SINTESIS NANOKRISTALIN FASA TUNGGAL Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3. Muhammad Saukani 1, Suasmoro 2 ABSTRAK

Transkripsi

1 SINTESIS NANOKRISTALIN FASA TUNGGAL Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 Muhammad Saukani 1, Suasmoro 2 1 Jurusan Mesin Otomotif, Politeknik Negeri Tanah Laut 2 Jurusan Fisika, FMIPA Institut Teknologi Sepuluh November *) saukani@politala.ac.id ABSTRAK Fasa Tunggal Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 telah berhasil disintesis menggunakan metode pencampuran larutan asam HCl pekat 37%. Akibat perbedaan kemurnian untuk masingmasing precursor dan mengacu pada penelitian sebelumnya optimasi (Mg+Zn) : Ti dilakukan dengan perbandingan 1,23 : 1 hingga 1,475 : 1. Efek doping Zn menunjukkan percepatan terbentuknya fasa MgTiO 3 pada suhu 510 C. Dalam penelitian ini ditetapkan suhu kalsinasi pada 550 C dan seluruh sampel dianalisis sturuktur menggunakan difraksi sinar-x, analisis kualitatif menggunakan perangkat lunak Match2, analisis kualitatif menggunakan perangkat lunak Rietica dan estimasi ukuran butir menggunakan perangkat lunak MAUD. Hasil analisis kualitatif teridentifikasi fasa utama Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3, dan fasa minor TiO 2 dan MgO. Fasa tunggal Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 teridentifikasi dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1 dengan ukuran butir 18,4 nm. Kata kunci: Magnesium Titanate, XRD, Nano partikel. PENDAHULUAN MgTiO 3 dikenal dengan nama geikelite merupakan salah satu fasa magnesium titanat yang berstruktur ilmenite (MgTiO 3 ) dengan space group R-3 H [1]. MgTiO 3 memiliki konstanta dielektrik ε r ~ 17, koefisien temperatur τ f rendah dan mendekati nol, nilai faktor kualitas Q f ~ pada frekuensi 7 GHz [2]. Aplikasi material dielektrik pada daerah kerja gelombang mikro harus memenuhi spesifikasi yaitu konstanta dielektrik (ε r ) yang tinggi sehingga mampu dilakukan miniaturisasi komponen, nilai faktor kualitas (Q f ) yang tinggi agar mampu meningkatkan rasio frekuensi terhadap noise dan koefisien temperatur (τ f ) pada frekuensi resonansi rendah sebagai penentu stabilitas frekuensi transmisi [3]. Secara keseluruhan spesifikasi ini dipenuhi oleh MgTiO 3, sehingga material ini telah digunakan dalam berbagai aplikasi seperti multilayer ceramic capasitor [4] pada frekuensi sangat tinggi (GHz), band-pass filter[5], telepon seluler, global positioning system, direct broadcasting satellite, radar, antena [6] dan lain sebagainya. Luasnya aplikasinya menjadikan MgTiO 3, mendorong peneliti terus mengembangkan metode sintesis untuk menghasilkan fasa tunggal MgTiO 3, memperkecil ukuran butir hingga menurunkan suhu sintering. Beberapa metode yang telah dilakukan 7

