PENGARUH TEMPERATUR PERLAKUAN PANAS PADA SIFAT MAGNETIK MATERIAL Bi0,95Mg0,05FeO3 DENGAN METODE SOL-GEL AUTO COMBUSTION

Transkripsi

1 PENGARUH TEMPERATUR PERLAKUAN PANAS PADA SIFAT MAGNETIK MATERIAL Bi0,95Mg0,05FeO3 DENGAN METODE SOL-GEL AUTO COMBUSTION Rissa 1, Bambang Soegijono 2, Arief Sudarmaji 1 Departemen Fisika, FMIPA UI, Kampus UI Depok Ilmu Fisika, Pascasarjana Universitas Indonesia Salemba 4 Jakarta Abstrak Material Bi1-xMgxFeO3 dengan nilai x=0,05 dibuat melalui metode sol-gel autocombustion. Material dibuat dari campuran larutan bismuth nitrat, ferit nitrat dan serbuk Magnesium. Material ini dikalsinasi pada temperatur 180 o C selama 2 jam setelah diperoleh gel saat pembuatan. Setelah itu material di kalsinasi kembali pada temperatur 450 o C, 500 o C dan 550 o C pada waktu yang berbedabeda yaitu 2.4 dan 6 jam pada tekanan udara 1 atm. Pengaruh dari temperature perlakuan panas dan sifat magnetic material paduan Bi1-xMgxFeO3 ini menjadi focus yang akan dipelajari. Material ini akan dikarakterisasi dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Permagraph, Differential Scanning Calorymetry (DSC) dan Thermo Gravimetric Analysis (TGA). Hasil karakterisasi XRD menunjukkan bahwa setelah material dikalsinasi pada waktu dan temperatur demikian, material menunjukkan 3 fasa yang berbeda. Secara umum hasil pengujian Permagrapf pada suhu ruang menunjukkan bahwa material tersebut bersifat paramagnetic dengan nilai medan magnet saturasi,,koersifitas dan magnetisasi remanen yang berbeda. Namun, perlakuan panas yang dilakukan menyebabkan nilai remanen cenderung menurun seiring dengan bertambahnya waktu dan temperatur pemanasan. Abstract Bi1-xMgxFeO3 compound with x=0,05 has been made by sol-gel auto combustion method. Material was obtained by aqueous mixtures of Bismuth Nitrate, Ferrite Nitrate and Magnesium powders. Sample was calcinated at temperature 180 o C for 2 hours after the material become gel while synthesized. Then the sample divided into three samples to be calcinated at temperature 450 o C, 500 o C and 550 o C for 2,4 and 6 hours in static air atmosphere. The effect of the calcinations temperature and the magnetic properties of Bi1-xMgxFeO3 compounds are about to be the focus of the study. The samples were characterized using X-Ray Diffraction (XRD), Permagraph, Differential Scanning Calorymetry (DSC) and Thermo Gravimetric Analysis (TGA). The characterization using XRD shows that the sample exhibit 3 different phases. Generally, Permagraph testing at room temperature shows that this material is paramagnetic material with different value for magnetic saturation, coersivity and remanence magnetization. With the increasing of temperature and the time of calcinations, the remanence magnetization tends to be decrease. Key words: Sol-Gel, Bismuth Ferrite, XRD

