METODE KOPRESIPITASI, LIQUID- MIXING

Transkripsi

1 SINTESIS MULTIFEROIK BiFeO 3 DENGAN METODE KOPRESIPITASI, LIQUID- MIXING DAN SOLID-STATE REACTION MENGGUNAKAN Fe 2 O 3 HASIL SINTESIS DARI PASIR BESI Retno Asih, Darminto, Malik Anjelh Baqiya* *Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Indonesia Retno@physics.its.ac.id ABSTRAK Sintesis multiferoik BiFeO 3 telah dilakukan dengan metode kopresipitasi, wet-mixing, dan metode solid-state reaction menggunakan Fe 2 O 3 yang merupakan hasil sintesis dari pasir besi. Dalam penelitian ini digunakan variasi suhu kalsinasi, proses pemanasan langsung dan bertahap serta variasi holding time. Hasil sintesis dikarakterisasi dengan XRD (X-ray Difraction) dan DTA- TGA (Thermogravimetri-Differential Thermal Analysis). Fasa BiFeO 3 dapat disintesis dengan menggunakan Fe 2 O 3 hasil sintesis dari pasir besi melalui metode kopresipitasi, liquid-mixing dan solid-state reaction. Dekomposisi fasa BiFeO 3 menjadi fasa sekunder BFO meningkat dengan meningkatnya suhu kalsinasi dan holding time. Ukuran kristal BiFeO 3 hasil sintesis dengan ketiga metode tersebut berkisar 23 nm hingga 136 nm. Kata Kunci : Multiferoik BiFeO3, kopresipitasi, wet-mixing, solid-state reaction I. PENDAHULUAN Multiferoik merupakan sebuah material yang mempunyai dua atau lebih sifat yaitu sifat listrik, magnet dan elastis dalam satu material. Dalam prakteknya, multiferoik sering sebagai material (anti)ferromagnetik sekaligus ferroelektrik dalam satu fase fero yang sama. BiFeO 3 merupakan bahan multiferoik yang berpotensi diaplikasikan sebagai magnetoelektrik dalam suhu ruang karena memiliki sifat ferroelektrik dan antiferromagnetik pada temperatur Curie dan temperatur Neel cukup tinggi yaitu 810 o C dan 375 o C. Akan tetapi aplikasi praktis dalam pemanfaatan multiferoik BiFeO 3 masih terkendala untuk mendapatkan fase tunggal BiFeO 3. Hal ini terjadi karena permasalahan yang timbul dari non-stoikiometri sehingga menimbulkan pengotor [1]. Fase pengotor seperti Bi 2 O 3, Bi 2 Fe 4 O 9 (mullite) dan Bi 25 FeO 39 (sillenite) adalah fase yang biasa terbentuk selama sintesis. Fase ini mengubah stoikiometri dan menciptakan kekosongan oksigen. Selain itu oksida besi yang muncul selama pemrosesan dapat menghasilkan kebocoran arus yang tidak diinginkan untuk penggunaan praktis. Sintesis fase murni BFO agak sulit karena sifat termodinamik dan kinetika dari sistem Bi 2 O 3 -Fe 2 O 3. Nanopowder BFO dapat disintesis dengan wet chemical method seperti sol-gel [2], auto combustion [3], solvothemal [4] dan kopresipitasi [5] dan reaksi solid-state [6]. Tujuan dari setiap metode tersebut adalah untuk mendapatkan BiFeO 3 dengan kemurnian tinggi pada suhu terendah dengan metode yang sederhana untuk menekan biaya sehingga efektif untuk aplikasi industri [7]. Pasir besi merupakan sumber daya alam yang melimpah di Indonesia. Penggunaan pasir besi dalam penelitian telah berhasil disintesa menjadi ferrofluid, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 [8], bahkan telah