THE EFFECT OF Pb DOPANT ON THE VOLUME FRACTION OF BSCCO-2212 SUPERCONDUCTING CRYSTAL

Transkripsi

1 Jurnal Natural Vol. 11, No. 2, 2011 THE EFFECT OF Pb DOPANT ON THE VOLUME FRACTION OF BSCCO-2212 SUPERCONDUCTING CRYSTAL Nurmalita Jurusan Fisika FMIPA Universitas Syiah Kuala nurmalitapatra@yahoo.com Abstract. A reseach about the effect of Pb dopant on the volume fraction of BSCCO-2212 superconducting crystal with slow cooling periode of 90 hours for knowing the volume fraction superconducting crystal. An experiment has been carried out on the formation of BSCCO-2212 superconducting crystal by the melt-textured growth at C. The syntheses were conducted with the molar ratio of the Pb dopant varied between 0 and 0.4, while the period of the slow cooling process fixed at 90 hours. Characterization of samples with XRD spectra reveals that sample with Pb dopant ratio 0 has the highest volume fraction of BSCCO-2212 (78%) and sample with Pb dopant ratio 0.4 has the lowest volume fraction (68%). Keyword : superconductor, Pb dopant, volume fraction I. PENDAHULUAN Superkonduktor adalah bahan penghantar listrik yang memiliki resistansi nol (superconducting) ketika berada dibawah suhu tertentu yang dinamakan dengan suhu kritis (T c ) bahan tersebut. Generasi awal superkonduktor yang disebut superkonduktor konvensional umumnya berupa senyawa atau paduan logam dan memiliki T c rendah sehingga kurang menarik. Teknologi superkonduktor mulai berkembang pesat sejak ditemukannya superkonduktor suhu kritis tinggi (SKST) pada tahun SKST adalah berupa bahan oksida atau keramik yang berinduk pada senyawa kuprat (Cu-O) dengan komposisi kimiawi yang multi komponen. Akibatnya bahan SKST bersifat multifase, struktur kristalnya berlapis, derajat anisotropinya tinggi dan panjang koherensinya yang pendek. Walau belum tuntas dalam pemahaman dasarnya, bahan SKST telah dikembangkan dalam aplikasi teknologi yang bervariasi luas, mulai dari aplikasi piranti elektronik, transmisi daya berkapasitas besar, peralatan yang menggunakan medan magnet berkekuatan tinggi, sampai dengan berbagai peralatan teknik yang mengandalkan efek levitasi magnetik seperti misalnya SMES (superconducting magnetic energy storage system). Riset yang sangat intensif terus dilakukan untuk menghasilkan pemahaman menyeluruh tentang persoalan fisis yang berkaitan dengan aspek teoritis, eksperimen, maupun aplikasinya. Salah satu bahan SKST yang banyak dikaji adalah system Bi-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO) yang dikenal juga sebagai bahan superkonduktor berbasis Bi. Dalam sistem ini dikenal 3 fase superkonduktif yang berbeda yaitu fase 2201, fase 2212 dan fase Sintesis sampel kristal BSCCO ini dapat dilakukan dengan beberapa metode berbeda antara lain metode Traveling Solvent Floating Zone (TSFZ), metode fluks Halida Alkali, metode fluks Carbonat Alkali, metode Self Fluks dan metode Melt Textured Growth [1]. Metode Melt-Textured Growth (MTG) adalah metode pembentukan kristal superkonduktor dari lelehannya [2]. Faktor pendorong proses pertumbuhan kristal dalam metode MTG adalah pendinginan (cooling). Gambar 1. Prinsip Pertumbuhan Kristal dengan Metode MTG. 52