2 1. PENDAHULUAN Belakangan ini penelitian menggunakan bahan multiferroik menarik untuk dikaji oleh para peneliti karena banyaknya aplikasi yang dapat diterapkan menggunakan bahan multiferroik terutama dalam dunia industri seperti penggunaannya untuk osilator, filter, memori, magnetoelektrik, sensor dll [1]. Sejauh ini ada sejumlah senyawa yang menunjukan sifat multiferoik. Pertama kali bahan multiferoik ditemukan adalah berupa bahan feromagnetik Ni 3B 7O 13I (Nickel Iodone Baracite). Selanjutnya ditemukan bahan multiferoik seperti (1- x)pb(fe1/3w 1/3)O xpb(mg 1/2W 1/2)O 3, Pb(CoW)O 7, BiFeO 3, YMnO 3 dan RMn 2O 5 serta RMn 2O 5. Penelitian tentang bahan multiferoik akhir-akhir ini terfokus untuk aplikasi dalam rangkaian elektronika [12]. Pada penelitian kali ini, peneliti lebih memfokuskan kepada bahan multiferroik BiFeO3 yang didopping dengan Magnesium dengan perumusan Bi 1-xMg xfeo 3 dengan nilai x=0,05 dan melihat bagaimana karakteristik material multiferroik tersebut. Peneliti juga akan melihat bagaimana pengaruh subtitusi Magnesium terhadap sifat kemagnetan material multiferroik tersebut. Adapun tujuan penelitian ini yaitu: 1. Mempelajari cara dan tahapan pembuatan Bismut Ferrite (BiFeO 3) dengan substrat Mg dengan metode Sol-Gel Auto Combustion 2. Melakukan karakterisasi sampel BiFeO 3 didoping oleh Mg yang sudah dibuat dengan menggunakan XRD,DSC,TGA, dan Permagraph 3. Menganalisis sifat magnetic dan sifat termal dari BiFeO 3 dengan substrat Mg yang sudah dibuat berdasarkan hasil karakterisasi. 2. METODE PENELITIAN Pada penelitian ini material multiferoik yang digunakan adalah BiFeO3 atau Bismuth Ferrite yang didopping dengan Magnesium (Mg) dengan komposisi bahan Bi 0,95Mg 0,05FeO 3 yang disintesis menggunakan metode sol-gel. Dalam pembuatan Bi 0,95Mg 0,05FeO 3 diperlukan beberapa senyawa awal atau precursor yaitu padatan Mg, Bi5O(OH)8(NO3)4 dan Fe(NO3)3.9H2O. Namun dalam proses sol-gel diperlukan senyawa fuel yang dalam penelitian kali ini menggunakan asam sitrat atau Citric Acid (C6H8O7). Perhitungan stoikiometri bahan-bahan yang digunakan dihitung menggunakan Ms.Excel. Tahap awal pembuatan material sampel Bi 0,95Mg 0,05FeO 3 yaitu dengan melarutkan semua precursor dengan asam sitrat dan aqua bidestilata sesuai dengan perhitungan stoikiometri yang sebelumnya telah dihitung. Setelah terbentuk larutan, kemudian dipanaskan dengan meletakkan gelas beaker berisi larutan tersebut diatas hot-plate yang sebelumnya telah diletakkan stirrer didalam gelas tersebut sebagai alat pengaduk saat proses pemanasan berjalan. Hot-plate harus selalu dijaga temperature pemanasannya dengan menaikkan atau menurunkan temperature pemanasan agar temperature sample kontan berkisar di suhu 80 o hingga 90 o dari awal pemanasan hingga senyawa campuran tersebut membentuk gel. Setelah terbentuknya gel kemudian diberi perlakuan panas selama 2 jam pada temperatur 180 o C. Proses pemanasan ini dilakukan agar menghilangkan impuritas yang masih terkandung dalam sampel seperti kadar air, oksigen ataupun karbon, sehingga hasil akhir yang diharapkan adalah sampel tersebut tidak lagi menjadi gel namun menjadi padatan karena hilangnya kadar air yang terkandung dalam sampel akibat perlakuan panas.

3 Tabel 1. Nama bahan, rumus kimia, massa material yang dibutuhkan, merek dagang dan kemurnian bahan penyusun material Bi 0,95Mg 0,05FeO 3 sebanyak 20 gram No Nama Rumus Kimia Produk Mr Kemurnian Massa Material (gr) 1 Fer(III) Nitrate Nonahydrate Fe(NO 3)3.9H 2O Merck 403,847 99% 27, Bismuth (III) Nitrate Bi 5O(OH)9(NO 3)4 Merck 1461,9 99% 18, Citric Acid Monohydrate C 6H 8O 7 Merck 192, % 25, Padatan Magnesium Mg 24,305 99,99% 0,0822 Hasil dari pemanasan pada temperatur 180 o selama 2 jam tersebut selanjutnya akan digunakan untuk kalsinasi pada suhu 450 o,500 o dan 550 o untuk kemudian digunakan untuk karakterisasi permagraf dan XRD. Identifikasi pola difraksi material diamati menggunakan teknik difraksi sinar-x. Dalam penelitian ini digunakan Difraktometer Sinar-X Philips, tipe PW 2256~20, radiasi CoK α, panjang gelombang λ = Å dengan sudut difraksi awal 20 sampai 90 dengan pergeseran sudut difraksi Fasa-fasa yang terbentuk didalam kurva XRD kemudian diamati dengan software Match. Penentuan sifat magnetic material dilakukan dengan melakukan pengujian material dengan Permagraf dimana output yang dihasilkan menunjukkan kurva histerisis yaitu kuat medan magnet terhadap kerapatan fluks. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengukuran material Bi 0,95Mg 0,05FeO 3 menggunakan alat DSC menghasilkan grafik yang menunjukkan bagaimana energi yang diberikan atau dilepaskan terhadap temperatur. Sampel yang diuji sebanyak mg dan temperature pemanasan mulai dari 30 o C hingga 1000 o C dimana terjadi rentan kenaikan sebesar 10 o C per menit. Pada gambar 1 menunjukkan dua reaksi energi yang terjadi yaitu reaksi endoterm dan reaksi eksoterm. Pada awal perlakuan diberikan panas pada saat pengujian, terlihat pada grafik bahwa aliran panas diatas 0 mw yang merupakan reaksi endoterm yang artinya material mendapatkan panas. Pada temperatur o C dengan aliran energy sebesar mw terjadi penurunan energi namun sempat turun kembali tidak lama hingga pada temperature o C dengan aliran energi sebesar mw. Gambar 1. Gabungan hasil pengujian material BiMgFeO3 dengan DSC dan TGA

