STUDI SIFAT LUMI ESE SI A OPARTIKEL Ca x Sr 1-x TiO 3 :RE (RE = Pr 3+, Eu 3+, dan Tb 3+ ) YA G DIPREPARASI DE GA METODE SO OKIMIA TESIS

Transkripsi

1 STUDI SIFAT LUMI ESE SI A OPARTIKEL Ca x Sr 1-x TiO 3 :RE (RE = Pr 3+, Eu 3+, dan Tb 3+ ) YA G DIPREPARASI DE GA METODE SO OKIMIA TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh: CEPI KUR IAWA IM: Program Studi Kimia I STITUT TEK OLOGI BA DU G 2008

2 STUDI SIFAT LUMI ESE SI A OPARTIKEL Ca x Sr 1-x TiO 3 :RE (RE = Pr 3+, Eu 3+, dan Tb 3+ ) YA G DIPREPARASI DE GA METODE SO OKIMIA Oleh CEPI KUR IAWA IM : Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal : 19 Juni Pembimbing Ko-Pembimbing Dr. B. Prijamboedi IP Prof. Dr. Ismunandar IP

3 i ABSTRAK STUDI SIFAT LUMI ESE SI A OPARTIKEL Ca x Sr 1-x TiO 3 :RE (RE = Pr 3+, Eu 3+, dan Tb 3+ ) YA G DIPREPARASI DE GA METODE SO OKIMIA Oleh Cepi Kurniawan IM : Celah energi yang lebar dan kemudahannya untuk dimodifikasi menjadi salah satu alasan mengapa material berstruktur perovskit banyak dikaji. Sifat fotoluminesen (Ca,Sr)TiO 3 yang di sisipi kation logam tanah jarang (disingkat CSTO:RE, di mana RE = Pr 3+, Eu 3+, dan Tb 3+ ) yang dipreparasi dengan metode sonokimia telah dipelajari. Irradiasi ultrasonik selama 2 jam dipaparkan pada senyawa prekursor dalam perbandingan stoikiometris dengan pelarut etanol:air (1:1). Proses ini diikuti dengan pemanasan selama 2 jam pada suhu 100, 500, 800 dan 1000 o C. Hasil reaksi berupa serbuk putih dengan ukuran kristalit nm. Serbuk produk ini kemudian dikarakterisasi dengan XRD serbuk, SEM, dan spektrofluorometer. Dari hasil analisis SEM diketahui sampel CSTO:Pr berbentuk bola, dan semakin homogen dengan meningkatnya suhu pemanasan. Puncak-puncak difraksi sinar-x khas perovskit muncul setelah pemanasan di atas 500 o C dan jenis pengotor yang berhasil diidentifikasi yakni berupa TiO 2 dan CaO. Pada pola difraksi sinar-x sampel Ca x Sr 1-x TiO 3, dengan x yang semakin besar menyebabkan 2θ bergeser ke arah yang lebih besar karena adanya substitusi kation Sr 2+ oleh Ca 2+ (rsr 2+ >rca 2+ ). Sementara dari hasil refinement pola difraksi sinar-x menggunakan metoda La bail diketahui untuk sampel CSTO:RE memiliki kecocokan (R p dan R wp < 8 %) dengan grup ruang Bmmb (Z=8). Spektrum fotoluminesen CSTO:RE yang dieksitasi pada λ = 220 nm menunjukkan pola yang mirip, yakni munculnya puncak pada 3,4 dan 2,4 ev. Spektrum pada daerah warna hijau ini diperkirakan muncul dari transisi elektronik (d-d) pada material CSTO. Sementara spektrum khas CSTO:Pr muncul pada puncak 2,06 ev setelah dieksitasi dengan λ = 325 nm. Puncak ini muncul dari transisi elektronik 1 D 2 3 H 4. Sampel CSTO:Eu yang dieksitasi dengan 463 nm memiliki dua puncak luminesen pada 2,02 ev (transisi 5 D 0 7 F 2 ) dan 2,09 ev (transisi 5 D 0 7 F 1 ). Pada sampel CSTO:Tb tidak teramati spektrum yang khas, diperkirakan karena warna luminesennya yang sama dengan material host CSTO (warna hijau). Hal ini dibuktikan salah satunya dengan adanya penguatan intensitas pada puncak 3,4 ev dari spektrum CSTO:Tb. Kata Kunci : Perovskit, CSTO:RE, sonokimia, fotoluminesen, difraksi sinar-x, penghalusan.

