Sintesis dan Penentuan Sifat Feroelektrik Senyawa Oksida Logam Berstruktur Aurivillius Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15

Sintesis dan Penentuan Sifat Feroelektrik Senyawa Oksida Logam Berstruktur Aurivillius Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 Edi Mikrianto, Dwi Rasy Mujiyanti, dan Taufiqurohman Program Studi Kimia, FMIPA Universitas Lambung Mangkurat Jl. A. Yani 35,8 Banjarbaru Kalimantan Selatan e-mail: mikrianto@yahoo.co.uk Diterima 8 Desember 2010, disetujui untuk dipublikasikan 17 Maret 2011 Abstrak Senyawa oksida logam berstruktur Aurivillius Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 (PBTW) telah disintesis pada kisaran suhu 900-950 o C dengan metode reaksi fasa padat. Difraktogram hasil analisis XRD dibandingkan dengan database PDF (Powder Diffraction File) menggunakan Program Phasanx dan penelusuran difraksi menggunakan program Rietica dengan metode Rietveld. Hasil penelitian menunjukkan bahwa parameter sel oksida Aurivillius PBTW yaitu a = 5,2453 Å; b = 5,5363 Å; c = 41,6342 Å dengan grup ruang A2 1 am dan sistem kristal ortorombik. Berdasarkan hasil pengukuran sifat feroelektrik didapatkan bahwa senyawa hasil sintesis dari oksida logam berstruktur Aurivillius tipe PBTW menunjukkan adanya pola histerisis. Nilai polarisasi remanen Pr(+) oksida Aurivillius tipe PBTW sebesar 12,4 C/cm 2, dengan nilai Kef dan kapansitansinya 423.132 dan 489,788 nf. Kata kunci : Oksida logam Aurivilius, Reaksi fasa padat, Difraksi sinar-x, Polarisasi remanen, Feroelektrik Abstract Metal oxide of Aurivillius types Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 (PBTW ) had been synthesized a range of temperature of 900 950 o C using solid phase state reaction method. Difractogram analyzed X-ray diffraction (XRD) were compared with database Powder Diffraction File (PDF) using Phasanx program while tracing of diffraction pattern using Rietica program with Rietveld method. Result showed that unit cell parameter for the Aurivillius oxide of PBTW are a = 5.2453 Å; b = 5.5363 Å; c = 41.6342 Å with space group A2 1 am and orthorombic crystal system. The measurement of ferroelectric properties showed`that the synthesized Aurivillius oxide type PBTW exhibit hysterisis pattern. The remanent polarization Pr(+) value of Aurivillius oxide type PBTW is 12.4 C/cm 2, respectively value Kef and Capacitancy is 423.132 and 489,788 nf. Keywords : Aurivillius metal oxide, Solid state reaction, X-Ray Diffraction, Remanent polarization, Ferroelectric 1. Pendahuluan mengelilinginya membentuk geometri dodekahedral (Kaoru Miura dan Mashiro Tanaka, 1998). Oksida logam Aurivillius merupakan suatu senyawa oksida yang terdiri dari struktur berlapis yang tumbuh secara teratur terbentuk dari [A n-1 B n O 3n+1 ] 2- yang disebut dengan lapisan perovskit dan lapisan [Bi 2 O 2 ] 2+. Kation A merupakan ion-ion yang bermuatan +1, +2 atau +3 yang mempunyai koordinasi dodekahedral. Kation A yang berukuran besar ini diantaranya adalah beberapa logam alkali, alkali tanah, unsur tanah jarang atau campurannya. Sedangkan kation B merupakan suatu unsur transisi dengan koordinasi oktahedral yang berukuran lebih kecil dari kation A dan n merupakan bilangan bulat (1 n 5) yang menunjukkan jumlah oktahedral pada lapisan perovskit (Borg et al., 2002). Struktur oksida Aurivillius, Gambar 1(a), terdiri dari dua lapisan yaitu lapisan perovskit yang berada di antara lapisan [Bi 2 O 2 ] 2+. Pada lapisan perovskit [A n-1 B n O 3n+1 ] 2-, kation B berkoordinasi enam yang berada pada pusat oktahedral oksigen. Kedelapan oktahedral kation B saling bersambungan pada ujung-ujungnya dan membentuk suatu susunan kubus. Kation A berada di dalam susunan kubus itu sehingga kation A berkoordinasi dua belas yang mengikat dua belas atom oksigen yang (a) ( b ) Gambar 1. Koordinasi kation-kation dalam oksida Aurivillius (a); Struktur oksida Aurivillius simetri I4/mmm dengan jumlah n oktahedral n = 2 (b). Oksida Aurivillius mempunyai beberapa sifat fisik yang karakteristik salah satunya adalah sifat feroelektrik. Sifat feroelektrik pertama kali diidentifikasi oleh Subbarao tahun 1960-an pada oksida Aurivillius ABi 2 Nb 2 O 9 (A = Sr, Ba, dan Pb) 12

