PENGGUNAAN DOPAN Pb, Ba DALAM SINTESIS BAHAN SUPERKONDUKTOR Bi-Sr-Ca-Cu-O FASA 1223 MELALUI METODE PENCAMPURAN BASAH

Transkripsi

1 PENGGUNAAN DOPAN Pb, Ba DALAM SINTESIS BAHAN SUPERKONDUKTOR Bi-Sr-a-u-O FASA MELALUI METODE PENAMPURAN BASAH M Shohib Anwar, dan Darminto Jurusan Fisika FMIPA ITS Kampus ITS Suklilo, Surabaya 60 Shohib@physics.its.ac.id ABSTRAK Telah dilakukan sintesis bahan superkonduktor dengan basis Bi dan senyawa kuprat sebagai lapis pemisah tunggal BiSr a u O x (Bi-). Fasa Bi- disintesis dengan mereaksikan bahanbahan dasar dengan nitrat, kemudian dikalsinasi untuk menghilangkan nitrat dan disintering pada suhu 90 o sampai terbentuk fasa BiSr a u O x. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui lebih jelas tentang pembentukan fasa superkonduktor dengan metode pencampuran basah. Berdasarkan hasil XRD dapat diketahui fasa-fasa yang terbentuk, sedangkan untuk melihat fasa Bi- sendiri dilakukan dengan menggunakan model yaitu () dengan mengganti Tl pada fasa Tl- dengan Bi, () gabungan fasa Bi- dengan Bi-, () model dari memecah struktur Bi- menjadi Bi-. Dari hasil XRD, masih banyak impuritas yang terbentuk. Fasa Bi- pada tahapan sintering dicocokan dengan model dengan memakai Retica. Model dengan memecah Bi- menjadi Bi- merupakan model yang hampir sama dengan mengganti Tl pada fasa Tl- dengan Bi hanya berbeda parameter kisi, keduanya mempunyai kecocokan lebih besar, ini ditunjukkan dengan nilai Rb yang lebih kecil. Penambahan doping memperbesar pembentukan fasa Bi- ini ditunjukkan nilai R B. Dalam sintesis ini masih banyak terdapat impuritas yang merupakan paduan dari bahan-bahan dasar. Kata kunci: superkonduktor, Bi-.. Pendahuluan Gejala superkonduktor pertama kali ditemukan fisikawan Belanda, Heike Kamerling Onnes pada tahun 9. Dalam risetnya di laboratorium Leiden, ia menemukan bahwa resistifitas dari merkuri tiba-tiba menurun drastis menuju nol dalam suhu dibawah, K (titik leleh dari helium cair). Penelitian terus dilakukan untuk menemukan superkonduktor dengan suhu kritis (T c) yang lebih tinggi. Pada tahun 90 ditemukan sifat superkonduktor pada niobium yang memiliki suhu kritis 9, K, ini adalah temperatur kritis paling tinggi diantara semua bahan logam. Pada awal tahun 986 Bednorz dan Muller berhasil menemukan sifat superkonduktor dengan suhu kritis 0 K pada La- Ba-a-O yang merupakan bahan keramik. Penemuan ini menarik, karena sifat superkonduktor ditemukan tidak pada logam yang merupakan konduktor pada suhu kamar. Tahun 987 peneliti di Alabama dan Houston menemukan bahan superkonduktor berbasis keramik YBa u O 7 T c = 9 K yang merupakan titik leleh nitrogen cair 78 K dan lebih mudah didapatkan dari pada helium cair. Diawal tahun 988, Bi dan Tl- kuprat oksida ditemukan dengan T c = 0 K dan 5 K. Bahan-bahan superkonduktor ini disebut sebagai superkonduktor suhu tinggi (SKST) (Mourachkine, 00). Bahan superkonduktor oksida suhu tinggi yang telah ditemukan sebagian besar mengandung senyawa kuprat. Banyaknya bidang kuprat mempengaruhi T c superkonduktor. Kelompok superkonduktor dengan dua bidang kuprat tiap unit sel selalu memiliki temperatur kritis lebih tinggi daripada yang mempunyai satu bidang kuprat dalam satu unit sel. Kuprat dengan tiga bidang tiap unit sel mempunyai T c lebih tinggi daripada yang mempunyai dua bidang dalam satu unit sel, sehingga bila berhasil di bentuk Bi- diharapkan akan mempunyai T c yang tinggi. Keungulan lain yang diharapkan adalah Bi tidak bersifat racun seperti Tl dan Hg.. Metode