ANALISIS HAMBAT JENIS PENAMBAHAN NANO SiC PADA SUPERKONDUKTOR MgB 2 TANPA PERLAKUAN PANAS

Transkripsi

1 ANALISIS HAMBAT JENIS PENAMBAHAN NANO SiC PADA SUPERKONDUKTOR MgB 2 TANPA PERLAKUAN PANAS Sigit Dwi Yudanto*, Agung Imaduddin, Hendrik, Bintoro Siswayanti, Satrio Herbirowo Pusat Penelitian Metalurgi dan Material LIPI Gedung 470, Kawasan Puspiptek, Setu, Tangsel * sigi008@lipi.go.id Abstrak Telah dilakukan percobaan penambahan doping nano SiC pada material superkonduktor MgB 2. MgB 2 adalah material superkonduktor yang mempunyai suhu kritis 39 K dan memiliki potensi untuk aplikasi kawat superkonduktor pengganti Nb 3 Sn. Penambahan Nano SiC sebesar 10 dan 15wt.% dilakukan untuk mempelajari pengaruhnya terhadap hambat jenis MgB 2. Percobaan penambahan nano SiC sebesar 10 dan 15wt.% pada MgB 2 diawali dengan penimbangan serbuk MgB 2 (~100 mesh) dan SiC (ukuran nm). Masing-masing sampel menggunakan serbuk MgB 2 sebesar 4 gram. Pada penambahan nano SiC, setelah penimbangan MgB 2 dan nano SiC, kedua bahan kemudian dicampur dan digerus menggunakan mortar agate selama 30 menit. Hasil gerusan dibentuk pelet berdiameter 1,2 cm dengan tekanan sebesar 140 MPa. Analisis pengujian yang dilakukan menggunakan difraktometer sinar-x untuk pembuktian fasa yang terbentuk, sedangkan perilaku superkonduktivitas sampel dianalisis menggunakan cryogenic magnetic untuk mengetahui suhu kritisnya. Suhu kritis hasil percobaan, baik MgB 2 komersil adalah ~37,5 K dan MgB 2 yang ditambah nano SiC adalah ~38,3 K. Penambahan nano SiC mempengaruhi sifat superkonduktivitas MgB 2. Kata kunci: MgB 2, Nano SiC, Hambat jenis PENDAHULUAN Magnesium diboride (MgB 2 ) adalah superkonduktor yang menjanjikan dengan suhu kritis tinggi, 39K [1] [3]. Material MgB 2 mulai dikembangkan sekitar tahun 1950-an, tetapi sifat superkonduktivitasnya ditemukan pada tahun 2001 oleh Nagamatsu, dkk [1],[3]. Menurut Nagamatsu, dkk, MgB 2 adalah senyawa sederhana yang terdiri dari dua unsur logam yang mempunyai perilaku superkonduktor, sehingga membuat para peneliti tertarik untuk mengembangkan material superkonduktor paduan logam tersebut. Selain mempunyai suhu kritis ~39 K (diatas helium cair), MgB 2 mempunyai rapat arus kritis yang tinggi, yaitu sebesar A/cm 2 dan medan magnet 0 pada suhu rendah [1]. Panjang koherensi MgB 2 adalah 3-12 nm, dimana nilai ini lebih besar dari superkonduktor suhu tinggi (HTSC) [2]. Penelitian dan pengembangan material MgB 2 yang dilakukan diharapkan dapat menggantikan material Nb 3 Sn, karena selain mempunyai nilai suhu kritis yang lebih tinggi, MgB 2 lebih murah dibandingkan dengan Nb 3 Sn. Perkembangan material superkonduktor logam dan paduannya dari tahun ke tahun ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. Suhu kritis (T c ) beberapa material logam dan paduan [3] LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA 287