4 ii ABSTRACT THE STUDY OF LUMI ESCE CE PROPERTIES OF Ca x Sr 1-x TiO 3 :RE (RE = Pr 3+, Eu 3+, dan Tb 3+ ) A OPARTICLES PREPARED USI G SO OCHEMICAL METHOD By Cepi Kurniawan IM : Semiconductor energy gap and the amenity to be modified in semiconductor materials with perovskite structure are ones of the reason why these materials are actively studied. Studies on the photoluminescence properties of rare earth doped (Ca,Sr)TiO 3 prepared by sonochemical method have been carried out. were become one of the reason of the usage of this material on the research. (Ca,Sr)TiO 3 further will be written as CSTO:RE, where RE = Pr 3+, Eu 3+, and Tb 3+. During synthesis, ultrasonic irradiation was exposed on precursor with stochiometric ratio of (Ca,Sr) and Ti in ethanol: water (1:1) solvent for 2 hours. The obtained products then were heated at various temperatures of 100 o C, 500 o C, 800 o C and 1000 o C for 2 hours. The white powder obtained after heated has crystallite size of nm. The sample then characterized with XRD powder, SEM, and spectrofluorometer. The SEM images showed that the CSTO:Pr grain were in spherical form and become homogenous at the highest temperatures. The peaks that indicated perovskite structure can be observed on the X-ray diffraction pattern after heating at above 500 o C. The impurities are also observed and identified as TiO 2 and CaO. The X-ray diffraction pattern of Ca x Sr 1-x TiO 3, indicated that with the increasing of x, 2θ shifts towards larger ones caused by substitution of cation Sr 2+ that larger than Ca 2+ (rsr 2+ >rca 2+ ). Meanwhile, the refinement of X-ray diffraction pattern using La Bail method encountered that for CSTO:RE has conformity (R p and R wp < 8 %) with space group Bmmb (Z=8). Photoluminescence spectrum of CSTO:RE excited with λ = 220 nm shows a similar patterns of each other, that is the appearances of peak at 3,4 and 2,4 ev. The spectrum at this green color area estimated come from electronic transition in CSTO. Whereas spectrum characteristically to CSTO:Pr emerges peak at 2,06 ev after its excited using λ = 325 nm. This band emerges from electronic transition 1 D 2-3 H 4. The CSTO:Eu excited using 463 nm have two emission peaks at 2,02 ev (transition 5 D 0-7 F 2 ) and 2,09 ev (transition 5 D 0-7 F 1 ). Meanwhile, the same spectrum from CSTO:Tb was not observed. We could argue that its luminescence color is in the same region with the host material of CSTO (green color). This was supported by the fact that there is an enhancement of photoluminescence peak at 3,4 ev. Key words: Perovskite, CSTO:RE, Photoluminescence, sonochemical, X-Ray diffraction, refinement.

5 iii PEDOMA PE GGU AA TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Dekan Sekolah Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.

6 iv Ketika seorang insan bermunajat di atas hamparan sajadah. Terungkap hasrat menggebu menuai rindu memuja Illahi atas bentangan lautan ilmu. Ya Rabb-ku, engkau telah tinggikan derajat para cendekia-cendekia penuh dedikasi. ================= ============================ =================================== Karya tulis ini Cepi dedikasikan kepada: Ibu dan Bapak, Iki, Aris, Iyan, Nda, dan Rika serta seluruh keluarga besarku Arni Hadiyanti, Aldi, dan Ari Keluarga Besar Jurusan Kimia UNNES K Andri, Ridwan, Ratna, Keluarga besar PCS serta semua sahabat-sahabat Cepi ================= ============================ ======================================= Para ilmuwan muda, untaikan ayat-ayat penyejuk kalbu dalam torehan manfaat ilmu untuk keluarga, bangsa dan agama.