2 Pada Gambar 1, bahan awal dengan komposisi kimia yang memenuhi stoikiometri A 2 B dilelehkan sampai suhu diatas T p. Sebagai akibatnya senyawa A 2 B tersebut terurai menjadi campuran padatan A dan cairan yang jangkauan variasi komposisinya antaranya A 2 B dan X p. Apabila kemudian suhu diturunkan secara berlahan-lahan sehingga terjadi proses pendinginan lambat (slow cooling), maka akan terbentuk campuran kristal A 2 B dan cairan dengan jangkauan variasi komposisi antara X p dan X e dalam jangkauan variasi suhu antara T p dan T e. Hal ini menunjukan bahwa untuk menumbuhkan kristal tunggal A 2 B maka variasi komposisi lelehan harus dipertahankan tetap berada antara X p dan X e. Untuk Bi-2212, maka berarti senyawa murninya hanya dapat ditumbuhkan dari lelehan yang variasi komposisinya berbeda dari komposisi Bi Dopan berperan penting dalam pembentukan superkonduktor T c tinggi. Dopan dapat berupa subtitusi artinya mengganti atom asli didalam superkonduktor dengan atom dopan yang ukurannya tidak jauh berbeda dengan ukuran atom aslinya, atau dopan juga dapat berupa penambahan artinya menambahkan atom-atom dopan kedalam atomatom asli superkonduktor. Keluarga superkonduktor T c tinggi dapat diekstensifikasi melalui subtitusi khusus dari elemen-elemen tunggal. Selain dopan oksigen, telah pula dilakukan penelitian-penelitian yang menggunakan dopan Pb. Dari hasil yang dilaporkan, penggunaan dopan Pb dalam sintesis polikristal sistem Bi selain memudahkan pembentukan senyawa bersangkutan, juga mempengaruhi sifat-sifat senyawa yang dihasilkannya. Karena kemiripan ukuran ion dan persyaratan valensi dari atom Pb maka telah diyakini bahwa penambahan Pb sebagai dopan menghasilkan subtitusi atom Bi oleh atom Pb pada lapisan ganda Bi-O. bersangkutan. Selain itu meningkatnya kadar Pb dalam superkonduktor kristal tunggal Bi-2212 yang dibuat dengan metode TSFZ diketahui telah menurunkan suhu kritis T c dan resistivitas keadaan normalnya [3]. Menurut penelitian P. Majewski [4], kandungan Pb masih terdapat dalam Bi-2212 jika suhu sintering maksimumnya 860 o C sedangkan pada Bi-2223 dengan suhu maksimum 840 o C. Apabila melampaui batas suhu tersebut maka Pb akan menguap. Melalui eksperimen ini akan diketahui fraksi volume kristal superkonduktor yang terbentuk pada setiap variasi kadar molar dopan Pb yang digunakan dalam sintesis. Semakin besar harga fraksi volume fase 2212 yang terdapat dalam sampel maka diharapkan semakin baik mutu kristal superkonduktor yang dihasilkan. Pemilihan suhu selama sintesis kristal mengacu pada diagram fase oleh Strobel dkk [5]. Diagram fase tersebut menyatakan hubungan antara suhu dan komposisi pembentukan superkonduktor (Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca n Cu n+1 O 6+2n, dengan n menyatakan indeks molar unsur Ca dalam senyawa tersebut. Dalam diagram fase init terdapat tujuh daerah fase bagi pembentukan fase Ketujuh daerah fase tersebut adalah : 1. Daerah fase Bi Bi Daerah fase Bi-2212 murni 3. Daerah fase :1 + CuO 4. Daerah fase Bi Bi Daerah fase Bi Bi L1 6. Daerah fase Bi Bi L1 + 2:1 7. Daerah fase Bi L1 + 2:1 Dari ketujuh daerah fase tersebut terdapat tiga daerah yang mengandung cairan dengan komposisi yang belum diketahui jelas (L1). Daerah ini terdapat dalam rentang suhu yang menimbulkan partial melting, sedangkan keenam daerah lainnya adalah fase padatan. Perlu diperhatikan bahwa semua daerah dalam mengandung impuritas, kecuali daerah ke 2. Karenanya parameter sintesis yang dipilih sesuai dengan batasan daerah ini. Daerah yang akan dibuat eksperimen adalah daerah fase 2212 murni dengan indeks n = 1. II. METODOLOGI Eksperimen ini telah dilakukan di laboratorium FISMOTS ( Fisika Material Organik Terkonjugasi dan Superkonduktor) Institut Teknologi Bandung. Gambar 2. Struktur berlapis kristal Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 [6]. Atom Pb mensubstitusi sebagian atom Bi pada lapisan Bi-O Pada superkonduktor sistem Bi-2212 diketahui bahwa pendopingan dengan Pb menurunkan secara dratis derajat anisotropi dalam kristal yang Peralatan dan Bahan Peralatan yang digunakan adalah furnace tabung, furnace segiempat, neraca sartorius, beker gelas, mortal dan pastel keramik, krucibel alumina, dan cetakan sampel. Bahan yang dipakai adalah Bi 2 O 3 (99.9%), PbO (99.9%), SrCO 3 (99.995%), CaCO 3 53

3 (99.0%), CuO (99.99%), HNO 3 (65.%), aquades, pasta perak Ag dan Aseton. Rancangan Proses Sintesis Senyawa superkonduktor berbasis Bi (BPSCCO) umumnya disintesis dari bahan awal berupa oksida Bi, Pb, Sr, Ca dan Cu. Diantara senyawa-senyawa tersebut maka Calcium Oxide (CaO) memiliki melting point tertinggi yaitu 2614 o C [6]. Dalam eksperimen ini, formasi pembentukan fase 2212 dilakukan dalam jangka waktu sintering yang lama. Oleh karena itu meskipun CaO dapat bereaksi dengan elemen-elemen yang lain selama proses pemanasan, namun ada kemungkinan masih tersisa sedikit CaO (dan mungkin juga berupa senyawa Ca yang lain) dalam bentuk partikel padat disaat senyawa-senyawa oksida lainnya sudah meleleh dalam jangka waktu 10 menit pertama pada suhu 930 o C. Hal ini menjadi acuan untuk melakukan reaksi padatan dalam dua tahap dengan harapan akan ada tersedia inti kristal yang cukup untuk membantu pertumbuhan kristal superkonduktor yang diinginkan. Jadi untuk semua sampel yang dibuat dalam eksperimen ini terlebih dahulu dilakukan reaksi tahap pertama yaitu mempersiapkan prekursor tanpa Ca sesuai dengan komposisi nominal Bi 2-x Pb x Sr 2 Cu 2 O y Tabel 1. Komposisi Prekursor tanpa Ca No Kadar Pb Komposisi Prekursor 1 0 Bi 2 Sr 2 Cu 2 O y Bi 1.8 Pb 0.2 Sr 2 Cu 2 O y Bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 Cu 2 O y Semua bahan berupa serbuk ditimbang dan dicampur sesuai komposisi yang tercantum dalam Tabel 1. Campuran ini lalu dilarutkan dengan bantuan pelarut HNO 3 dan aquades serta diaduk rata sampai menjadi larutan yang benar-benar homogen. Selanjutnya larutan dipanaskan untuk menguapkan HNO 3 dari campuran sehingga diperoleh gumpalan berwarna biru kehitaman. Untuk memastikan bahwa campuran bahan yang disebut prekursor ini benarbenar sudah bebas HNO 3 maka perlu dilakukan pengeringan didalam furnace. Selanjutnya dilakukan penggerusan secara manual sampai benarbenar halus. Prekursor berupa serbuk halus ini kemudian dicetak menjadi pelet dan dikalsinasi. Setelah dikalsinasi prekursor dihancurkan dan digerus ulang kembali sampai halus selama sekitar 2 jam. Tahap kedua adalah mencampur prekursor dengan serbuk CaO. Serbuk CaO yang digunakan disini diperoleh dengan melakukan deposisi dari senyawa CaCO 3. Proses deposisi senyawa CaCO 3 untuk memperoleh senyawa CaO dilakukan dengan reaksi padatan biasa yang didahului pencampuran dengan pelarut aquades dan HNO 3. Komposisi sampel berupa campuran prekursor dengan serbuk CaO adalah sesuai dengan yang tercantum pada Tabel 2. Tabel 2. Komposisi bahan campuran prekursor dengan CaO Komposisi Kadar Pb Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O y 0 Bi 1.8 Pb 0.2 Sr 2 CaCu 2 O y 0.2 Bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 CaCu 2 O y 0.4 Masing masing sampel dibuat seberat 3 gr. Pencampuran dilakukan dengan bantuan aseton sampai benar-benar diperoleh larutan homogen. Selanjutnya aseton diuapkan sampai campuran bahan benar-benar bebas aseton. Kembali bahan tersebut digerus halus dan dicetak berbentuk pelet. Kemudian sampel berupa pelet tersebut dilelehkan dalam furnace pada suhu C dan akhirnya mengalami slow cooling hingga mencapai suhu ruang. Analisa Data Pada semua sampel yang peroleh dilakukan pengukuran kurva R-T dan foto SEM. Untuk karakterisasi struktur kristal dilakukan pengukuran pola XRD. Untuk mengamati evolusi pertumbuhan fase 2212 dilakukan perhitungan fraksi volumenya berdasarkan spektrum XRD, dengan menggunakan rumus [7]: Fv = I (2212) (1) I (total) Sedangkan fraksi volume fase 2212 yang terorientasi pada sumbu c dihitung dengan menggunakan rumus [7]: P = I (00 l ) (2) I total 2212 Dimana P = fraksi volume fase terorientasi I(2212) = intensitas fase 2212 I(total) = intensitas seluruh fase yang muncul I(00l) = intensitas fase dengan bidang l genap III. HASIL DAN PEMBAHASAN Semua sampel bentuk awalnya sebelum disintering berupa pelet berdiameter sekitar 1 cm dengan tebal sekitar 3 mm. Setelah dilelehkan diperoleh sampel berbentuk lempengan tipis dengan ketebalan kurang dari 3 mm, permukaan bagian atas berlekuk-lekuk tidak rata dan ukurannya melebar tak beraturan. Hasil pengukuran kurva R-T 54

4 memperlihatkan bahwa semua bahan sudah bersifat superkonduktif dengan terjadinya transisi tajam pada daerah sekitar Tc. Hasil foto SEM memperlihatkan bahwa untuk semua sampel butir-butir kristal pada umumnya telah sejajar bidang ab dan terorientasi dalam arah c. Tampak bahwa dengan bertambahnya kadar Pb ukuran butiran membesar. Sampel dengan kadar Pb 0,4 mempunyai prosentase fasa terorientasi terbesar dan nampak dari foto SEM pada sampel ini butiran kristalnya lebih terorientasi dibanding sampel lainnya. Untuk sampel ini ukuran butirnya sekitar 18 µm. Sedangkan sampel tanpa Pb yang mempunyai fasa terorientasi paling rendah, terlihat orientasinya sangat tidak teratur. Ukuran butir pada sampel ini rata-rata berkisar 10 µm. Untuk sampel dengan kadar Pb 0,2 ukuran butir kristalnya sekitar 13 µm. (a). Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O y (a).bi 2 Sr 2 CaCu 2 O y (b). Bi 1.8 Pb 0.2 Sr 2 CaCu 2 O y (b).bi 1.8 Pb 0.2 Sr 2 CaCu 2 O y (c).bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 CaCu 2 O y (c).bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 CaCu 2 O y Gambar 4. Rekaman foto SEM Gambar 5. Kurva resistivitas terhadap suhu (R-T). Gambar 6. Spektrum XRD Pada spektrum XRD tampak puncak-puncak yang muncul sebagian besar memiliki pola indeks hkl = 00l dengan l berupa bilangan genap sehingga dapat disimpulkan bahwa sebagian besar fasa Bi-2212 yang terbentuk dalam sampel sudah terorientasi. Nilai dari fraksi volume Bi-2212 yang terbentuk, prosentase fasa terorientasi, dan impuritasnya tercantum pada Tabel 3. Tabel 3. Data variabel karakteristik dari sampel Nama Sampel prosentase(%) Tc Impurit (K) P Fv as Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O y Bi 1.8 Pb 0.2 Sr 2 CaCu 57 2O y Bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 CaCu 52 2O y

5 - Gambar 7. Kurva fraksi volume fase 2212 terhadap kadar Pb banyak sehingga konsentrasi Cu dan konsentrasi Ca didalam sampel menurun yang mengakibatkan bertambahnya impuritas, baik impuritas berupa fase T c rendah maupun impuritas yang nonsuperkonduktif. Ini sesuai dengan hasil eksperimen yang telah dilaporkan sebelumnya [8] meskipun metode yang digunakan berbeda. Dipihak lain, penambahan kadar Pb justru meningkatkan orientasi bidang kristal yang terbentuk dan membesarnya ukuran grain. KESIMPULAN Gambar 8. Kurva fraksi volume fasa terorientasi terhadap kadar Pb Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa substitusi Pb mengurangi fraksi volume fasa 2212 yang terbentuk. Fraksi volume tertinggi yaitu 78 % terdapat pada sample tanpa Pb sedangkan fraksi volume terendah 68 % dimiliki sample dengan kadar Pb 0,4. Substitusi Pb juga meningkatkan orientasi kristal yang terbentuk dan memberi kemungkinan peningkatan harga rapat arus Jc. Harga prosentase orientasi paling baik adalah 76% yang dimiliki sample dengan kadar Pb tertinggi 0,4 sedangkan harga paling rendah 54% dimiliki sample tanpa Pb. UCAPAN TERIMAKASIH Terimakasih secara khusus disampaikan kepada Prof. Tjia May On atas motivasi tak terlupakan di setiap untaian kalimat ilmu yang disampaikan. Gambar 9. Kurva impuritas terhadap kadar Pb Dari hasil tersebut tampak bahwa penambahan kadar Pb sangat berpengaruh pada pembentukan fasa Fraksi volume fasa 2212 terbesar dperoleh pada sampel tanpa dopan Pb yaitu sebesar 78%. Dengan penambahan kadar Pb 0,2 fraksi volume 2212 menurun. Pada kadar Pb 0,4 kristalinitas meningkat tapi fraksi volume 2212 makin menurun sedangkan impuritas bertambah dan mempunyai nilai terbesar yaitu 32%. Prosentase fasa terorientasi terbesar diperoleh pada sampel dengan kadar Pb 0.4 dan bukan pada sampel tanpa Pb yang mempunyai fraksi volume 2212 tertinggi. Hal ini disebabkan fasa 2212 yang terbentuk dengan bidang selain 001 pada sampel tanpa Pb lebih banyak dibanding sampel yang berkadar Pb 0,4. Sedangkan prosentase fasa terorientasi terendah diperoleh dari sampel tanpa Pb yaitu sebesar 54%. Jadi dapat disimpulkan bahwa sampel dengan slow cooling 90 jam ini dengan penambahan kadar Pb fraksi volume 2212 yang terbentuk makin berkurang sedangkan impuritas bertambah. Hal ini disebabkan oleh sifat pelelehan yang inkongruen dari bahan. Selain itu ada kemungkinan dikarenakan jumlah Pb terlalu DAFTAR PUSTAKA 1. Shaoyan Chu and Michael E. Mc Henry, 1997, Growth and Characterization of (Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x single crystal, Department of Materials Science and Engineering, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania 2. K. Salama, V. Selvamanickam, 1992, Supercond. Sci. Technol. 5, S85 3. Darminto, W. Loeksmanto dan M.O. Tjia, 1999, Efek Substitusi Pb pada Sifat Transpor Kristal tunggal Superkonduktor Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ, KFI vol.10 no 3 4. P. Majewski et.al., 1994, Physica C 212, , North Holland 5. P. Strobel, J.C. Toledano, D. Morin, J. Schneek, G. Vacquir, O. Monnereau, J. Primot and T. Fournier, 1992, Phase Diagram of The System Bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 CuO 6 -CaCuO 6 between 825 o C and 1100 o C, Physica C Z.L. Du, Z.H. He, P.C.W. Fung, J.C.L. Chow and T.F. Yu, 1995, Melt-Textured Bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 Ca 2 Cu 3 Bulk Superconductors fabricates in a Simple Tube Furnace, Journal of Material Science, 30 56

6 7. C.B. Mao, L. Zhou, X.Y. Sung and X.Z. Wu, 1996, The Effect of The Silver Layer on Texture Growth and Microsructure in Silver-seathed (Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x Superconductors Tape, IOP Publishing Ltd 8. S. Kishida, T Yumoto, S. Nakhasima, H. Tokutaka, K. Fujimura, 1995, Effect of Temperatures and Periods Melting on Growth of Bi 2, Sr 2 CaCu 2 O y Single Crystal, Journal of Growth 153,pp