2 diantaranya metode sol-gel [6], metode kopresipitasi [7], metode peroxide route [8], metode solid state reaction [3, 9] dan pencampuran basah (wet mixing) [10]. Dilaporkan bahwa hampir semua metode sintesis diatas menghasilkan suhu pembentukan MgTiO 3 diatas 800 C, terbentuknya fasa intermediate MgTi 2 O 5 maupun Mg 2 TiO 4 dan ukuran partikel yang relative besar sehingga memerlukan suhu sinter yang sangat tinggi untuk mencapai densifikasi penuh. Dari beberapa metode sintesis diatas, metode yang melibatkan reaksi kimia secara langsung dapat menurunkan suhu pembentukan MgTiO 3 sehingga memperkecil ukuran partikel yaitu dengan metode wet mixing, sol gel dan kopresipitasi. Dalam Penelitian ini akan dilaporkan hasil analisa kualitatif dan kuantitatif data Sinar-X (XRD) dari sampel MgTiO 3 yang disintesis melalui metode wet mixing dengan doping Zn untuk membentuk sampel Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 (MZT02). Penelitian sebelumnya melaporkan bahwa fasa MgTiO 3 tanpa doping yang disintesis dengan metode ini terbentuk pada suhu 800 C [10], namun setelah dilakukan doping terjadi penurunan suhu pembentukan fasa MgTiO 3 dengan kemurnian tinggi hingga mencapai suhu 510 C [11]. METODOLOGI Sampel MZT02 disintesis dengan metode pencampuran basah (wet mixing method) menggunakan logam Ti (>98%, Merck), Zn (>99%, Merck), Mg (>88%, Merck) yang dilarutkan dalam HCl (37%, LIPI). Telah dilaporkan bahwa Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 yang disintesis dengan metode pencampuran larutan oleh Istihanah (2011) menggunakan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,18 : 1 terbentuk Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 dan TiO 2 [12] sedangkan Saukani et al (2013) melakukan sintesis dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,50 : 1 terbentuk Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 dan MgO [13]. Untuk mendapakan fasa tunggal Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 prekursor ditimbang dengan perbandingan 1,18 :1 < (Mg+Zn) : Ti < 1,50 : 1. Sintesis dilakukan dengan melarutkan serbuk Mg ke dalam HCl 37% diaduk dengan magnetic stirrer selama 30 menit tanpa dilakukan pemanasan hingga larutan berwarna jernih kekuningan untuk 8

3 membentuk larutan MgCl 2, lalu melarutkan serbuk Ti ke dalam HCl 37% diaduk dengan magnetic stirrer pada suhu 65 C selama 2,5 jam hingga larutan berwarna biru tua membentuk larutan TiCl 2, lalu melarutkan serbuk Zn ke dalam HCl 37% diaduk tanpa pemanasan selama 30 menit untuk membentuk larutan ZnCl 2. Ketiga larutan dicampur menjadi satu diaduk dengan magnetic stirrer tanpa pemanasan selama 5 jam. Setelah itu suhu dinaikkan 110 C dan hingga kering. Larutan yang telah kering kemudian digerus menggunakan mortar kemudian masukkan ke dalam crucible sebanyak 3 gram dan dikalsinasi pada suhu 550 C selama 4 jam. Bubuk yang telah dikalsinasi pada suhu 550 C selama 4 jam diindetifikasi difraksi sinar X (Philips X Pert Multi Purpose Diffractometer System), Seluruh fasa yang terbentuk hasil Difrasi sinar X diidentifikasi menggunakan perangkat lunak Match2 dengan database Crystallography Open Database COD kemudian dilakukan analisa rietvield untuk mengetahui fraksi berat dan parameter kisi dengan menggunakan perangkat lunak rietica. HASIL DAN PEMBAHASAN Sampel Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 (MZT02) disintesis dengan metode pencampuran larutan dimana seluruh precursor dilarutkan dalam HCl. Kemurnian prekursor material dasar diketahui sebagai berikut, Ti (>98% Merck), Zn (>99%, Merck), Mg (>88%, Merck). Akibat adanya perbendaan kemurnian sekitar 10% antara Mg dan Ti untuk mencapai keadaan stoikiometri Istianah (2011) melakukan sintesis MZT02 dengan perbandingan (Zn+Mg) : Ti = 1,18 : 1 menghasilkan fraksi berat relatif Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 89,7% dan rutile 10,03% [12]. Hasil ini menunjukkan bahwa untuk menghasilkan fasa tunggal Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 diperlukan optimasi dengan penambahan kadar Mg. Dalam penelitian ini disintesis Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 dengan perbandingan antara (Zn+Mg) : Ti dari 1,23 : 1 hingga 1,475 : 1. Pola difraksi sinar X seluruh sampel yang dikalsinasi pada suhu 550 C selama 4 jam ditunjukkan pada Gambar