7 v KATA PE GA TAR Alhamdulillah, atas segala limpahan rahmat dan hidayah Allah SWT, penulis dapat menyelesaikan penyusunan tesis yang berjudul Studi Sifat Luminesensi Nanopartikel Ca x Sr 1-x TiO 3 :RE (RE = Pr 3+, Eu 3+, dan Tb 3+ ) yang Dipreparasi Dengan Metode Sonokimia. Karya tulis ini adalah bagian dari hasil penelitian yang dilakukan penulis pada Program Magister Ilmu Kimia, ITB. Seiring dengan kemajuan teknologi, maka hasil penelitian ini diharapkan dapat dijadikan sebagai bagian dari pengembangan keilmuan dan aplikasi metode sintesis dan karakterisasi nanokristal oksida logam. Tentunya, penulisan dan penyusunan tesis ini tidak lepas dari bantuan banyak pihak. Pertama, penulis mengucapkan terima kasih kepada Ditjen Dikti Departemen Pendidikan Nasional atas bantuan studi berupa Beasiswa Pascasarjana (BPPS) periode Selanjutnya, ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Rektor Universitas Negeri Semarang yang telah memberikan tugas belajar kepada penulis. Juga tak lupa kepada rekan-rekan di Jurusan Kimia FMIPA UNNES. Penulis juga menyampaikan banyak terima kasih juga kepada ayahanda, ibunda serta adik-adik tercinta, atas untaian doa dan kasih sayang yang tak pernah henti sepanjang perjalanan hidup penulis. Semoga Allah SWT memberikan segala nikmat terbesar-nya kepada kita. Selanjutnya penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Bambang Prijamboedi atas segala diskusi, arahan dan kesempatan untuk mendedikasikan segala keingintahuan penulis dalam bidang sintesis oksida, struktur dan sifat optiknya. Tidak lupa kepada Prof. Dr. Ismunandar atas arahan untuk kajian struktur dan refinement difraktogram sinar-x beserta interpretasinya. Juga kepada Dr. Veinardi atas penjelasan serta optimalisasi spektrofluorometer. Tak lupa kepada seluruh staf pengajar, staf laboran dan administrasi jurusan kimia FMIPA ITB. Penulis juga mendapatkan banyak ilmu dan pengalaman dari rekan-rekan di kelompok keahlian kimia fisik dan anorganik selama lebih kurang dua tahun; Evi,

8 vi Mauritz, Mbak Fara, Pak Zul, Andri, Dicki, Bu Fahima, dan rekan-rekan S1, S2 dan S3 lainnya, terima kasih atas diskusi dan kebersamaanya. Tiada kesempurnaan dimiliki manusia, untuk itu segala saran dan kritik menjadi bagian tidak terlupakan dalam memperbaiki kinerja penulis dalam penelitian selanjutnya. Bandung, Juni 2008 Penulis

9 vii DAFTAR ISI ABSTRAK..... i ABSTRACT... ii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS... iii KATA PENGANTAR.... v DAFTAR ISI... vii DAFTAR LAMPIRAN... ix DAFTAR GAMBAR x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG... xiii BAB I PENDAHULUAN... 1 I.1 Latar Belakang Penelitian... 1 I.2 Tujuan Penelitian... 3 I.3 Pentingnya Penelitian... 3 I.4 Ruang Lingkup Penelitian... 4 I.5 Sistematika Penulisan Tesis... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 II.1 Celah Energi pada Semikonduktor... 5 II.2 Quantum Confinement II.3 Perovskit II.3.1 Pendahuluan II.3.2 Diagram Fasa (Ca,Sr)TiO II.3.3 Aplikasi Material Berstruktur Perovskit II.4 Luminesens II.4.1 Pendahuluan II.4.2 Pengukuran Fotoluminesens (PL) II.5 Sonokimia II.5.1 Gelombang Ultrasonik II.5.2 Pengaruh radiasi ultrasonik dalam reaksi kimia II.6 Difraksi Sinar-X Serbuk... 25

10 viii II.7 Scanning Electron Microscopy (SEM) BAB III METODA PENELITIAN III.1 Lokasi Penelitian III.2 Alat dan Bahan III.3 Prosedur Penelitian III.3.1 Preparasi (Ca,Sr)TiO 3 :RE III.3.2 Karakterisasi Sampel III Difraksi Sinar-X Serbuk III Fotoluminesen III Scanning Electron Microscopy BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1 Hasil Sintesis dan Analisis Morfologi IV.2 Pola Diffraksi sinar-x dan Refinement IV.2.1 (Ca,Sr)TiO IV.2.2 (Ca,Sr)TiO 3 :Pr IV.2.3 (Ca,Sr)TiO 3 :Eu IV.2.4 (Ca,Sr)TiO 3 :Tb IV.3 Fotoluminesensi IV.3.1 Spektrum Luminesensi (Ca,Sr)TiO IV.3.2 Spektrum Luminesensi (Ca,Sr)TiO 3 :Pr IV.3.3 Spektrum Luminesensi (Ca,Sr)TiO 3 :Eu IV.3.4 Spektrum Luminesensi (Ca,Sr)TiO 3 :Tb BAB V KESIMPULAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 59