yang diterapkan Prosedur kerja yang dilakukan dalam penelitian ini terdiri dari langkah yaitu penyiapan bahan dasar dan sintesis BiSr a u O 9-δ, Bahan dasar pembuatan BiSr a u O 9-δ adalah bahan-bahan yang masih berbentuk senyawa Bi O, SrO, ao, uo, PbO, dan BaO. Dari senyawa tersebut di dipersiapkan massa Bi, Sr, a, u sesuai dengan perbandingan stokiometri untuk membuat BiSr a u O 9-δ. Sintesis BiSr a u O 9-δ dilakukan dengan mereaksikan bahan dasar dengan nitrat dan H O sebagai media pelarut. Sintesis ini menggunakan metode pencampuran basah. Langkah-langkah sintesis BiSr a u O 9-δ ini meliputi pembentukan kerak hasil reaksi bahan-bahan dasar dengan nitrat dilanjutkan pengeringan, kalsinasi dan sitering. Dalam penelitian ini Bi O, SrO, ao dan uo dan asam nitrat ditimbang. Selanjutnya nitrat dilarutkan dengan aquades sampai

2 mencapai volume 50 ml lalu dicampur dengan Bi O, SrO, ao, dan uo. ampuran tersebut diaduk dengan magnetik stiller sampai larut dengan suhu 70 o. Proses ini dilanjutkan sampai semua cairan menguap sehingga terbentuk kerak pada bejana. Padatan (kerak) kemudian dipanaskan secara bertahap yaitu pada suhu 00 0 selama jam, 00 0 selama, selama jam, selama jam, langkah ini adalah untuk menghilangkan kandungan nitrat. Kemudian dilanjutkan dengan sintering pada suhu 90 0, untuk menumbuhkan fasa BiSr a u O 9-δ.Suhu sinter hampir sama dengan suhu sinter untuk menumbuhkan fasa (Tl 0.95Bi 0.)(Sr 0.8Ba 0.) a u O x yang dilakukan L Ji, dkk, (007) yaitu Sebelum disinter padatan terlebih dahulu dibentuk menjadi pelet dengan maksud untuk: () untuk meningkatkan kontak partikel () meminimkan kontak dengan krusibel (Ismunandar,00). Analisis struktur kristal BiSr a u O 9-δ hasil sintesis dilakukan dengan menggunakan teknik difraksi sinar-x dengan menggunakan difraktometer sinar-x merek Philips Expert. Data yang diperoleh berupa jarak antar bidang, dan sudut (θ) yang kemudian dianalisis dengan membandingkan pola difraktogram sampel dengan pola difraktogram standar pada Software X-pert Graphic and Identify, sehingga mineral dalam sampel dapat diidentifikasi. Untuk mencocokan model struktur dengan sampel digunakan program rietica dengan melihat nilai Derived Bragg R-Factor (R B). Nilai R B menyatakan kecocokan antara model struktur dengan sampel. Nilai RB memberikan nilai kecocokan setiap fasa yang dicocokan, apabila ada dua fasa maka akan ada dua nilai RB. I ko I kc R B =...() I Sumber: Howard dan Hunter,997 ko dengan : R B = kecocokan pola difraksi antara model dan sampel I ko = terintegrasi model terhadap refleksi k I kc = terintegrasi sampel terhadap refleksi k. Hasil dan Pembahasan. Model Struktur Fasa Bi Sr a u O 9-δ Langkah pertama yang dilakukan adalah penyiapan model struktur Bi-, hal ini dilakukan karena belum ada model struktur Bi- yang pernah berhasil dibuat yang dapat dipakai sebagai acuan. Pembuatan model struktur Bi- berdasarkan pada kemiripan atau kesesuaian dengan model struktur terkait yang telah berhasil dibuat, Struktur Bi- yang telah dibuat akan dicocokkan dengan pola difraksi sinar-x sampel hasil sintesis. Secara umum, apabila model struktur sudah pernah dibuat maka pencocokan dapat dilakukan dengan memakai PDF menggunakan program searchmatch. Analisa semacam ini dikenal sebagai analisis kualitatif. Bila proses analisis kualitatif berhasil dan semua fasa dalam sampel telah teridentifikasi, maka dilanjutkan dengan program RIETIA untuk analisis kuantitatif, yaitu menentukan prosentase fasa yang teridentifikasi. Selain