digunakan dalam sintesa nanomultiferoik BiFeO 3 [9][10]. Akan tetapi belum berhasil diperoleh fase tunggal BiFeO 3, sehingga diperlukan analisis lebih lanjut untuk mensintesis multiferoik BiFeO 3 dari pasir besi dengan mengatur proses heat treatment [9]. Hal tersebut yang menjadi latar belakang penelitian sintesis multiferoik BiFeO 3 menggunakan variasi temperatur kalsinasi dan holding time dengan tujuan mengetahui pengaruh kalsinasi dalam sintesis multiferoik BiFeO 3 melalui metode kopresipitasi, liquidmixing dan proses pencampuran solid-state dengan raw material Fe 2 O 3 yang disintesis dari pasir besi. II. TINJAUAN PUSTAKA Menurut definisi yang dikemukakan oleh Schmid, bahan multiferoik adalah bahan yang menggabungkan dua atau lebih fase ferroik seperti feroelastisitas, feroelektrik, feromagnetik dan ferotoroidisitas. Sebagian penelitian difokuskan pada bahan yang menggabungkan sifat magnetik dan

2 feroelektrik. Oleh karena itu, istilah multiferoik sering identik dengan bahan ferroelektrik-magnetik [11]. Sifat magnetik dihasilkan oleh adanya interaksi pertukaran antar dipol magnetik yang berasal dari kulit orbital terisi elektron. Sifat elektrik terjadi akibat adanya dipol listrik lokal. Sifat elastis merupakan sifat hasil perpindahan atom karena strain. Terjadinya simultan magnet dan listrik sangat menarik karena menggabungkan sifat yang bisa dimanfaatkan untuk penyimpanan informasi, pengolahan, dan transmisi. Bismuth-ferit (BiFeO 3 ) merupakan multiferoik magnetoelektrik yang menunjukan koeksistensi feroelektrik dan antiferomagnetik pada suhu kamar [12]. BiFeO 3 menunjukan polarisasi listrik pada suhu dibawah T c ~1120 K dan sifat magnetik pada suhu dibawah T N ~640 K. Karena memiliki Tc yang tinggi inilah, BiFeO3 secara fungsionalitas akan lebih meningkat [13]. Pada suhu ruang, bismuth ferit memiliki struktur perovskit rhombohedral dengan grup ruang R3c. Ion ion Bi dan O secara bersama membentuk bangunan cubic close packing dengan ion Fe menempati posisi interstitial oktahedron. Struktur kubik perovskit dari BiFeO 3 dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1 [a] Struktur Kubik Perovskit BiFeO 3 R3c [11] dan [b] Perovskit Rhombohedral R3c [14] Distorsi yang lebih dikenal dan memungkinkan untuk terjadinya distorsi ini yaitu menjadi stuktur rhombohedral dengan space group R 3 c. Bentuk strukturnya ditunjukkan pada Gambar 2.1[b]. Ukuran atom yang bertindak sebagai kation akan mempengaruhi bentuk distorsi kristal. Misalnya ukuran atara kation A dan kation B tidak bertaut terlalu jauh maka bentuk kristalnya cenderung berbentuk kubik, namun jika ukuran kation berbeda jauh maka cenderung berbenduk rhombohedral. Diagram fasa Bi 2 O 3 -Fe 2 O 3 dapat dijadikan sebagai acuan/referensi dalam melakukan sintesis multiferoik BiFeO 3. Gambar 2 merupakan diagram fasa Bi 2 O 3 - Fe 2 O 3. Berdasarkan diagram tersebut fasa α- BiFeO 3 terbentuk pada saat konsentrasi Bi 2 O 3 50% dan Fe 2 O 3 50% yang disintering pada suhu 825 o C dan fasa β-bifeo 3 terbentuk pada