Mikrianto, dkk., Sintesis dan Penentuan Sifat Feroelektrik Senyawa Oksida Logam Berstruktur... 13 yang mempunyai temperatur Curie (T c ) masingmasing 420 o C, 210 o C dan 560 o C (Subbarao, 1962). Sifat feroelektrik ini sangat potensial dalam aplikasinya terutama bagi industri elektronika yang berkembang sangat cepat. Hal ini didukung oleh komponen-komponen penyusun perangkat elektronik tersebut. Banyak komponen yang berfungsi sangat penting sebagai penentu operasional pada perangkat elektronika seperti salah satunya adalah kapasitor. Kapasitor dapat dibuat dari material yang bersifat feroelektrik yang mempunyai kemampuan menahan polarisasi elektrik setelah tegangan listrik dihilangkan. Kapasitor ini juga dapat dirangkai dengan suatu transistor membentuk komponen FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) yang digunakan sebagai memori komputer. Melihat fungsinya yang penting dari senyawa oksida berstruktur Aurivillius terutama sifat feroelektriknya, maka perlu dilakukan eksplorasi terhadap oksida Aurivillius. Pada umumnya struktur Aurivillius disusun oleh kation A yang memiliki jarijari ~ 1Å dan kation B yang memiliki jari-jari ~ 0,6 Å. Dengan memperhatikan ukuran kation-kation pada lapisan perovskit maka masih terbuka peluang untuk melakukan sintesis oksida Aurivillius yang beragam. Studi tentang struktur dan sifat feroelektrik pada oksida Aurivillius telah banyak dilakukan peneliti-peneliti sebelumnya. Oleh kerena itu pada penelitian ini akan dilakukan sintesis oksida Aurivillius Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 empat lapis dengan menggunakan metode reaksi kimia padat sebagai usaha explorasi senyawa oksida logam yang berpotensi sebagai material feroelektrik. Terhadap oksida-oksida Aurivillius yang dihasilkan, dilakukan karakterisasi dengan menggunakan metoda difraksi sinar-x (XRD). Untuk menganalisa produk yang terbentuk digunakan program Phasanx dengan database PDF (Powder Difraction File) dan metoda pengindeksan dengan program Rietica dengan metode Rietveld untuk menentukan parameter sel satuan dan indeks Miller. Untuk setiap oksida Aurivillius yang terbentuk dilakukan pengukuran sifat feroelektrik dengan metode keramik. 2. Bahan dan Metode Penelitian 2.1 Bahan Sintesis oksida Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 (PBTW empat lapis) dilaksanakan di Laboratorium Dasar FMIPA UNLAM Banjarbaru. Analisis hasil sintesis senyawa oksida logam Aurivillius dengan menggunakan difraktometer sinar- X (XRD) dilakukan di Departemen Pertambangan Institut Teknologi Bandung. Sedangkan penentuan sifat feroelektriknya dilakukan dengan instrumen tipe RT66A Ferroelectric System-Radiant Technology di Program Studi Fisika, ITB, Bandung. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah neraca analitik, difraktometer sinar X serbuk, instrumen tipe RT66A Ferroelectric System-Radiant Technology, kawat tembaga, mortar dan alu, furnace, cawan alumina, sudip, gelas arloji, dan pipet tetes. Bahan-bahan yang diperlukan dalam penelitian ini meliputi oksida logam senyawa Aurivillius seperti Bi 2 O 3 (Aldrich), TiO 2 (Aldrich), WO 3 (Aldrich), PbO (Aldrich) dan aseton. 2.2 Metode Penelitian Sintesis oksida Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 Sebanyak 0,9225 gram (1,9799 mmol) Bi 2 O 3, 0,1232 gr (0,6602 mmol) WO 3, 0,5893 gr (2,6405 mmol) PbO dan 0,3691 gr (4,6207 mmol) TiO 2 ditimbang dan dicampur hingga homogen, selanjutnya ke dalam campuran ditambahkan aseton sebanyak 10 tetes kemudian digerus dan dipindahkan ke cawan alumina, dibakar dalam furnace dengan beberapa tahapan suhu. Pada tahap pertama, bahan dibakar pada suhu 200 o C selama 24 jam, didinginkan dan digerus. Pada tahap kedua bahan dibakar pada suhu 300 o C selama 24 jam, didinginkan dan digerus. Langkah ini dilakukan terus dengan kenaikan suhu 100 o C lebih tinggi dari pembakaran sebelumnya sampai suhu 800 o C, selanjutnya bahan dibakar pada suhu 850 o C selama 24 jam dengan kenaikan 50 o C, kemudian didinginkan dan digerus. Pemanasan ini hanya berlangsung sampai suhu 950 o C. Karakterisasi Difraksi Sinar-X Oksida Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 Sampel dikarakterisasi dengan difraktometer sinar-x (XRD) dari sumber sinar logam Cu. Selanjutnya dilakukan analisa produk dengan menggunakan program Phasanx dengan database PDF (Powder Difraction File) dan metoda