itu, analisis ini dapat mengetahui parameter-parameter struktur. Karena Bi- belum mempunyai PDF, maka untuk mencari kesesuaian pola difraksi model struktur dan hasil sintesis dilakukan dengan cara manual yaitu melihat kesesuaian letak puncak (θ) antara model dengan sampel hasil sintesis. Model struktur Bi- sudah pernah dibuat yaitu mengganti atom Tl dengan Bi dari fasa Tl-. Fasa Tl- yang digunakan adalah hasil percobaan yang telah dilakukan oleh Hurr, dkk, (995) yang memakai doping Bi pada Tl dan Ba pada Sr yaitu (Tl 0. 8Bi 0. )(Sr l.6ba 0.)a u O 9-δ (Fitriah,007). ara yang lain pembentukan model Bi- dibuat dengan mengikuti perubahan model Tl Ba a u O x (Tl-) menjadi TlBa a u O 9-δ (Tl-) dengan mengganti atom Ba dengan Sr. Pada Gambar struktur Tl- mempunyai persamaan dengan sebagian struktur Tl-, lapisan u-o serta atom Tl yang terdekat semua yang merupakan struktur Tl- sama dengan bagian yang ada pada Tl-. Model Tl- Gambar. Pebandingan Model Tl- dan Tl-. Model Tl-

3 D l D a 0.Sr 0.6u O x, Bi a 5O 6, abi O 5, ubi O, abi O. Untuk fasa Bi- yang dicari ternyata pada sampel yang telah diuji XRD tidak muncul bahkan dengan periode pemanasan yang lebih lama 0 jam(p), 0 jam(p), 60 jam(p6) hingga 00 jam(p0) sintering tidak menunjukkan adanya fasa Bi P0 P6 D P Bi- Gambar. Pemecahan model struktur Bi- menjadi dua model struktur Bi-. Model Bi- dapat dibuat dengan melakukan perubahan yang terjadi pada Tl- (ISD kode 6898,99) menjadi Tl-. Apabila Bi- (ISD kode 6605,99) di pecah menjadi Bi- maka didapatkan dua model struktur yang mungkin yaitu model dan D seperti pada Gambar. Model merupakan bagian tengah Gambar. yang berada diantara atom Bi, sedangkan model D merupakan gabungan dari bagian atas dan bawah. Dalam pemodelan ini parameter model struktur Bi- dibuat sama dengan yang ada pada model struktur Bi-.. Pola Difraksi Sampel Bi- Setelah disintering untuk mengidentifikasi fasafasa yang terbentuk pada sampel diuji dengan XRD difraktometer Philips. Puncak-puncak yang muncul dalam pola difraksi merupakan kristal yang ada di dalam sampel. Dalam pola difraksi XRD juga terdapat puncak-puncak dari impuritas. Impuritas yang terbentuk adalah senyawa yang terbentuk dari kombinasi unsur pembentuk Bi-. Searchmatch bertujuan untuk mencari adanya kemungkinan puncak baru yang tidak teridentifikasi. Puncak yang tidak teridentifikasi ini nantinya akan dicocokan dengan model yang dibuat, apabila puncak tadi cocok dengan yang ada di model maka puncak tersebut merupakan puncak dari fasa baru yang disintesis. Pola difraksi sampel Bi- seperti yang ditunjukkan pada Gambar a telah menggunakan metode pecampuran basah. Sampel Bi- pada sintering 90 0 dengan variasi periode sintering 0 jam(p), 0 jam(p), 0 jam(p), 0 jam(p), 60 jam(p5) dan 00 jam(p6) secara berturut-turut. Pada sintering P(0 jam) menunjukkan adanya peak pada sudut Bragg 0 θ, 5 0 θ, 5 0 θ merupakan fasa Bi Sr uo x(), sedangkan pada peak 9 0 θ, 7 0 θ merupakan fasa Bi.Sr.7uO 6.() dan pada puncak yang lain diketahui merupakan fasa theta Gambar a Pola difraksi XRD sampel Bi- tanpa doping. Q Pada Gambar b merupakan pola difraksi sampel BiSr.6Ba 0.a u O x dengan metode pencampuran basah dan variasi periode sintering 0 jam(q), 0 jam(q), 60 jam(q6), 00 jam(q0). Dari hasil analisa kualitatif searchmatch diketahui sampel BiSr.6Ba 0.a u O x muncul fasa-fasa impuritas seperti fasa Bi.Sr.7uO 6.