2 Gambar 2. Struktur kristal MgB 2 [1], [2] Struktur kristal MgB 2 adalah Hexagonal Closed Pack (HCP) [1], [3], termasuk dalam sistem kristal heksagonal dengan golongan ruang P6/mmm [1] seperti yang terlihat pada Gambar 2. Penelitian penambahan senyawa karbon aromatik pada MgB 2, misalnya SiC, TiC, HfC, dan NbC telah dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan rapat arus [4] [11]. Menurut Yamamoto, dkk, penambahan nano SiC pada MgB 2 dapat meningkatkan nilai rapat arus. Dengan dasar tersebut maka dilakukan percobaan awal penambahan SiC pada superkonduktor MgB 2 [9]. Pada percobaan yang dilakukan, pengujian hanya sampai pengukuran hambat jenis dan suhu kritisnya. Sedangkan untuk nilai rapat arus tidak dilakukan pengukuran. METODE PERCOBAAN Percobaan penambahan nano SiC sebesar 10 dan 15wt.% pada MgB 2 diawali dengan penimbangan serbuk MgB 2 (~100 mesh) dan SiC (ukuran nm). Masing-masing sampel menggunakan serbuk MgB 2 sebesar 4 gram. Pada penambahan nano SiC, setelah penimbangan MgB 2 dan nano SiC, kedua bahan kemudian dicampur dan digerus menggunakan mortar agate selama 30 menit. Hasil gerusan dibentuk pelet berdiameter 1,2 cm dengan tekanan sebesar 140 MPa. Karakterisasi hasil penambahan nano SiC pada MgB 2 menggunakan difraktometer sinar-x SmartLab (Rigaku) untuk mengetahui fasa yang terbentuk. Difraktometer sinar-x memakai radiasi Cu kα (λ =1,5418 Å) dengan filter Cu kβ. Pengukuran dilakukan pada rentang sudut 2ϴ = dengan laju pengamatan 8 derajat/menit. Pengukuran suhu kritis sampel menggunakan Cryogenic Magnet Cryotron FR buatan Oxford dengan metode four point probe. HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis difraksi sinar-x Gambar 3. Pola difraksi sinar-x MgB 2, MgB 2 +10wt.%SiC dan MgB 2 +15wt.%SiC Pola difraksi sinar-x MgB 2 komersil, dan MgB 2 +(10 dan 15 wt.% SiC) ditunjukkan pada Gambar 3. Dari gambar tersebut terlihat pola difraksi MgB 2 murni dengan puncak- 288 LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA

3 puncak yang sesuai dengan JCPDS PDF-4 No edisi Tahun Puncakpuncak yang merupakan milik MgB 2 adalah puncak pada sudut 2ϴ 32,75;41,69 dan 59,16. Ketika MgB 2 ditambah dengan 10 dan 15 wt.% SiC, muncul puncak baru pada sudut 2ϴ 35. Puncak pada sudut tersebut adalah milik fasa SiC yang sesuai dengan JCPDS PDF-4 No edisi Tahun Penghalusan pola difraksi sampel MgB 2, MgB 2 +10wt.% dan MgB 2 +15wt.% SiC menggunakan metode Rietvield dilakukan untuk mengetahui data kristalografi MgB 2 komersil dan MgB 2 yang didoping nano SiC. Hasil penghalusan pola difraksi ditunjukkan pada Gambar 4 dan Tabel 1. a). MgB 2 komersil b). MgB 2 +10wt.% SiC c). MgB 2 +15wt.% SiC Gambar 4. Hasil penghalusan pola difraksi sinar-x sampel a). MgB 2, b). MgB 2 +10wt.% dan c). MgB 2 +15wt.% SiC menggunakan metode Rietvield Tabel 1. Hasil penghalusan pola difraksi MgB 2, MgB 2 +10wt.% dan MgB 2 +15wt.% SiC Sampel MgB 2 MgB 2 +10wt.% SiC MgB 2 +15wt.% SiC a = 3,1315 a = 3,10994 a = 3,1203 Parameter unit sel (Å) b = 3,1315 b = 3,10994 b = 3,1203 MgB 2 c = 3,5683 c = 3,5529 c = 3,6049 Sistem kristal hexagonal Grup ruang P6/mmm (191) Parameter unit sel (Å) SiC Sistem kristal cubic Grup ruang F-43m (216) - a = 4,447 a = 4,451 - b = 4,447 b = 4,451 - c = 4,447 c = 4,451 LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA 289