suhu sinter di atas 825 o C dan di bawah 925 o C [15]. Gambar 2 Diagram fasa BiFeO3 [16] BiFeO 3 biasanya disiapkan dari Bi 2 O 3 dan Fe 2 O 3 dengan perbandingan mol 1:1, dan pada suhu tinggi dapat terurai kembali ke bahanbahan awal menurut persamaan: 2 + (1) III. METODE PENELITIAN Sintesis BiFeO 3 dilakukan dengan metode kopresipitasi, liquid-mixing dan solidstate reaction. Fe 2 O 3 yang merupakan hasil sintesis dari pasir besi digunakan sebagai raw material dalam sintesis multiferoik. Sintesis Fe 3 O 4 dilakukan dengan metode kopresipitasi dari pasir besi. Fe 3 O 4 selanjutnya di kalsinasi pada suhu 800 o C selama 2 jam sehingga terbentuk fasa Fe 2 O 3. Penggunaan Fe 2 O 3 mengalami kendala ketika sintesis dengan metode kopresipitasi dan liquid-mixing. Hal ini dikarenakan Fe 2 O 3 merupakan fasa stabil sehingga Fe 2 O 3 tersebut di kopresiptasi ulang membentuk fasa Fe 2 O 3.H 2 O yang cenderung mudah larut dalam pelarut HCl atau HNO 3. Metode kopresipitasi dilakukan dengan melarutkan raw material kedalam HCl kemudian mengendapkan dengan NH 4 OH. Serbuk hasil sintesis dengan metode kopresipitasi ini selanjutnya dilakukan heat treatment pada suhu 750 o C dengan variasi holding time. Holding time dilakukan secara langsung 1, 2 dan 3 jam serta dilakukan

3 pemanasan bertahap selama 2(1+1) jam, 4(2+2) jam, 6(3+3) jam dan 6(2+2+2) jam. Pemanasan pada suhu 750oC dengan waktu penahanan 2 jam sampai 3 jam dapat membentuk fasa BiFeO 3 [9]. Metode liquid-mixing dilakukan dengan raw material Fe 2 O 3 dan serbuk Fe. Pelarutan raw material kedalam HNO 3 menghasilkan larutan Ferrit Nitrat Fe(NO ) dan Bismuth Nitrat Bi(NO ). Kedua larutan distirrer dengan kecepatan dan suhu konstan yaitu 500 rpm 50 o C sampai larutan mengerak. Serbuk hasil sintesis diuji DTA-TGA (Thermogravimetri-Differential Thermal Analysis) untuk mengetahui perilaku sampel serbuk ketika dipanaskan. Heat treatment dilakukan pada suhu 550 o C, 600 o C, 650 o C, 700 o C dan 750 o C selama 1 jam. Selain itu dilakukan variasi holding time. Metode Solid-State Reaction dilakukan dengan mencampurkan serbuk Bi 2 O 3 aldrich (99,99%) dengan serbuk Fe 2 O 3 hasil sintesis (93,96%) dengan medium aceton. Selanjutnya serbuk di kompaksi 6MPa. Pellet yang terbentuk disinter pada suhu 880 o C selama 480 sekon dengan kecepatan pemanasan 10 o C/menit. Semua sampel dikarakterisasi dengan X-Ray Diffractometer. IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Pasir besi yang digunakan sebagai bahan dasar pembuatan Fe 2 O 3 berasal dari pesisir Blitar, yaitu lokasi pada jarak 50 meter dari pantai Jolosutro Blitar. Gambar 3 menunjukkan pola difraksi sinar-x dari pasir besi. Gambar 3. Pola Difraksi Sinar-X (λ=0, nm) Pasir Besi Pantai Jolosutro Blitar Pengujian XRF (X-ray Fluorescence) dilakukan untuk mendapatkan data kuantitatif kandungan unsur-unsur dalam pasir besi. Berdasarkan data XRF diketahui bahwa pasir besi Pantai Jolosutro mengandung unsur besi (Fe) sebanyak 88,29% [20]. Pasir besi ini selanjutnya diekstraksi dan digunakan