() pada sudut Bragg 0 θ, 5 0 θ, 9 0 θ, 0 0 θ kemudian fasa a 0.Sr 0.6u O x() pada sudut Bragg 0 θ, 0 θ, 8 0 θ, 9 0 θ dan fasa Sr Bi uo x() yang muncul puncak pada sudut Bragg 5 0 θ, 7 0 θ dan 5 0 θ. Sedangkan fasa BiSr.6Ba 0.a u O x yang diinginkan terbentuk pada sampel, tidak menunjukkan adanya pertumbuhan fasa meskipun dengan periode sintering yang lebih lama dari 0 jam meningkat hingga 00 jam. Untuk sampel Bi.6Pb 0.Sr.6Ba 0.a u O x seperti yang ditunjukkan pada gambar.5c dengan metode pencampuran basah juga tidak menunjukkan pertumbuhan fasa Bi.6Pb 0.Sr.6Ba 0.a u O x. Seperti halnya kedua sampel diatas, pada sampel ini hanya muncul puncak impuritas seperti fasa a 0.Sr 0.6u O x(), u Sr Bi O 7.(), theta Gambar b. Pola difraksi XRD sampel Bi(Sr.6Ba 0.)a u O 9-δ Q0 Q6 Q Q P P

4 H PbO (), uo(), Ba PbO (5), Bi Sra u O 8(6) dapat dilihat pada Gambar c. dipakai dengan sampel hasil sintesis. Nilai Derived Bragg R-Factor dapat dilihat pada Tabel theta R0 R6 R R Tabel a Nilai Derived Bragg R-Factor B (x0 jam) S T U Gambar c. Pola difraksi sinar Xsampel (Bi 0.6Pb 0.)(Sr.6Ba 0.)a u O 9-δ Dari hasil analisa searchmatch ketiga sampel diatas tidak menunjukkan pertumbuhan fasa Bi- dengan doping Ba maupun Pb. Metode proses pencampuran basah dengan sintering 90 0 terjadi solid state reaction (reaksi zat padat). Pada reaksi zat padat ini atom-atom dari prekursor (Bi O, SrO, ao, uo, PbO, BaO) yang mendapat pasokan energi termal dari sintering 90 0 terjadi mobilisasi atomik yang bebas untuk teroksidasi dengan atom yang lain dan membentuk fasa-fasa impuritas, sedangkan untuk terjadi ikatan fasa Bi- sangat sulit terjadi bahkan sama sekali tidak muncul fasanya. Fasa Bi- merupakan salah satu jenis SKST yang diadopsi dari fasa dengan tujuan lebih isotropik. Dengan dimensi kisi a b dan c yang lebih rendah dibanding familinya. Fasa Bi- memerlukan treatment tertentu, mulai dari pencampuran secara kimiawi dari prekursornya yang harus bisa larut secara sempurna, kemudian pada kalsinasi yang bertujuan menghilangkan nitrat dan proses sintering yang diharapkan terjadi oksidasi pada sampel untuk mengikat oksigen berlebih sehingga bisa terjadi ikatan antar atom prekursor yang membentuk ikatan ionik maupun campuran (ikatan ionik + ikatan kovalen).. Kecocokan pola difraksi model struktur terhadap sampel Bi- Setelah dilakukan searchmatch ternyata semua puncak dapat teridentifikasi dengan menggunakan kombinasi senyawa yang mungkin terbentuk dari penggabungan Bi,Sr,a,u,O untuk sampel tanpa doping, Bi,Sr,a,u,Ba,O untuk sampel dengan doping Ba pada Sr, dan Bi,Sr,a,u,Pb,Ba,O untuk sampel dengan doping Pb pada Bi serta Ba pada Sr. Karena semua puncak dapat teridentifikasi kita tidak dapat menentukan puncak-puncak mana saja yang merupakan fasa Bi-, sehingga kita belum bisa menentukan model mana yang paling sesuai. Untuk mencari kecocokan model terhadap hasil sintesis dapat memakai program RIETIA. Pada hasil refinemen dengan program RIETIA terdapat nilai Derived Bragg R-Factor (R B) yang menyatakan kecocokan antara model yang Tabel b Nilai Derived Bragg R-Factor (x0 jam) S T U Tabel c Nilai Derived Bragg R-Factor. (x0 jam) D S T U Ket : B : Penggantian Atom Tl dengan Bi pada fasa Tl- : Memecah model Bi- menjadi Bi- bagian (gambar.) D : Memecah model Bi- menjadi Bi- bagian D (gambar.) S : BiSr a u O 9-δ T : Bi(Sr.6Ba 0.)a u O 9-δ U : (Bi 0.6Pb 0.)(Sr.6Ba 0.)a u O 9-δ Dari Tabel. nilai R B untuk semua sampel masih tergolong besar. Hal ini menunjukkan bahwa sampel hasil sintesis belum sesuai dengan model yang ada. Ketidakcocokan ini disebabkan karena adanya fasa lain, sehingga ketika dihaluskan dengan satu fasa tidak sesuai. Dari hasil searchmatch, menunjukkan banyak impuritas yang terbentuk. Perubahan nilai R B terhadap lama pemanasan menunjukkan pola yang menarik seperti pada Gambar. Berdasarkan nilai R B model truktur B, dan D memiliki kecenderungan yang sama, jadi ketiga model tersebut mempunyai kemungkinan untuk dipakai dalam identifikasi Bi-. Kurva pada Gambar menunjukkan kecenderungan

5 pola dari model fasa Bi- yang meningkat nilai R B-nya dengan semakin lamanya periode pemanasan. Nilai R B sendiri menunjukkan kecocokkan model dengan sampel yang artinya dengan nilai R B yang kecil maka sampel tersebut bisa dikatakan acceptable terhadap model. Sedangkan dari hasil pemodelan Bi- yang telah dibuat nilai R B cenderung membesar sehingga tidak terbentuk fasa Bi-. Dari hasil analisa dapat dihipotesiskan bahwa ada kemungkinan yang menyebabkan tidak terbentuknya fasa Bi- yakni pada saat sintering terjadi evaporasi pada prekursor dan kemungkinan juga sejak awal sintesis secara kimiawi prekursor sulit berikatan. R B Model Model D Model B Periode sintering (jam) Gambar. Kurva periode sintering pada model struktur P v nilai R B.. Pengaruh Doping Ba, Pb-Ba Terhadap Sampel Bi- Sampel Bi- sulit terbentuk dalam kondisi murni sehingga diperlukan doping atom tertentu. Fasa Tl- memerlukan doping Ba pada atom Sr sehingga meningkatkan fraksi volume fasa Tl- begitu juga sampel Bi- yang didoping atom Pb. Untuk fasa Bi- sendiri dengan mengadopsi kedua familinya diatas juga didoping dengan Ba pada atom Sr (sampel Q) dan didoping Pb pada atom Bi serta Ba pada atom Sr (sampel R). Dari hasil analisa kuantitatif untuk sampel-sampel Bi murni, doping Ba, doping Ba- Pb didapatkan nilai R B-nya pada sintering 0 jam dengan model struktur pada Tabel. yaitu 9,6, 5,8, 5,5 secara berturut-turut. Nilai R B ini cenderung menurun dengan penambahan doping, hasil ini juga sama dengan model struktur yang lain. Hal ini mengindikasikan bahwa sampel Bi- ada kemungkinan untuk bisa terbentuk dengan fariasi penambahan doping.. Kesimpulan Berdasarkan hasil dan pembahasan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:. Model struktur penggantian atom Tl dengan Bi pada Tl- menunjukkan kecocokan lebih besar dibandingkan dengan yang lain. Fasa Bi- terindikasi terbentuk ditunjukkan dari nilai R B cenderung menurun dengan penambahan doping. 5. Pustaka Fitriah, (007). Konstruksi struktur kristal dan pola difraksi superkonduktor fasa Bi- Sr-a-u-o Surabaya: Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Howard,.J. dan Hunter, B.A. (997), A omputer Program for Rietveld Analysis of X-Ray and Neutron Powder Diffraction Patterns, Lucas Heights Research Laboratories, AUSTRALIA Hur, N.H., hakoumakos, B.., Paranthaman, M., Thomson, J.R., risten, D.K. (995). Structure and superconducting properties of (Tl 0.8Bi 0.)(Sr l.6ba 0.)a u O 9-δ. Department of Physics, University of Tennessee, Knoxville, TN , USA. Ismunandar, (00),Padatan Oksida logam: Struktur, Sintasis dan Sifat-Sifatnya, Bandung: Jurusan Kimia, Fakultas Matematika Ilmupengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung. Ji, L., Yan,S.L., Xie, Q.L., You, S.T., Zhou, T.G., He, M., Zou, T., Zhang, X., Li, J.L., Zao, X.J. dan Fang, L. (007). An improved technique for the growth of(tl 0.95Bi 0.)(Sr 0.8Ba 0.) a u O x superconducting thin films in oxygen and argon. Department of Electronics, Nankai University, hina. Mourachkine, A. (00). Room-temperature superconductivity. ambridge: ambridge Internasional science publishing.