4 Volume unit sel MgB 2 (Å 3 ) 30,304 29,759 30,397 Volume unit sel SiC (Å 3 ) - 87,94 88,18 Rwp (%) 55,51 57,95 50,51 Rp (%) 46,84 48,58 39,28 λ 2 1,0408 1,8603 1,5025 Analisis hambat jenis Pengukuran suhu kritis sampel MgB 2, MgB 2 +10wt.% dan MgB 2 +15wt.% SiC dilakukan dengan cryogenic magnetic. Gambar 5 menunjukkan kurva hambat jenis sampel MgB 2, MgB 2 +10wt.% dan MgB 2 +15wt.% SiC terhadap perubahan suhu. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa suhu kritis MgB 2 komersil adalah 37,5K. Penambahan nano SiC ternyata menaikkan suhu kritis mejadi 38,3K. Dari ketiga kurva tersebut terlihat bahwa pola kurva mempunyai kecenderungan pola yang berbeda. Pola kurva hambat jenis material superkonduktor MgB 2 tanpa penambahan terlihat linier terhadap suhu sampai mencapai Tc onset. Tetapi pada kurva MgB 2 yang didoping dengan 10 wt.% nano SiC terlihat bahwa sebelum Tc onset, nilai hambat jenis mengalami kenaikan. Kecenderungan ini seiring dengan jumlah penambahan nano SiC. Fenomena ini terjadi karena SiC adalah bahan semikonduktor [12], sehingga penambahan doping SiC membuat sifat superkonduktivitas MgB 2 terpengaruh dengan sifat semikonduktor SiC. Gambar 5. Kurva hambat jenis MgB 2, MgB 2 +10wt.% dan MgB 2 +15wt.% terhadap perubahan suhu Gambar 6. Perbandingan kurva hambat jenis yang dinormalisasi 290 LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA

5 Gambar 6 memperlihatkan kurva sampel 1, 2 dan 3 yang telah dinormalisasi dengan nilai hambat jenis pada suhu ~38K. pada sampel 1 memperlihatkan penurunan nilai hambat jenisnya terjadi secara lambat, dan mencapai Tc 0 nya pada suhu 11,45K. Diantara ketiga sampel, sampel 2 dengan SiC 10 wt.% memiliki nilai Tc 0 tertinggi, hal ini menunjukkan bahwa SiC pada jumlah tertentu meskipun menyebabkan nilai mutlak hambat jenis listrik diatas suhu kritis menjadi naik akibat adanya sifat semikonduktor SiC, hal ini juga dapat menaikkan nilai Tc 0 pada superkonduktor MgB 2. Data suhu kritis MgB 2, MgB 2 +10wt.% dan MgB 2 +15wt.%SiC ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2. Tc onset, dan Tc 0 MgB 2, MgB 2 +10wt.% dan MgB 2 +15wt.%SiC Sampel Tc onset (K) Tc 0 (K) 1. MgB 2 37,5 11,45 2. MgB 2 +10wt.% SiC 38,3 24,16 3. MgB 2 +15wt.% SiC 38,3 22,3 Tabel 2 memperlihatkan rangkuman Tc onset, dan Tc 0. Dilihat dari nilai Tc 0 yang terjadi, terlihat bahwa penambahan nano SiC membuat nilai Tc 0 naik hingga penambahan sebanyak 10 wt.%. Setelah penambahan melebihi 10 wt.%, nilai Tc 0 mengalami penurunan. Hal ini disebabkan kelebihan penambahan nano SiC membuat elektron luar yang bergerak menghantarkan listrik semakin terganggu akibat semakin banyaknya atom nano SiC yang terbentuk. KESIMPULAN Penambahan nano SiC mempengaruhi hambat jenis MgB 2. Semakin besar wt.% penambahan nano SiC, sifat material MgB 2 berangsur-angsur menuju ke sifat superkonduktivitas MgB 2 terpengaruh dengan sifat semikonduktor nano SiC. Penambahan nano SiC pada jumlah tertentu hingga 10 dan 15 wt.% dapat menaikkan nilai Tc onset pada superkonduktor MgB 2 yaitu dari nilai 37,5K menjadi 38,3K. Nilai Tc 0 mengalami kenaikan pada saat MgB 2 ditambah 10 wt.% SiC, yaitu dari 11,45K menjadi 24,16K. Setelah melebihi 10 wt.%, nano SiC dapat menyebabkan nilai Tc 0 kembali turun menjadi 22,3K. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih penulis ucapkan kepada Pemerintah Indonesia yang telah membiayai penelitian ini melalui kegiatan Penguatan Kompetensi Pusat Penelitian Metalurgi dan Material LIPI Tahun Anggaran DAFTAR PUSTAKA 1. J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani, and J. Akimitsu, Superconductivity at 39 K in magnesium diboride., Nature, vol. 410, no. 6824, pp , G. Fuchs, B. Holzapfel, K. H. Muller, and L. Schultz, Superconductors : Basic Properties and Materials Development of MgB 2, Encycl. Mater. Sci. Technol., vol. 41, pp. 1 6, A. Moys, Superconductor. Croatia: Sciyo Publishing, T. Dilek, E. Taylan Koparan, M. Başoǧlu, and E. Yanmaz, The magnetic and structural properties of SiC-doped MgB 2 bulks prepared by the standard ceramic processing, J. Supercond. Nov. Magn., vol. 24, no. 1 2, pp , Y. Ding, H. C. Wang, F. X. Zhao, Z. X. Shi, Z. L. Zhang, L. Ma, and H. L. Suo, Nano- SiC doped MgB 2 bulks synthesized by rapid process, J. Supercond. Nov. Magn., vol. 23, no. 5, pp , LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA 291

6 6. S. X. Dou, S. Soltanian, J. Horvat, X. L. Wang, S. H. Zhou, M. Ionescu, H. K. Liu, P. Munroe, and M. Tomsic, Enhancement of the critical current density and flux pinning of MgB 2 superconductor by nanoparticle SiC doping, Appl. Phys. Lett., vol. 81, no. 18, pp , O. Husnjak, I. Kušević, E. Babić, S. Soltanian, X. L. Wang, and S. X. Dou, Strong flux pinning in nano-sic doped MgB 2 tapes, Physica C: Superconductivity and its Applications, vol I, no. SPEC. ISS. pp , A. Yamamoto, J. Shimoyama, S. Ueda, Y. Katsura, I. Iwayama, S. Horii, and K. Kishio, Universal relationship between crystallinity and irreversibility field of MgB 2, Appl. Phys. Lett., vol. 86, no. 21, pp. 1 3, A. Yamamoto, J. Shimoyama, I. Iwayama, Y. Katsura, S. Horii, and K. Kishio, Influence of dopant particle size on the critical current properties and microstructures of MgB 2 bulks doped with TiC and SiC, Phys. C Supercond. its Appl., vol , no. SUPPL., pp , M. Ranot, S. G. Jung, W. K. Seong, N. H. Lee, W. N. Kang, J. Joo, C. J. Kim, B. H. Jun, and S. Oh, Fabrication of SiC-doped MgB 2 coated conductors by a simple process, Phys. C Supercond. its Appl., vol. 470, no. SUPPL.1, pp , H. Yamada, M. Hirakawa, H. Kumakura, and H. Kitaguchi, Effect of aromatic hydrocarbon addition on in situ powder-in-tube processed MgB 2 tapes, p. 6, A. Ferreira da Silva, J. Pernot, S. Contreras, B. E. Sernelius, C. Persson, and J. Camassel, Electrical resistivity and metal-nonmetal transition in n-type doped 4H- SiC, Phys. Rev. B, vol. 74, no. 24, p , LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA