiri dari jutaan atom dapat dinyatakan dengan ukuran, bentuk, dan susunan sel satuan yang berulang dengan pola pertualangan yang menjadi ciri khas dari suatu kristal.

Sumbu-sumbu a, b, dan c adalah sumbu-sumbu yang dikaitkan dengan parameter kisi kristal. Sedangkan α, β, dan γ merupakan sudut antar sumbu-sumbu referensi kristal. Berdasarkan sumbu-sumbu a, b, dan c (kisi bidang) dan sudut α, β, dan γ (kisi ruang), kristal dikelompokkan menjadi 7 sistem kristal (hubungan sudut satu dengan sudut yang lain) dengan 14 kisi bravais (perbandingan antara sumbu-sumbu kristal). Seperti pada Tabel 1.

Pada Tabel 1, sel primitif diberi tanda huruf P (primitif); sel dengan simpul kisi yang terletak pada pusat dua bidang sisi yang paralel diberi tanda C (center); sel dengan simpul kisi dipusat setiap bidang kisi diberi tanda F (face); sel dengan simpul kisi dipusat bagian dalam sel unit ditandai dengan huruf I (inti); huruf R menunjukkan pada sel primitif rhombohedral.

2. Parameter Kisi hexagonal

Arah berkas yang dipantulkan semata-mata ditentukan oleh geometri kisi, yang bergantung pada orientasi dan jarak bidang kristal. Apabila kristal memiliki simetri hexagonal (a = b = 90^o, c = 120^o) dengan ukuran parameter kisi a, maka sudut difraksi berkas dari bidang kristal (hkl) dapat dihitung dengan mudah dari hubungan jarak antar interplanar. Di dalam parameter kisi dikenal Persamaan Bragg, yaitu:

Struktur kristal Cd(Se0,2Te0,8) memiliki struktur kristal hexagonal. Dengan demikian Jarak interplanar untuk struktur kristal hexagonal adalah

Dengan mensubtitusikan Persamaan (6) ke dalam Persamaan (5), didapatkan:

3. Indek Miller

Suatu kristal mempunyai bidang-bidang atom yang mempengaruhi sifat dan perilaku bahan. Kelompok bidang tergantung pada sistem kristal. Dua bidang atau lebih dapat tergolong dalam kelompok bidang yang sama. Indeks Miller adalah harga kebalikan dari parameter numerik yang dinyatakan dengan simbol (hkl). Pada Gambar 4, perpotongan bidang dengan sumbu dinyatakan dengan 2a, 2b, dan 3c sehingga parameter numeriknya adalah 2, 2, 3 dan indeks Miller dari bidang bawah adalah:

(hkl) = h : k : l = ½ : ½ : 1/3.

(hkl) = (1/2 ½ 1/3 ) atau (3 3 2)

5. Ketidaksempurnaan pada kristal

Berdasarkan struktur kristal, atom dalam setiap material tersusun secara teratur, tetapi terdapat berbagai ketidaksempurnaan atau sering disebut dengan cacat kristal. Cacat kristal ini terjadi pada suatu bahan padat yang dapat mempengaruhi sifat fisis tertentu seperti mekanik atau sifat listrik. Cacat yang terdapat pada kristal memiliki bermacam-macam bentuk di antaranya:

a) Cacat titik

Cacat titik terjadi karena adanya penyimpangan susunan periodik kisi terbatas sekitar beberapa atom sehingga terjadi kekosongan atom (vacancy), sispan (interstisi), dan perpindahan kedudukan atom tak murni disela kisi (anti site). Penyimpangan susunan periodik kisi disekitar atom merupakan cacat dalam konsentrasi yang besar dalam kesetimbangan termodinamika seiring meningkatnya temperatur secara eksponensial. Kekosongan adalah kehilangan sebuah atom dalam kristal yang disebabkan penumpukan yang salah ketika pada proses kristalisasi, yaitu pada saat temperatur tinggi. Pada keadaan suhu tinggi, energi thermal akan meningkat letak kisinya ke lokasi atomik terdekat. Sisipan terjadi jika terdapat atom tambahan dalam struktur kristal, sedangkan untuk anti site terjadi jika pemindahan ion dari kisi ke tempat sisipan.

b) Cacat garis Cacat garis (planar)

Muncul karena adanya diskontinuitas struktural sepanjang lintasan kristal (dislokasi), atau cacat akibat salah susun struktur kristal. Terdapat dua bentuk dasar dislokasi yaitu: dislokasi tepi dan dislokasi sekrup. Pembentukan dislokasi tepi akibat adanya gesekan antara kristal dengan arah slip secara sejajar. Sedangkan dislokasi sekrup terjadi karena pergeseran atom dalam kristal secara spiral.

c) Cacat planar

Dalam cacat planar terdapat batas butir, yaitu batas sudut kecil secara memadai dapat digambarkan sebagai dinding vertikal terdiri dari dislokasi. Rotasi suatu kristal relatif terhadap kristal lainnya seperti batas puntir, dihasilkan oleh jaringan silang yang terdiri dari dua sel dislokasi ulir. Batas puntir ini adalah batas sederhana yang memisahkan dua kristal yang memiliki perbaedaan orientasi kecil, sedangkan batas butir memisahkan kristal yang mempunyai perbedaan sudut orientasi besar

d) Cacat volume

Cacat volume terjadi akibat pemanasan, iradiasi, deformasi sehingga terbentuk void, gelembung gas dan rongga dalam kristal dimana sebagian berasal dari energi permukaan (1 sampai 3 J/m3). Aliran plastis deformasi yang terjadi secara berkesinambungan mengakibatkan jumlah dislokasi menjadi sangat besar dan saling berkaitan sehingga menghambat gerak masing-masing dan mengakibatkan plastis bahan semakin bertambah. Gejal ini disebut pengerasan, untuk mengembalikan kelentukan bahan yang mengalami pengerasan dilakukan pemanasan kristal atau annealing. Kristal yang mengalami pengerasan mengandung 10¹⁶ m dislokasi per meter kubik volumenya, hal ini dapat direduksi dengan annealing menjadi sekitar 10⁶ m.