4 Namun pada saat temperature tersebut, energi berkurang secara cukup signifikan dimana tidak lama setelah pemanasan pada temperature tersebut, reaksinya menjadi reaksi eksoterm atau terjadi peristiwa pelepasan panas. Pada rentan suhu tersebut merupakan proses terjadinya auto-combustion ditandai dengan mulai terbentuknya material BiFeO 3. Reaksi eksoterm dengan energy terendah terjadi pada temperature o C dengan aliran energi sebesar mw namun kembali naik energinya hingga pada temperature o C dengan aliran energy sebesar mw. Lalu aliran energy cenderung menurun hingga aliran energy paling minimum tercapai pada temperature o C dengan heat flow sebesar o C. Pada akhir pengujian yaitu pada temperature o C diperoleh aliran energy sebesar mw. Adapun hasil pengujian dengan DSC dapat dilihat pada Gambar 1 dan beberapa titik pengukuran aliran energy yang diberikan terhadap temperature pemanasan pada saat pengujian dapat dilihat pada Tabel 2. Hasil pengukuran material BiMgFeO3 dengan menggunakan TGA menunjukkan bagaimana massa material terhadap temperature kalsinasi. Pada awal pemanasan hingga pada suhu pemanasan sekitar 120 o terjadi penurunan massa yang cukup signifikan, namun pada suhu sekitar 180 o penurunan massa yang terjadi cenderung lebih stabil walaupun terjadi penurunan massa seiring dengan besarnya temperature pemanasan. Grafik gabungan hasil pengujian material DSC dan TGA menunjukkan mengapa terjadi penurunan massa secara drastic pada suhu sekitar 120 o dimana menunjukkan bahwa karena terjadi proses auto combustion atau proses pembakaran untuk menjadi material BiFeO 3 sehingga terjadi penurunan massa yang cukup signifikan. Terlihat bahwa tidak ada proses kristalisasi yang terjadi pada kurva TGA yang juga ditandai dengan tidak adanya energi yang diberikan yang ditunjukkan oleh kurva DSC. Adapun massa yang hilang dalam pengujian ini dihitung dalam per 10 menit dapat dilihat pada tabel 3. Terlihat pada tabel bahwa massa yang hilang dalam jumlah signifikan terjadi pada menit sekitar 10 menit hingga 20 menit. Oleh karena itu perlu diteliti kembali pada rentan waktu tersebut bagaimana massa yang tersedia yang ditunjukkan pada Tabel 4. Terlihat pada Tabel 4, massa yang hilang secara signifikan terjadi pada menit ke-13 hingga menit ke 14. Adapun menurut perhitungan, penurunan massa pada menit ke 14 terjadi hingga mencapai 44.35% dari massa awal pada menit ke 13. Dilakukan karakterisasi dengan menggunakan X- Ray Diffractometer untuk menentukan bagaimana fase yang terbentuk setelah perlakuan-perlakuan yang diberikan. Setelah dilakukan kalsinasi pada beberapa temperature dan waktu tertentu, ternyata hasil XRDnya menunjukkan bahwa terdapat 3 fase yang terbentuk, yaitu fase BiFeO 3, Bi 2O 3 dan Fe 2O 3. Namun presentase fase pada tiap waktu dan temperature kalsinasi berbeda. Pada pemanasan dengan temperature 450 o C, 500 o C dan 550 o C masih terdapat 3 fasa yang terbentuk yaitu fase BiFeO 3, Bi 2O 3 dan Fe 2O 3 walaupun telah diberikan perlakuan panas dalam variasi waktu yaitu untuk waktu 2 hingga 6 jam. Namun terjadi perbedaan intensitas yang ditandai dengan perbedaan puncak-puncak difraksi.