sebagai bahan dasar sintesis Fe 2 O 3. Tabel 1 Identifikasi fasa dari pasir besi 50 Blitar [20] Fasa Volum (%) Magnetite (Fe 3 O 4 ) 26,9% Hematite (Fe 2 O 3 ) 39,3% Nikel Zinc Iron Oxide [(Ni,Zn)Fe 2 O 4 ] 33,78% Hasil DTA/TGA dari sampel serbuk BiFeO 3 yang disintesis dengan metode liquid mixing dari Fe 2 O 3.H 2 O ditunjukan pada Gambar 4. Kurva DTA yang memberikan informasi tentang aliran panas (heat flow) yang terjadi pada serbuk serta kaitannya dengan reaksi eksoterm dan endoterm. Sedangkan kurva berwarna hitam merupakan kurva TGA yang memberikan informasi tentang pengurangan massa (weight loss) dari sampel yang dipanaskan dengan kecepatan 10 o C per menit dari suhu ruang sampai suhu 1100 o C. Massa awal serbuk sebesar 16,8136 gram. Massa sampel yang digunakan dalam uji DTA/TGA ini tidak boleh lebih dari 20 gram. Kurva TGA dan turunan kurva ditunjukan Gambar 5 untuk melihat weight loss selama pemanasan. Weight loss sekitar 30% terjadi dalam rentang suhu 113,25 o C 501,78 o C. Hal ini mengindikasikan penguapan air ( o C), dekomposisi urea ( o C) dan dekomposisi nitrat ( o C) [17]. Setelah suhu tersebut penurunan massa sangat kecil atau bisa dikatakan setelah suhu tersebut reaksi yang terjadi masih stabil. Terjadinya kehilangan massa pada serbuk dapat diindikasikan terjadinya transformasi fasa dengan pelepasan ikatan kimia. Pelepasan ikatan kimia ini berkaitan dengan terpisahnya atom sehingga menjadikan massa atom relatif (Mr) berubah. Selain itu weight loss juga bisa mengindikasikan penguapan garam-garam impuritas pada sampel. Hasil uji DTA/TGA tersebut selanjutnya dijadikan acuan suhu kalsinasi dengan membandingkannya terhadap diagram fasa dan referensi dari jurnal. Suhu kalsinasi untuk sampel yang disintesis dengan metode liquid mixing yaitu 550 o C, 600 o C, 650 o C, 700 o C dan 750 o C dengan holding time 1 jam.

4 Gambar 4 Kurva analisis DTA/TGA sampel serbuk yang disintesis dengan metode liquid mixing larut dalam pelarut HCl maupun HNO 3 ketika sintesis BiFeO 3 dengan metode kopresipitasi dan liquid mixing sehingga akan mempengaruhi perbandingan mol Fe:Bi dalam perhitungan stoikiometri. Untuk itu dilakukan kopresipitasi ulang dari Fe 2 O 3 yang telah disintesis. Hasil kopresipitasi ini menghasilkan Fe 2 O 3.H 2 O yang mudah larut dalam pelarut HNO 3 dan HCl. Pola difraksi dari Fe 2 O 3.H 2 O ditunjukan pada Gambar 7. Gambar 5 Kurva TGA dan turunan pertama dari kurva pada sampel BiFeO3 yang disintesis dengan metode liquid mixing Proses perubahan fasa hematit dimulai ketika Fe 2+ dan Fe 3+ dalam magnetit dipanaskan sampai titik kritisnya (585 K) maka Fe 2+ yang lebih tidak stabil dari pada Fe 3+ mengalami oksidasi menjadi Fe 3+ dan berdifusi sehingga terbentuk Fe 2 O 3. Pada suhu yang konstan misalkan 600 C, terjadi difusi antar partikel pada batas butir sehingga grain yang terbentuk semakin besar. Pola XRD dari Fe 3 O 4 yang telah dikalsinasi pada suhu 800 o C selama 2 jam ditunjukan pada Gambar 4.6. Fasa hematite (Fe 2 O 3 ) yang terbentuk 93,96%. Gambar 6 Pola XRD Fe 2 O 3 yang disintesis dari pasir besi Pantai Jolosutro, Blitar Fe 2 O 3 digunakan sebagai bahan dasar sintesis BiFeO 3. Akan tetapi Fe 2 O 3 ini sukar Gambar 7 Pola difraksi Fe 2 O 3 yang di kopresipitasi ulang Metode Kopresipitasi Fase BiFeO 3 sudah mulai terbentuk dengan proses kalsinasi pada suhu 750 o C. Akan tetapi fraksi volum fasa BiFeO 3 masih kecil. Terdapat fasa-fasa sekunder BFO yang terbentuk seperti Bi 46 Fe 2 O 72 dan Bi 2 Fe 4 O 9. volum BiFeO 3 meningkat dengan meningkatnya holding time untuk pemanasan langsung. Fasa sekunder BFO terbentuk ketika holding time 2 dan 3 jam dan fraksi volumnya turut bertambah dengan kenaikan holding time sebagaimana BiFeO 3. Adanya pengotor Bi 2 Fe 4 O 9 dan Bi 46 Fe 2 O 72 terbentuk ketika suhu dan oksigen tidak dikontrol secara akurat selama kristalisasi dari fasa BFO yang menyebabkan kinetika fasa formasi selalu menyebabkan tahapan impuritas lain di sistem Bi-Fe-O [18]. BiFeO 3 mengalami dekomposisi fasa selama holding time berlangsung sehingga komposisinya berubah. Bardasarkan hasil penelitiannya, komposisi BiFeO 3 akan menurun sedangkan komposisi Bi 2 Fe 4 O 9 dan Bi 25 FeO 39 akan meningkat seiring meningkatnya holding time. Ketika holding time lebih dari 2 jam, fasa BiFeO 3 mengalami dekomposisi menjadi fasa Bi 2 Fe 4 O 9 dan Bi 25 FeO 39 menurut persamaan reaksi [17]: 49BiFeO 12Bi Fe O + Bi FeO (2)

5 Gambar 8 Pola difraksi sampel yang di kalsinasi dengan variasi holding time Gambar 9 Pola difraksi sampel pada pemanasan bertahap Dalam penelitian ini menunjukan bahwa pemanasan bertahap dengan kelipatan lama pemanasan konstan (misalkan bertahap setiap 2 jam) mampu memberikan komposisi jumlah fasa BiFeO 3 lebih baik dari pada pemanasan langsung. Akan tetapi harus memperhatikan dekomposisi BiFeO 3. Holding time ini berkaitan dengan pemberian kesempatan bagi atom-atom untuk menyusun diri membentuk fasa yang lebih stabil. volum fasa BiFeO 3 hasil sintesis dengan metode kopresipitasi ditunjukan pada Tabel 2. Tabel 2 Fasa yang terbentuk pada sintesis dengan metode kopresipitasi No Perlakuan volum BiFeO (%) 1 Tanpa pemanasan o C_1 jam 9, o C_2 jam 13, o C_3 jam o C_2(1+1)jam 26,4 O 3 volum BFO (%) - 9,8 15,6 24,8 42, o C_4(2+2) jam o C_6(3+3) jam 750 o C_6(2+2+2) 8 jam Metode Liquid-Mixing 37,1 55,3 33,9 49,6 22,3 71 Metode liquid mixing dilakukan dengan mencampurkan larutan Bismuth Nitrat [Bi(NO 3 ) 3 ] dan Ferrit Nitrat [Fe(NO 3 ) 3 ] yang diperoleh dengan melarutkan Bi 2 O 3 dan Fe 2 O 3 dalam asam nitrat HNO 3, sampai mengerak pada temperatur konstann 50 o C. Fe 2 O 3 yang digunakan sebagai bahan dasar pembuatan Ferrit Nitrat [Fe(NO 3 ) 3 ] merupakan Fe 2 O 3 yang telah di kopresipitasi ulang sehingga dapat terlarut sempurna dalam HNO 3. Sedikit pengotor Bi 2 Fe 4 O 9 ditemukan pada sampel yang dikalsinasi pada suhu 700 o C, yang disebabkan oleh dekomposisi fase BiFeO 3 pada suhu tinggi [17]. Fase kedua, Bi 2 Fe 4 O 9 terbentuk padaa pemanasan diatas 675 o C [19]. Untuk mendapatkan fasa BiFeO 3 