11 ix DAFTAR LAMPIRA Lampiran A Plot Le Bail Sampel Ca x S 1-x TiO 3 :RE Lampiran B Spektrum fotoluminesensi sampel Ca x Sr 1-x TiO 3 :RE yang dieksitasi dengan λ = 220 nm Lampiran B Diagram tingkat energi kation-kation logam tanah jarang... 63

12 x DAFTAR GAMBAR Gambar II.1 Diagram energi (kurva dispersi) untuk semikonduktor langsung (a) dan tidak langsung (b) Gambar II.2 Sumur potensial periodik dari model Kronig-Penney... 8 Gambar II.3 Fungsi yang muncul dari persamaan II.17 pada model Kronig-Penney Gambar II.4 Hubungan E-K dari model Kronig-Penney Gambar II.5 Sel satuan struktur perovskit Gambar II.6 Diagram fasa (Ca,Sr)TiO 3 sebagai fungsi komposisi Ca (mol%) pada berbagai temperatur Gambar II.7 Diagram fasa (Ca,Sr,Ba)TiO Gambar II.8 Transisi elektron dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi terjadi ketika elektron dikenai energi Gambar II.9 Skema komponen material luminesen Gambar II.10 Fotoluminesens lapis tipis SrTiO Gambar II.11 Skema spektrofotometer fotoluminesen Gambar II.12 Skema rangkaian pemancar pembangkit gelombang ultrasonik Gambar II.13 Ilustrasi Efek kavitasi pada irradiasi ultrasonik Gambar II.14 Skema Tabung Sinar-X Gambar II.15 Difraksi sinar-x pada kisi kristal Gambar III.1 Pola difraksi SrTiO 3 berdasarkan JCPDS no Gambar III.2 Parameter pengukuran fotoluminesen pada Spektrofluorometer RF-5301PC Gambar IV.1 Foto SEM sampel CSTO:Pr setelah annealling pada 100 o C (A), 500 o C (B), 800 o C (C) dan 1000 o C (D) Gambar IV.2 Gambar IV.3 Pola difraksi sinar-x sampel C x Sr 1-x TiO 3 yang dipreparasi dengan menggunakan sonokimia diikuti dengan pemanasan pada suhu 800 o C selama 2 jam Parameter kisi (a, b, c) dan parameter perovskit (a p ) pada senyawa (Ca,Sr)TiO 3 sebagai fungsi fraksi mol Ca

13 xi Gambar IV.4 Pola difraksi sinar-x untuk sampel CSTO:Pr dengan perbedaan temperatur pemanasan (A= 100 o C, B= 500 o C, C = 800 o C dan D = 1000 o C) Gambar IV.5 Pola difraksi hasil refinement sampel CSTO:Pr yang dipanaskan pada suhu 1000 o C Gambar IV.6 Pola difraksi sampel CSTO:Eu yang dipreparasi dengan metode sonokimia kemudian dipanaskan pada suhu 100 o C (A), 500 o C (B), 800 o C (C), dan 1000 o C (D) Gambar IV.7 Pola difraksi hasil refinement CSTO:Eu yang dipanaskan pada suhu 1000 o C Gambar IV.8 Pola difraksi sampel CSTO:Tb yang dipreparasi dengan metode sonokimia kemudian dipanaskan pada suhu 100 o C (A), 500 o C (B), 800 o C (C), dan 1000 o C (D) Gambar IV.9 Pola difraksi hasil refinement CSTO:Tb yang dipanaskan pada suhu 1000 o C Gambar IV.10 Spektrum luminesensi Ca x Sr 1-x TiO 3 yang dieksitasi dengan λ = 220 pada suhu kamar Gambar IV.11 Spektrum Fotoluminesen emisi (a) dan eksitasi (b) pada temperatur ruang untuk sampel CSTO:Pr yang dipanaskan pada berbagai temperatur Gambar IV.12 Diagram tingkat energi untuk ion Pr 3+ λ eksitasi = 325 nm Gambar IV.13 Plot grafik pengaruh temperatur pemanasan terhadap parameter kisi CSTO:Pr yang diperoleh dari refinement data XRD dengan spacegroup Bmmb dan Z= Gambar IV.14 Spektrum fotolumunisen emisi pada temperatur ruang untuk sampel CSTO:Eu yang dipanaskan pada berbagai temperature yang dieksitasi pada λ = 463 nm Gambar IV.15 Spektrum emisi CSTO:Tb yang di eksitasi dengan λ = 220nm pada suhu kamar