4 Gambar 1. Pola difraksi sinar-x (Cu Kα =1,54056 Å) dari sampel MZT02 dikalsinasi pada suhu 550ºC selama 4 jam. (ket : Δ = Mg 0,8 Zn 0,2 Ti0 3, * = MgO, = TiO 2 ) Identifikasi fasa pola difraksi sinar X dilakukan dengan perangkat lunak Match2 dengan database COD. Fasa-fasa yang teridentifikasi pada hasil percobaan ini adalah Geikelite (MgTiO 3 ) dengan nomor COD # , Rutile (TiO 2 ) dengan nomor COD # dan Periklase (MgO) dengan nomor COD # Penelitian ini diawali dengan sintesis Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,23 : 1, hasil analisa kualitatif teridentifikasi pembentukan fasa MgTiO 3 dan TiO 2, hasil yang sama didapatkan hingga perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,40 : 1 dengan intensitas puncak tertinggi rutile semakin turun. Optimasi kembali dilakukan dengan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1, pada keadaan inilah fasa TiO 2 tidak teridentifikasi. Sintesis dilanjutkan kembali dengan menaikkan sedikit kadar Mg yaitu dengan (Mg+Zn) : Ti = 1,475 : 1 yang menunjukkan munculnya fasa MgO. Analisis Rietveld menggunakan perangkat lunak rietica pada fasa tunggal yaitu dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1, diketahui bahwa volume sel = 309,853 Å 3 dengan parameter kisi a = b = 5,066 Å dan c = Å. Hasil ini menunjukkan terjadi perbedaan dengan yang dilaporkan oleh Wechsler, et al.(1989) bahwa volume sel = Å 3 dengan parameter kisi MgTiO 3 adalah a = b = 5,055 Å dan c = 13,899 Å. Perbedaan tersebut menunjukkan bahwa terbentuknya Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 dengan volume sel bertambah besar akibat subtitusi 20% posisi Mg 2+ berjejari atom 0,072 nm digantikan Zn 2+ berjejari 0,074 nm. 10

5 Gambar 2 menunjukkan fraksi berat relatif masing-masing fasa dengan berbagai optimasi Mg. Pada perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,23 : 1 hingga 1,475 : 1 kandungan Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 berturut-turut 89,82(3,43)%, 94,47(2,62)%, 97,83(2,41)%, 100% dan 92,93(2,14)%. Kandungan TiO 2 berturut-turut 10,18(1,27)%, 3,53(57)%, 2,17(26)%, 0% dan 4,12(47)%. Sedangkan kandungan MgO hanya teridentifikasi pada perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,475 : 1 yaitu 2,96 (64)%. Gambar 2. Hubungan antara fraksi berat terhadap variasi penambahan Mg untuk mencapai keadaan stoikiometri. Dari hasil analisis kualitatif dan kuantitatif terlihat bahwa sampel dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,23 : 1 hingga 1,4 : 1 menunjukkan adanya fasa Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 dan TiO 2. Kehadiran fasa TiO 2 menunjukkan bahwa dengan optimasi ini diyakini kadar Mg masih kurang. Perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,475 : 1 menunjukkan adanya fasa Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3, TiO 2 dan MgO dengan fraksi berat MgO lebih besar dari TiO 2 yang menyatakan bahwa keadaan ini terjadi kelebihan Mg. Keadaan stoikiometri fasa Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 terbentuk dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1. Fasa tunggal Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3 yang disintesis dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1 kemudian dilakukan estimasi ukuran bulir menggunakan perangkat lunak Material Analysis Using Diffraction (MAUD). Estimasi partikel menggunakan MAUD menunjukkan bahwa adalah ukuran partikel rata-rata untuk sampel ini adalah 18,4 nm. Hasil ini dikonfirmasi dengan pengukuran menggunakan Transmission electron microschopy (TEM) menunjukkan range hasil yang tidak jauh berbeda seperti ditunjukkan pada gambar 3. 11