yang lebih tinggi dapat diperoleh dengan pemanasan pada suhu rendah dan pemanasan cepat (~1jam) sehingga meminimalisisr terbentuknya fasa sekunder Bi 2 Fe 4 O 9 dan Bi 25 FeO 39. Walaupun begitu, fasa BiFeO 3 yang terbentuk pada suhu rendah ini merupakan fasa yang metastabil sehingga harus dihindari untuk perlakuan panas yang terlalu lama [17]. Gambar 10 Pola difraksi sampel yang dikalsinasi dengan variasi suhu selama 1 jam Berdasarkan identifikasi fasa, sampel yang disintesis dengan metode liquid mixing dengan bahan dasar Fe 2 O 3 hasil sintesis dari pasir besi berhasil membentuk fasa BFO dengan kemurnian tinggi (Tabel 3). Tidak ditemukan impuritas berupa komponen Bi 2 O 3 maupun Fe 2 O 3. volum fasa BiFeO 3

6 tertinggi diperoleh ketika sampel di kalsinasi pada suhu 550 o C selama 1 jam. Fasa sekunder BFO yang terbentuk menyertai pembentukan BiFeO 3 adalah Bi 2 Fe 4 O 9 dan Bi 25 FeO 40. Komposisi fasa BiFeO 3 semakin berkurang dengan semakin meningkatnya suhu kalsinasi. Sebaliknya komposisi fasa sekunder BFO semakin bertambah dengan meningkatnya suhu kalsinasi. Hal ini dikarenakan pada suhu tinggi, BiFeO 3 mengalami dekomposisi menjadi fasa sekunder Bi 2 Fe 4 O 9 dan Bi 25 FeO 40. Tabel 3 volume fase BiFeO 3 pada sampel yang disintesis dengan metode liquid mixing dari Fe 2 O 3 Metode liquid mixing juga dilakukan dengan bahan dasar serbuk Fe murni sebagai perbandingan. Berbeda dengan liquid mixing dari Fe 2 O 3, ketika di kalsinasi pada suhu rendah 550 o C terbentuk fasa Bi 2 O 3. Komponen Bi 2 O 3 ini tidak terbentuk kembali ketika kalsinasi pada suhu diatas 600 o C. Pada suhu 650 o C telah terbentuk fasa BFO 100%. Fasa sekunder BFO yang terbentuk yaitu Bi 2 Fe 4 O 9 dan Bi 25 FeO 40. No Perlak uan volum BiFeO 3(%) Fase lain volum BFO (%) o C 600 o C 650 o C 700 o C 41,8 32,9 29,6 12,8 Bi 2 Fe 4 O 9 (26,9%) Bi 25 FeO 40 (24,1%) Bi 2 Fe 4 O 9 (30,3%) Bi 25 FeO 40 (32,8%) Bi 2 Fe 4 O 9 (30%) Bi 25 FeO 40 (40,1%) Bi 2 Fe 4 O 9 (35,4%) Bi 25 FeO 40 (49,6%) 92, ,7 97,8 Gambar 12 Pengaruh variasi suhu kalsinasi dari sampel yang disintesis dari Fe Tabel 4 volume fase BiFeO3 pada sampel yang disintesis dengan metode liquid mixing dari serbuk Fe Perlaku an Volum BiFeO 3 (%) Fasa lain Volum BFO(%) o C 5,3 Bi 25 FeO 40 (85,1%) 90,4 Tanpa Pemana san 3,6 Bi 2 O 3, Fe 2 O 3, NH 4 NO 3, Fe, Bi, Bi 25 FeO 40 (8,1%) 11, o C _2jam 5 Bi 25 FeO 40 (84,3%) Bi, Fe2O3 89,3 550 o C_ 1jam 50,7 Bi 2 Fe 4 O 9 (2,9%) Bi 25 FeO 40 (8,6%) Bi 2 O 3 (37,7%) 62,3 600 o C_ 1jam 47,1 Bi 2 Fe 4 O 9 (2,5%) Bi 25 FeO 40 (5,5%) Bi 2 O 3 (44,5%) 55,1 650 o C_ 1jam 37,4 Bi 2 Fe 4 O 9 (9,5%) Bi 25 FeO 40 (53,1%) 100 Gambar 11 Perubahan komposisi BFO sebagai fungsi suhu kalsinasi Perubahan komposisi fasaa BiFeO 3 dan fasa sekunder BFO sebagai fungsi kenaikan suhu kalsinasi disajikan pada gambar o C_ 3jam 42,6 Bi 2 Fe 4 O 9 (7,9%) Bi 25 FeO 40 (49,5%) 100 Pola difraksi menunjukan bahwa intensitas puncak fasa BiFeO 3 menurun dengan semakin tingginya suhu kalsinasi sedangkan fasa sekunder semakin bertambah.