14 xii DAFTAR TABEL Tabel I.1 Beberapa topik penelitian tentang sintesis perovskit dan karakterisasinya... 2 Tabel II.1 Jenis kation pada oksida berstruktur Perovskit Tabel II.2 Komposisi, parameter sel perovskit (a p ), grup ruang (S.G.), simetri titik (P.S.) pada site alkali tanah sistem ABO 3, serta jumlah operasi simetri (N.S.O.) pada Pr z (Ca 1-x Sr x ) TiO Tabel III.1 Stoikiometri prekursor yang digunakan dalam sintesis Tabel IV.1 Rumus kimia senyawa-senyawa hasil síntesis Tabel IV.2 Hasil perhitungan ukuran rerata kristalit Ca x Sr 1-x TiO 3 yang dipanaskan pada suhu 800 o C berdasarkan persamaan Debye-Scherrer Tabel IV.3 Hasil perhitungan ukuran rerata kristalit CSTO:RE berdasarkan persamaan Debye-Scherrer Tabel IV.4 Hasil perhitungan parameter perovskit hasil eksperimen dan teoritis Tabel IV.5 Puncak-puncak unik dan indeks miller sampel CSTO:Pr yang dipreparasi dengan metode sonokimia dan pemanasan pada suhu 1000 o C Tabel IV.6 Parameter sel hasil refinement sampel CSTO:Pr dengan metode Le Bail Tabel IV.7 Parameter sel hasil refinement sampel CSTO:Eu dengan metode Le Bail Tabel IV.8 Parameter sel hasil refinement sampel CSTO:Tb dengan metode Le Bail

15 xiii DAFTAR SI GKATA DA LAMBA G SI GKATA ama Pemakaian pertama kali pada halaman UV Ultra Violet 1 LED Light Emmiting Diode s 1 STO Stronsium titanat 1 BST Barium stronsium titanat 2 FIR Far Infra Red 2 CSTO:RE Ca 0,5 Sr 0,5 TiO 3 :RE 2 RE Kation-kation unsur logam tanah jarang 2 Pr Praseodimium 2 Eu Europium 2 Tb Terbium 2 SOFC s Solid oxide fuel Cells 16 PL Fotoluminesens SEM Scanning Electron Microscope 26 XRD X-Ray Diffraction 27 TiIP Titanium isopropoksida 28 HOAc Asam Asetat 28 FWHM Full width half maximum, lebar setengah puncak maks. 38 LAMBA G K Kelvin, satuan temperatur 1 ev Elektron volt, satuan energi 1 nm Nanometer, satuan panjang 2 Å Angstrom, satuan panjang 5 exp ( ) Eksponen ( ) 6 mµ Massa efektif 7 ψ Psi, Fungsi gelombang 7

16 xiv o C Celsius, satuan temperatur 12 a p Parameter perovskit, panjang sel satuan 12 r Jari-jari ionik 13 Pm3m Grup ruang untuk struktur kristal kubik 12 I4/mcm Grup ruang untuk struktur kristal tetragonal 14 Bmmb Grup ruang untuk struktur kristal ortorombik 14 Pnma Grup ruang untuk struktur kristal ortorombik 15 Θs Temperatur penjenuhan 14 Transisi 14 khz, MHz kilo Hertz, Mega Hertz, satuan frekwensi 21 mmhg millimeter raksa, satuan tekanan 25 d Jarak antar kisi 25 λ Lamda, Panjang gelombang 26 kv kilo Volt, satuan tegangan listrik 30 ma mili Amper, satuan kuat arus 30 R p Kecocokan hasil refine data XRD dengan perhitungan 31 R wp Kecocokan hasil refine data XRD dengan perhitungan 31 kpa/cm 2 kilo pascal per sentimeter kuadrat, satuan tekanan 31 D Ukuran kristalit dari persamaan Debye-Scherrer 36 d 220 bidang difraksi (220) 36 θ Sudut sinar datang pada difraksi sinar-x 37 a, b, c Parameter sel kristal 39 Z Jumlah molekul/atom dalam sel satuan 43