6 Gambar 3. Hasil Pengukuran sampel yang dikalsinasi pada suhu 550 C menggunakan TEM KESIMPULAN Sintesis menggunakan metode wet mixing dapat menghasilkan fasa tunggal Mg 0,8 Zn 0,2 TiO 3. Keadaan stoikiometrik tercapai dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1,00 yang dikarenakan perbedaan kemurnian prekursor yang digunakan. Ukuran partikel sampel diestimasi menggunakan perangkat lunak MAUD menunjukkan hasil yang tidak jauh berbeda dengan citra TEM yaitu sekitar 18 nm. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih ini ditujukan kepada Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi (DIKTI) yang telah memberikan dukungan dana riset melalui Program Beasiswa Unggulan tahun DAFTAR PUSTAKA [1] E. A. V. Ferri, J. C. Sczancoski, L. S. Cavalcante, E. C. Paris, J. W. M. Espinosa, A. T. de Figueiredo, et al., "Photoluminescence behavior in MgTiO3 powders with vacancy/distorted clusters and octahedral tilting," Materials Chemistry and Physics, vol. 117, pp , 2009/09/15/ [2] C.-L. Huang, C.-L. Pan, and S.-J. Shium, "Liquid phase sintering of MgTiO 3 CaTiO 3 microwave dielectric ceramics," Materials Chemistry and Physics, vol. 78, pp , 2/3/

7 [3] C.-L. Huang, J. L. Hou, C.-L. Pan, C.-Y. Huang, C.-W. Peng, C.-H. Wei, et al., "Effect of ZnO additive on sintering behavior and microwave dielectric properties of 0.95MgTiO CaTiO 3 ceramics," Journal of Alloys and Compounds, vol. 450, pp , 2/14/ [4] J. Bernard, D. Houivet, J. El Fallah, and J. M. Haussonne, "MgTiO 3 for Cu base metal multilayer ceramic capacitors," Journal of the European Ceramic Society, vol. 24, pp , // [5] C.-L. Huang, C.-M. Tsai, A. Yang, and A. Hsu, "Compact 5.8-GHz bandpass filter using stepped-impedance dielectric resonators for ISM band wireless communication," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 44, pp , [6] K. P. Surendran, A. Wu, P. M. Vilarinho, and V. M. Ferreira, "Sol Gel Synthesis of Low-Loss MgTiO3 Thin Films by a Non-Methoxyethanol Route," Chemistry of Materials, vol. 20, pp , 2008/07/ [7] A. B. Gaikwad, S. C. Navale, V. Samuel, A. V. Murugan, and V. Ravi, "A coprecipitation technique to prepare BiNbO4, MgTiO3 and Mg4Ta2O9 powders," Materials Research Bulletin, vol. 41, pp , 2006/02/02/ [8] G. Pfaff, "Peroxide route for synthesis of magnesium titanate powders of various compositions," Ceramics International, vol. 20, pp , // [9] M. Zhang, L. Li, W. Xia, and Q. Liao, "Structure and properties analysis for MgTiO3 and (Mg0.97M0.03)TiO3 (M = Ni, Zn, Co and Mn) microwave dielectric materials," Journal of Alloys and Compounds, vol. 537, pp , 10/5/ [10] S. Pratapa, M. A. Baqiya, R. Lestari, and R. Angela, "A simple dissolved metals mixing method to produce high-purity MgTiO 3 nanocrystals," 2014, pp [11] F. U. Ermawati, Istihanah, R. Lestari, Suasmoro, and S. Pratapa, "Structural and Microstructural Studies on ZnxMg1-x io3(x= ) Solid Solutions Formation," [12] Istihanah, "Microstructural Study of Solid Solution MxMg1-xTiO3 (M = Zn, Ni) Produced by Wet Mixing," Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya, [13] M. Saukani, F. U. Ermawati, S. Suasmoro, and S. Pratapa, "Analisa XRD Pada Mekanisme Shrinkage Dalam Kajian Sintering Mg0,8Zn0,2TiO3," in Simposium Nasional Fisika XVI,