7 Hal ini mengindikasikan adanya dekomposisi fasa BiFeO 3 pada suhu tinggi [17]. Metode Solid-State Reaction Metode solid-state reaction dilakukan dengan mencampurkan Bi 2 O 3 aldrich (99,99%) dengan Fe 2 O 3 hasil sintesis dari pasir besi (93,96%) dengan medium aseton. Proses peletisasi dilakukan pada tekanan 6 MPa kemudian disintering pada suhu 880 o C selama 480 sekon. Sampel dibentuk pelet dengan tujuan untuk memperkecil jarak antar partikel sehingga mempercepat distribusi panas selama sintering yang akan mempercepat reaksi maupun transformasi fasa. Pembentukan fase tunggal BiFeO 3 terjadi ketika Bi 2 O 3 menjadi fase cair bereaksi dengan Fe 2 O 3. Titik leleh Bi 2 O 3 pada suhu 825 o C. Oleh karena itu sintering dengan laju pemanasan yang cepat dengan waktu singkat pada suhu 880 o C menjadi acuan untuk menghindari hilangnya Bi, pemisahan Fe 2 O 3 dan menghindari terbentuknya impuritas [6]. Dalam proses solid-state, BiFeO 3 tidak menunjukan aktivitas sintering yang baik. Pada suhu o C, BiFeO 3 mengalami dekomposisi menjadi Bi 2 Fe 4 O 9 secara perlahan-lahan, diatas 830 o C BiFeO 3 menjadi Bi 2 Fe 4 O 9 sedangkan dibawah 675 o C, BiFeO 3 memiliki densitas yang rendah [13]. * BiFeO 3 º Bi 2 Fe 4 O 9 Δ Bi 46 Fe 2 O 72 meningkat dengan meningkatnya suhu kalsinasi. Hal ini berkaitan dengan pertumbuhan kristal pada temperatur tinggi. BiFeO 3 yang disintesis dengan metode solidstate reaction memiliki ukuran 66 nm. Sedangkan sintesis dengan metode kopresipitasi dengan holding time 4(2+2)jam menunjukan ukuran kristal BiFeO 3 sebesar 111 nm. Hasil analisis ukutan kristal BiFeO 3 disajikan pada Tabel 5 = ( ) (3) Tabel 5 Analisis ukuran kristal BiFeO 3 dengan program Fityk. Metode Liquid Mixing_Fe 2 O 3 Liquid Mixing_Fe Perlakuan Ukuran (nm) Volum BiFeO 3 (%) 550 o C 23 41,8 600 o C 28 32,9 650 o C 32 29,6 700 o C 40 12,8 750 o C 41 5,3 550 o C 70 50,7 600 o C 81 47,1 650 o C ,4 Solid-State Reaction 880 o C_480 s 66 36,9 Gambar 13 Pola difraksi dari sampel yang disintesis dengan metode solid-state reaction Metode solid-state reaction juga belum berhasil mensintesis fasa tunggal BiFeO 3. Berdasarkan analisis kuantitatif terhadap hasil XRD diperoleh fraksi volum BFO sebesar 80,6% dengan komposisi BiFeO 3 36,9% sedangkan komposisi fasa sekunder Bi 2 Fe 4 O 9 sebesar 36,5% serta Bi 46 Fe 2 O 72 sebesar 7,3% dengan fasa-fasa impuritas Bi 2 O 3 dan Fe 2 O 3. Analisis ukuran kristal dilakukan dengan menggunakan persamaan Debye-Scherrer dengan software Fityk. Ukuran kristal BiFeO 3 Kopresipitasi 750 o C_4(2+2) jam ,1 V. KESIMPULAN 1. Fasa BiFeO 3 dapat disintesis dengan metode kopresipitasi, wet mixing dan solid-state reaction menggunakan Fe 2 O 3 hasil sintesis dari pasir besi Pantai Jolosutro, Blitar. 2. Metode, suhu dan holding time selama proses pemananasan sangat berpengaruh terhadap fasa BiFeO 3. Pada sintesis dengan metode kopresipitasi, pemanasan bertahap 2 sampai 3 jam lebih efektif

8 untuk membentuk fasa BFO dan meminimalkan impuritas. Pemanasan pada suhu rendah 550 o C dengan waktu penahanan singkat (selama 1 jam) memberikan fraksi volum BiFeO 3 terbesar 50,7% dan menghindari reaksi dekomposisi BiFeO 3 menjadi fasa sekunder BFO ketika sintesis dengan metode wet-mixing. Metode solid-state reaction berhasil membentuk fasa BiFeO 3 dengan sintering pada suhu tinggi 880 o C dan holding time singkat 480 sekon. 3. Ukuran kristal BiFeO 3 yang disintesis dengan ketiga metode tersebut dalam rentang nm. Ukuran kristal meningkat dengan meningkatnya suhu kalsinasi. DAFTAR PUSTAKA [1] K. Sen, et al., Dispersion studies of La substitution on dielectric and ferroelectric properties of multiferroic BiFeO3 ceramic, Ceram. Int. (2011), doi: /j.ceramint [2] Yuan et al,(2006), Preparation and Multi-properties of Insulated Singlephase BiFeO3 ceramics, Solid State Communications. Vol.138,p [3] J. Yang et al. / Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) Factors controlling pure-phase magnetic BiFeO3 powders synthesized by solution combustion doi: /j.jallcom [4] De-Chang Jia et al,(2009), Structure And Multiferroic Properties Of BiFeO3 Powders, Journal of the European Ceramic Society,Vol.29,p [5] Hua et al.,(2010), Factors Controlling Pure-Phase Multiferroic BiFeO 3 Powders Synthesized by Chemical Coprecipitation,Journal of Alloys and Compounds Vol.509,p [6] Pradhan et al.(2005). Magnetic and Electrical Properties of Single-phase Multiferroic BiFeO 3.Journal of Applied Physics 97,093903(2005) [7] M.Y. Shami, et al., J. Alloys Compd. (2011),doi: /j.jallcom [8] Gufron, Muhammad Pengaruh Suhu dan Waktu Pemanasan terhadap Pembentukan Nanokomposit Fe 3 O 4 /Fe 2 O 3.Instutut Teknologi Sepuluh Nopember:Surabaya [9] Fitriyah,Nurul.(2011). Sintesis Bahan Multiferoik BiFeO 3 dengan Metode Kopresipitasi.Institut Taknologi Sepuluh Nopember;Surabaya [10]Retnowati,DwiYuli Karakterisa-si Sifat Magnet dan Listrik Bahan Multiferoik BiFeO3.Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya [11] Picozzi,Silvia and Claude Ederer First Principles Studies of Multiferroic Materials.Journal Physics:Condens Matter 21(2009)303201(18pp) [12] P. Sen, A. Dey, A.K. Mukhopadhyay, S.K. Bandyopadhyay,A.K. Himanshu, Nanoindentation Behaviour of Nano BiFeO3, Ceramics International(2010), doi: /j. ceramint [13] Hua Dai,Zhong, Yukikuni Akhisige BiFeO3 ceramics synthesized by spark plasma sintering. dx.doi.org/ /j.ceramint [14] Levy Mark,(2005), Crystal Structure and Defect Property Predictions in Ceramic Materials, Department of Materials Imperial College of Science,Technology and Medicine : London [15] Palai et al.,( 2008), Physics,Rev.B- 7,Vol [16] Lu,J Phase Equilibrium of Bi 2 O 3 - Fe 2 O 3 pseudo-binary system and growth of BiFeO 3 Single Crystal.Journal of Crystal Growth 318(2011) [17] Carvalho, P.B. Tavares,(2008),"Synthesis and Thermodynamic Stability of Multiferroic BiFeO3",Materials Letters 62 (2008) [18] Kuk, Jong Kim. Et al.2005.sol-gel synthesis and properties of Multiferroic BiFeO 3.Material Letters,59, pp [19] J.L. Mukherjee, F.F.Y. Wang, Kinetics of solid state reaction of Bi2O3 and Fe2O3, Journal of the American Ceramic Society 54 (1971) [20] Arifani,Mariya Identifikasi dan Karakterisasi Pasir Besi di Pantai Selatan Kabupaten Blitar.Institut Teknologi Sepuluh Nopember:Surabaya