5 Tabel 2. Beberapa titik aliran energi terhadap temperature hasil uji DSC No Temperatur ( o C) Heat Flow (mw) Tabel 3. Massa sampel pengujian per 10 menit Waktu (menit) Massa sampel (mg) Perbedaan waktu kalsinasi yang tidak terlalu besar mengakibatkan perbedaan yang terlihat tidak terlihat begitu signifikan. Parameter yang digunakan dalam penentuan ukuran Kristal adalah nilai FWHM yang merupakan singkatan dari Full Width Half Maximum. FWHM merupakan lebar puncak antara dua titik yang berdekatan dari sebuah kurva yang memiliki setengan nilai maksimal intesitas kurva. Tabel 4. Massa yang tersedia pada menit ke 10 hingga 20 pada uji TGA Waktu (menit) Massa sampel (mg) Sudut difraksi yang digunakan berada pada sudut sekitar 30 o bantuan software Bella. lalu diperoleh nilai FWHM dengan Namun dalam perhitungan selanjutnya sudut tersebut harus dibagi dua karena masih dalam 2tetha juga satuan dari sudut tersebut diubah kedalam bentuk radian dengan mengalikannya dengan pi/180.

6 = sudut difraksi Gambar 2. Hasil XRD gabungan Nilai k yang digunakan pada perhitungan ini yaitu 0.9 dan panjang gelombang sumber difraksi sinar-x yang digunakan yaitu berupa Cobalt sebagai sumber dengan panjang gelombang sebesar Å. Setelah dilakukan pengukuran nilai FWHM pada setiap temperatur dan waktu kalsinasi, maka akan didapatkan nilai ukuran kristalit rata-rata. Pada Tabel 5 dicantumkan nilai B dimana B merupakan nilai FWHM. Nilai B tersebut didapat dari nilai B eksperimen dikurangi nilai Bo atau nilai instrument berupa nilai FWHM dari silicon. Adapun formula yang digunakan dalam perhitungan ukuran kristalit rata-rata menggunakan Scherrer Formula dimana, = d = ukuran kristalit rata-rata k = konstanta yang bernilai antara 0.7 hingga 1.7 Gambar 3. Hasil Permagraf Bi 0,95Mg 0,05FeO 3 setelah kalsinasi selama 2 jam Hasil uji dengan permagraf pada sampel yang telah dikalsinasi selama 2 jam pada temperatur = panjang gelombang sumber difraksi sinar-x yang digunakan Tabel 5. Ukuran kristalit rata-rata Temp ( C) Time (Hrs) FWHM 2θ( ) D (nm)

7 Gambar 4. Hasil Permagraf Bi 0,95Mg 0,05FeO 3 setelah kalsinasi selama 4 jam 450 o C, 500 o C dan 550 o C menghasilkan bahwa pada temperatur 450 o C memiliki nilai remanen sebesar T, nilai koersivitas sebesar ka/m dan nilai saturasi sebesar 0.05 T. Sementara pada temperature 500 o C, nilai remanennya sebesar T, nilai koersivitas sebesar ka/m dan nilai saturasi sebesar 0.01 T. Pada temperature 550 o C, nilai remanennya sebesar T, besar koersivitas ka/m dan nilai saturasi sebesar 0.02 T. Hasil uji dengan permagraf pada sampel yang telah dikalsinasi selama 4 jam pada temperatur 450 o C, 500 o C dan 550 o C menghasilkan bahwa pada temperatur 450 o C memiliki nilai remanen sebesar T, nilai koersivitas sebesar ka/m dan nilai saturasi sebesar 0.04 T. Sementara pada temperature 500 o C, nilai remanennya sebesar T, nilai koersivitas sebesar ka/m dan nilai saturasi sebesar 0.05 T. Pada temperature 550 o C, nilai remanennya sebesar T, besar koersivitas 8.83 ka/m dan nilai saturasi sebesar 0.02 T. Gambar 5. Hasil Permagraf Bi 0,95Mg 0,05FeO 3 setelah kalsinasi selama 6 jam Hasil uji dengan permagraf pada sampel yang telah dikalsinasi selama 6 jam pada temperatur 450 o C, 500 o C dan 550 o C menghasilkan bahwa pada temperatur 450 o C memiliki nilai remanen sebesar 0.02 T, nilai koersivitas sebesar 8.70 ka/m dan nilai saturasi sebesar 0.07 T. Sementara pada temperature 500 o C, nilai remanennya sebesar T, nilai koersivitas sebesar 9.10 ka/m dan nilai saturasi sebesar 0.05 T. Pada temperature 550 o C, nilai remanennya sebesar T, besar koersivitas ka/m dan nilai saturasi sebesar 0.02 T. Nilai koersivitas dilihat dari nilai Hc(J) yang ditunjukkan pada hasil pengujian permagraf. Koersifitas merupakan besar medan magnet yang diperlukan untuk mengembalikan kerapatan fluks magnetik menjadi nol. Adapun nilai koersivitas tersebut ditujukkan pada tabel 6. Berdasarkan tabel 6 terlihat bahwa nilai koersivitas terbesar berada pada material yang telah di kalsinasi selama 2 jam pada suhu 500 o C sebesar ka/m. Sementara nilai koersivitas terendah berada pada material yang telah dikalsinasi selama 6 jam pada suhu 450 o C.