pengindeksan dengan program Rietica untuk menentukan parameter sel satuan dan indeks Miller. Data difraksi diambil dari sudut (2θ) 10.025 sampai dengan 79.985 o dengan selang 0,05. Difraktogram yang diperoleh berupa grafik hubungan antara intensitas dan sudut difraksi (2θ). Untuk menentukan kepastian struktur Aurivillius yang terbentuk dilakukan analisis struktur dengan menggunakan metode Rietveld. Karakterisasi Feroelektrik a. Pembuatan Kapasitor Sebanyak 1 gram senyawa oksida Aurivillius Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 (PBTW empat lapis), senyawa hasil sintesis dilakukan pengepresan untuk membentuk pelet dengan luas penampang 1,54 cm 2 dan ketebalan sekitar ± 1 mm (1000 µm). Pelet yang terbentuk dipanaskan pada temperatur 700 o C selama 24 jam sampai terbentuk keramik. Keramik ditempatkan pada kaca aluminium evaporator yang sebelumnya bagian permukaan diberi satu tetes pasta perak. Bagian atas keramik diberi satu tetes pasta perak dan ditutup lagi dengan kaca aluminium evaporator yaitu kaca berlapis Al yang dideposisikan dengan cara evaporatsi, sehingga membentuk

14 JURNAL MATEMATIKA DAN SAINS, APRIL 2011, VOL. 16 NOMOR 1 kapasitor. Kapasitor kemudian disolder dengan kawat penghubung elektroda pada kedua sisi kaca evaporator. b. Pengukuran feroelektrik Karakterisasi feroelektrik dilakukan dengan instrumen tipe RT66A Ferroelectric System Radiant Technology untuk mengetahui sifat feroelektrik senyawa target. Kawat dihubungkan dengan elektroda pada instrumen dan dilakukan seting pengukuran. Data diambil pada tegangan maksimum (Vmaks) 16 Volt pada kapasitor pembobot 0,1 µf dengan jumlah titik 300 buah. 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Sintesis Oksida Aurivillius. Senyawa baru oksida Aurivillius dengan rumus Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 (PBTW empat lapis) berhasil disintesis dengan teknik reaksi kimia keadaan padat dalam bentuk polikristalin. Teknik sintesis ini relatif sangat mudah dan sederhana hanya dilakukan pencampuran secara stokiometris dari bahan-bahan yang direaksikan dan kemudian dilakukan pemanasan bertahap. Teknik ini dilakukan sebagai langkah awal sintesis dan eksplorasi senyawa Aurivillius. Data pengamatan hasil sintesis senyawa oksida Aurivillius dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Data Pengamatan hasil sintesis senyawa oksida logam Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 (PBTW empat lapis) Suhu ( o C ) / waktu (jam) PENAMPAKAN PBTW-4 32/0 Putih kekuningan (1) 400/24 Putih kekuningan (1) 500/24 Putih kekuningan (1) 600/24 Putih kekuningan (1) 700/24 Putih kekuningan (1) 800/24 Putih kuning tua (1) 850/24 Putih kekuningan (2) 900/24 Putih kekuningan (3) 950/24 putih sdk kekuningan (3) Keterangan tekstur : lembut (1); agak kasar (2); kasar (3). 3.2 Karakterisasi Difraksi Sinar-X Analisa difraksi sinar-x serbuk padatan hasil sintesis dilakukan ketika terjadi perubahan warna atau tekstur pada senyawa yang menandakan telah terjadi proses reaksi. Prinsipnya bahwa susunan dan orientasi atom di dalam kristal suatu bahan akan menghasilkan pola difraksi sinar-x yang berbeda, sehingga dapat diidentifikasi struktur kristal suatu bahan melalui pola-pola difraksi sinar-x. Penampakan warna hasil sintesis untuk oksida aurivillius Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 empat lapis adalah serbuk putih kekuningan dengan tekstur kasar. Suhu akhir reaksi senyawa oksida Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 empat lapis suhu akhir sintesis adalah 900 o C. Pada sintesis oksida Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 empat lapis ketika suhu sintesis dinaikkan pada suhu 950 o C oksida Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 mengalami dekomposisi struktur ke arah bentuk struktur amorf (Gambar 2). Hal ini menjelaskan bahwa kisi-kisi kristal tidak menunjukan bangun ruang struktur Aurivillius, kisi-kisi kristal aurivillius tidak terbentuk lagi yang disebabkan putusnya ikatan antar atom dalam kristal itu. Kerasnya tekstur padatan dan perubahan warna yang mencolok pada akhir sintesis juga menandai bahwa telah terjadi proses reaksi pemutusan kisi kristal aurivillius pada saat itu. Namun ketika suhu sintesis di bawah 950 o C yaitu pada suhu 850 o C dan 900 o C terlihat struktur