8 Tabel 6. Nilai koersivitas Suhu C C C Jam Koersifitas (ka/m) KESIMPULAN Metode solution-gel dilakukan dalam pembuatan material BiMgFeO 3. Pola difraksi yang terukur pada material menunjukkan adanya 3 fasa pada suhu dan waktu yang telah ditentukan. Terbentuknya fasa lain selain fase BiFeO 3 dapat dianalisis berdasarkan hasil uji DSC dan TGA dimana pada kurva TGA, terlihat bahwa pada suhu kalsinasi berapapun, material BiMgFeO3 tidak menunjukkan material akan satu fasa. Ukuran kristalit rata-rata fase BiFeO 3 dipengaruhi waktu dan suhu kalsinasi yang dilakukan. Semakin lama waktu pemanasan, maka nilai FWHM akan semakin kecil sehingga ukuran kristalit rata-rata akan semakin besar. Material ini merupakan material soft magnetic yang dapat dilihat dari koersifitasnya yang sangat kecil. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih saya sampaikan kepada Departemen Fisika Universitas Indonesia, Dr. Bambang Soegijono M.Si dan Drs. Arief Sudarmaji, M.T selaku pembimbing sekaligus teman berdiskusi sehingga diselesaikannya penelitian ini. DAFTAR ACUAN [1] Hua et al.,(2010), Factors Controlling Purephase Multiferroic BiFeO3 Powders Synthesized by Chemical Co-precipitation, Journal of Alloys and Compounds Vol.509,p [2] Spaldin N.A,Fiebig, The Renaissance of Magnetoelectric Multiferroics, Science,Vol.309, p.391,2005. [3] Bibes,Stone Braker A., Nature Materials,Vol.7, p.425, ( http : // physics.aps.org / articles/ v2/20),2009. [4] J. F. Scott, Data storage: multiferroic memories, Nature Materials, vol. 6, no. 4, pp , [5] Carvalho, P.B. Tavares,(2008),"Synthesis and Thermodynamic Stability of Multiferroic BiFeO3",Materials Letters 62 (2008) [6] J. F. Scott and C. A. Paz De Araujo, Ferroelectric memories, Science, vol. 246, no. 4936, pp , [7] G. A. Prinz, Magnetoelectronics, Science, vol. 282, no. 5394, pp , [8] C. Chappert, A. Fert, and F. N. Van Dau, The emergence of spin electronics in data storage, Nature Materials, vol. 6, no. 11, pp , [9] S. X.Wang and A. M. Taratorin, Magnetic Information Storage Technology, Academic Press, San Diego, Calif, USA, [10] Z. Shi, C.Wang, X. Liu, and C. Nan, A four-state memory cell based onmagnetoelectric composite, Chinese

9 Science Bulletin, vol. 53, no. 14, pp , [11] F. Yang, Y. C. Zhou, M. H. Tang et al., Eight-logic memory cell based on multiferroic junctions, Journal of Physics D, vol. 42, no. 7, Article ID , [12] Hill A., Nicola,(2004), First Principles Study of Multiferroic Magnetoelectric Manganites, University of California Santa Barbara, Materials Department: California. [13] Schmid H., Ferroelectrics 162, 317 (1994). [14] M. Gajek et al., Nature Materials 6, (2007) [15] Hua Dai,Zhong, Yukikuni Akhisige BiFeO3 ceramics synthesized by spark plasma sintering. dx.doi.org/ /j.ceramint