aurivillius tertata sesuai dengan struktur aurivillius nyata (Gambar 3). Pada gambar 3 difraktogram pada suhu sintesis 900 o C menunjukan puncak difraktogram yang lebih baik dengan intensitas puncak yang relatif tajam dan sempit. Bukti bahwa oksida Aurivillius Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 terbentuk adanya puncak tajam dengan intensitas tinggi terdapat 2θ 30 o yang mengindikasikan bidang kisi atom Bi serta puncak-puncak lain pembentuk kisi kristal Aurivillius. Pengamatan ini menyimpulkan dan menyarankan bahwa untuk suhu sintesis oksida aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 sebaiknya dilakukan pada suhu 900 o C selama 24 jam. Dengan menggunakan program Rietica metode Rietveld dapat ditentukan parameter kristal hasil sintesis senyawa oksida Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 (Gambar 4). Data hasil penentuan struktur ini dapat dilihat pada Tabel 2. 500 400 300 200 100 0 PBTW 4 950 o C 10 20 30 40 50 60 70 80 2 Theta Gambar 2. Difraktogram oksida Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 hasil reaksi setelah pemanasan 950 o C selama 24 jam.

Mikrianto, dkk., Sintesis dan Penentuan Sifat Feroelektrik Senyawa Oksida Logam Berstruktur... 15 Intensitas 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 [017] [10,11] [119] [11,11] [022] [129] [213] [217] [219] [21,15] [21,14] [21,16] [228] [131] [319] [31,11] [31,13] 9230] 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 2 Theta ( o ) Gambar 3. Difraktogram oksida Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 hasil reaksi setelah pemanasan 850 o C dan 900 o C selama 24 jam. Gambar 4. Hasil penghalusan metode Rietveld oksida Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 setelah pemanasan 900 o C selama 24 jam. Tabel 2. Hasil metode Rietveld, parameter satuan, group ruang dan sistem kristal senyawa oksida Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15. Parameter Sistim Kristal Group Ruang Parameter sel satuan ( Å ) [32,16] [424] [41,14] Tipe oksida Aurivillius Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 Ortorombik A2 1 am a : 5,2453 (6) b : 5,5363 (5) c : 41,6342 (3) 900 o C 850 o C 3.3 Karakterisasi Sifat Feroelektrik. Pada senyawa Aurivillius salah satu sifat penting yaitu feroelektrik yang digunakan sebagai pembuat kapasitor yang lebih lanjut dapat dirangkai dengan komponen transistor membentuk komponen baru yang berfungsi sebagai bahan memori komputer FRAM. Untuk itu terhadap oksida-oksida Aurivillius hasil sintesis dilakukan pengujian sifat feroelektrik. Pengukuran sifat feroelektrik pada semua oksida Aurivillius hasil sintesis dilakukan pada Vmax dari 16 Volt dan kapasitor pembobot 0,1 µf dengan jumlah titik 300 buah. Hasil Karakterisasi feroelektrik ditunjukkan oleh adanya pola loop histerisis. Data hasil pengukuran sifat feroelektrik untuk senyawa oksida Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 disajikan pada Tabel 3 dan pola loop histerisis disajikan pada Gambar 5. Tabel 3. Data hasil pengukuran sifat feroelektrik senyawa oksida Aurivillius hasil sintesis. Tipe Aurivillius Pengukuran Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 Vmaks(Volt) 16 K. Pembobot (µf) 0,10 A (cm -2 ) 1,54 d (µm) 1000 Jumlah Titik 300 Vs (+) (Volt) 12.50 Vs (-) (Volt) 12.20 Ps (+) 55,8 Ps (-) 48,6 Pr(+) 12,4 Pr(-) 4,38 Kef 423.132 Kapasitansi (nf) 489,788 Gambar 5. Pola histerisis oksida Aurivillius tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 (PBTW empat lapis) pada tegangan maksimum 16 Volt dan kapasitor pembobot 0,1 µf 4. Kesimpulan Hasil penelitian menyimpulkan bahwa senyawa oksida aurivillius baru tipe Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 telah berhasil disintesis dengan reaksi fasa padat pada suhu akhir optimum bervariasi yaitu berkisar pada suhu 900 o C. Pola difraksi senyawa oksida aurivillius Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 hasil sintesis bersimetri ortorombik dengan group ruang A21am dengan parameter selnya a = 5,2453 Å; b = 5,5363 Å; c = 41,6342 Å. Sifat feroelektrik oksida logam Pb 2 Bi 3 Ti 3,5 W 0,5 O 15 yang diukur pada Vmaks 16 Volt dan kapasitansi pembobot 0,10 µf mempunyai nilai polarisasi remanen Pr(+) sebesar 12,4 C/cm 2, dengan nilai Kef dan kapansitansinya 423.132 dan 489,788 nf.

16 JURNAL MATEMATIKA DAN SAINS, APRIL 2011, VOL. 16 NOMOR 1 Daftar Pustaka Akira, O, T. Kubo, K. Yosho, S. Kojima, and T. Takama, 2000, Crystal Structure of High- Temperatur Paraelectric Phase in Bi-layered Perovskite Sr 0,85 Bi 2,1 Ta 2 O 9. Jpn. J Appl. Phys., 39, 5711-5715. Aurivillius B., 1950, Mixed oxides with Layer Lattices.III Structure of BaBi 4 Ti 4 O 15, Arkiv For Kemi Band, 2:37, 519-527. Borg, S., G. Svensson and J. O. Bovin, 2002, Structure Study of Bi 2,5 Na 0,5 Ta 2 O 9 and Bi 2,5 Na m-1,5 Nb m O 3m+3 (m=2-4) by Neutron Powder Diffraction and Electron Microscopy, J. Solid State Chem., 167, 86-96. Ismunandar dan E. Mikrianto, 2004, Structure Rifenement of Five Layers Coumpound Ba 4 Bi 2 Nb 2 Ti 3 O 18, Proc. ITB on Engineering Science, 36B:1, 57 62. Ismunandar, A. B. Hunter and B. J. Kennedy, 1998, Cation Disorder in the Ferroelectric Aurivillius Phase PbBi 2 Nb 2 O 9 : An Anamolous Dispersion X-ray Diffraction Study, J. Solid State Chem., 121, 3281-3289. Mikrianto, E. dan Ismunandar, 2004, Sintesis dan Karakterisasi Senyawa Berstruktur Aurivillius Empat dan Lima Lapis dan Penentuan Sifat Feroelektriknya, Jurnal Matematika dan Sains, 9:3, 279 284. Mikrianto, E. dan Ismunandar., 2003, Sintesis dan Karakterisasi Senyawa Berstruktur Aurivillius Empat Lapis, Prosiding Seminar Nasional Kimia HKI, 381-386, Malang, Jawa Timur. Mikrianto, E. Ismunandar, dan Khairrulrijal, 2007, Sintesis dan Karakterisasi Senyawa Oksida Logam Berstruktur Aurivillius Seri Homolog Tipe (Bi 2 O 2 ) 2+ (A (n-1) B n O 3n+3 ) 2- (A 2+ : Ba, Sr) dan Penentuan Sifat Feroelektriknya, Laporan Hibah Pekerti, Banjarbaru Kalimantan Selatan. Mikrianto, E. Ismunandar, dan Khairrulrijal, 2007, Synthesis and characterization metal oxide aurivillius homolog series type (Bi 2 O 2 ) 2+ (A (n-1) B n O 3n+3 ) 2- (A 2+ = Ba, Sr), The International Conference on Neutron and X-Ray Scattering (ICNX2007), Bandung Jawa Barat. Masaru, M. And In-Sook Yi., 2000, Electrical Anisotropy in Single Crystals of Bi-Layer Structured ferroelctrics, J. Ceram. Int., 529-533. Subbarao, E. C., 1962. Crystal chemistry of Mixed Bismuth Oxides with Layer-Type Structure, J. Am. Ceram. Soc., 166-169. S. T. Zhang et.al, 2002, Structural and Electrical Properties af Homologous Sr m-3 Bi 4 Ti m O 3m+3 (m=3, 4, 5 and 6) Thin Films, J. Appl. Phys., 92:8, 599 4604.