Stabilitas termal dan struktur kacateo 2 -ZnO-Li 2 O-MgO

Stabilitas termal dan struktur kacateo 2 -ZnO-Li 2 O-MgO Sulhadi a,* a Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika, Fakultas MIPA,Universitas Negeri Semarang Gd. D9 Lt.1 Kampus Sekaran Gunungpati Semarang * Email: sulhadipati@yahoo.com Abstrak Pengaruh penambahan Li 2 O dan MgO terhadap stabilitas termal dan struktur kaca zinc tellurite yang difabrikasi dengan melt quenching technique dikaji dengan TG/DTA dan FTIR spectroscopy. Dari hasil TG/DTA menunjukkan bahwa penambahan Li 2 O dan MgO pada kaca zinc-tellurite dapat menurunkan temperatur transisi kaca, temperatur kristalisasi dan titik lebur kaca.stabilitas termal kaca tertinggi sebesar 97 o C tercapai pada penambahan 1mol% Li 2 O dan 1mol% MgO. Dari analisis hasil FTIR spectroscopy menunjukan adanya pengaruh penambahan Li 2 O dan MgO pada perubahan struktur kaca. Perubahan yang teramati konsisten pada stretching vibration mode TeO 4 trigonal bipyramid (tdp), TeO 3 trigonal pyramid (tp), dan bending vibration mode Te-O-Te (atau O- Te-O) yang terjadi pada semua komposisi. Penambahan MgO dan Li 2 O pada kaca zinc-tellurite menunjukan adanya kecenderungan menurunnya intensitas absorpsi sekitar 1636cm -1 dan 3422cm -1 3434cm -1 yang merupakan stretching vibration dari hydroxyl group. Kata kunci :TG/DTA, FTIR Spectroscop, melt quenching technique 1. Pendahuluan Telah banyak dilakukan penelitian teknologi pembuatan kaca untuk berbagai aplikasi dalam kehidupan sehari-hari.pada perkembangan berikutnya kaca dimanfaatkan untuk aplikasi bahan optik dengan teknik fabrikasi tertentu. Langkah penting dalam pembentukan material kaca adalah pendinginan dari keadaan cair, kondensasi dari uap sekitar, tekanan pencetakan (quenching) dan proses annealing. Dari banyak teknik yang dikenal dalam pembentukan material kaca, yang paling banyak digunakan adalah melt quenching technique dan sol-gel formation. Tellurium dioxide (TeO 2 ) merupakan oksida yang stabil dari tellurium (Te) dengan titik didih (melting point) 773 o C.Stabilitas dari TeO 2 ini merupakan bagian penting untuk diteliti lebih lanjut sebagai bahan crystalline maupun bahan amorphous (kaca) [1]. Kaca tellurite diketahui merupakan salah satu system amorphous yang penting karena memungkinkan untuk aplikasi komesial. Kaca tellurite mempunyai sifat opto-elektronik yang khas karena tidak hanya memiliki temperatur transisi kaca yang rendah tetapi juga merupakan bahan dengan daya transmisi infrared yang sangat baik [2,3] yaitu antara 0,4 6,0 µm [4]. Dengan sifat tersebut kaca tellurite sangat baik untuk aplikasi sensor tekanan atau sebagai bahan laser.sidebottom dkk (1997) melaporkan bahwa kaca zinc-tellurite sangat baik sebagai bahan dasar optik aktif (optically-active) jika didoping dengan ion lanthanide (rare earth) karena mampu meminimalkan kebocoran nonradiative sehingga mempunyai ketahanan kimia dan sifat optik yang baik [5]. Penggunaan doping erbium (Er 3+ ) pada kaca zinc tellurite menghasilkan kaca dengan sifat optik dan kimia yang sesuai untuk aplikasi optik [6,7] yang sangat baik untuk aplikasi modulator cahaya laser [8] dan mempunyai stabilitas termal yang sesuai untuk aplikasi fiber drowing [9]. Dilaporkan juga bahwa doping erbium (Er 3+ ) pada kaca zinc tellurite dapat menaikkan daya emisi karena hanya memerlukan energi phonon yang rendah.untuk pengembangan lebih lanjut pada kaca laser ini, sangat penting untuk mengetahui sifat termal kaca dan perubahan struktur unit kaca untuk dapat menentukan komposisi dan konsentrasi material yang diperlukan.dari sebagian besar studi tentang kaca zinc-tellurite menitikberatkan pada kajian komposisi kaca dan perubahan strtuktur unit.dari spectrum FTIR, dapat ditunjukkan adanya perubahan network struktur kaca terhadap komposisi pembentukan kaca.kajian tentang struktur kaca ini sangatlah penting untuk menginterpretasi sifat kimia dan fisika dari kaca yang terjadi.dari beberapa literature menunjukkan bahwa stabilitas termal dari kaca yang dibentuk sangat mempengaruhi perubahan struktur unit kaca yang terjadi [1]. Paper ini melaporkan kajian pengaruh Li 2 O dan MgO terhadap stabilitas termal dan perubahan struktur dari kaca zinc tellurite yang terbentuk. 2. Metode penelitian Melt quenching technique digunakan untuk fabrikasi kaca zinc tellurite dengan komposisi 80TeO 2 - (20-2x)ZnO-xLi 2 O-xMgO system (1mol% x 5mol%). Sampel 10 g dipreparasi dari powder TeO 2 (99%), ZnO (99%), Li 2 O (99.9%) dan MgO. Campuran tersebut 11

dimilling selama 30 menit, kemudian dileburkan dalam krusibel silica pada temperatur 1000 o C selama 1 jam. Sampel yang telah lebur itu dituang untuk quenching dalam plat stainless steel dan diannealing pada suhu 250 o C selama 5 jam. Pyris Diamond TG/DTA (Themogravimetric/Differential Thermal Analyzer) digunakan untuk menentu-kan parameter termal dari kaca yang dihasilkan. Sampel kaca dengan massa 10-20 mg dimasukkan dalam furnace TG/DTA, kemudian dipanaskan dengan laju 10 o C/min dari 30 O C sampai 900 O C. Parkin Elmer GX FTIR spectroscopy digunakan untuk menentukan spectrum absorpsi infrared. Teknik yang dipakai menggunakan pellet campuran sampel kaca dan KBr dengan perbandingan 1 : 100. Spectrum FTIR direkam pada range 400 cm -1 4000 cm -1. 3. Hasil dan pembahasan Hasil analisis TG/DTA ditunjukkan pada Gb.1 dan Tabel 1. Kurva TG/DTA dari sampel kaca menunjukkan perubahan endotermik sekitar 293 o C- 313 o C yang merupakan temperatur transisi dari kaca T g. Perubahan temperatur selanjutnya yaitu sampai puncak eksotermik sekitar 372 o C-405 o C yang merupakan temperatur kristalisasi dari kaca T c. Perubahan berikutnya adalah puncak endotermik sekitar 580 o C-627 o C yang merupakan titik lebur (melting temperature) dari kaca T m. Grafik hubungan antara T g, T c, T c -T g yang menunjukkan stabilitas termal kaca fungsi dari konsentrasi Li 2 O dan MgO dapat dilihat pada Gb.2. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa penambahan Li 2 O dan MgO pada semua sampel kaca zinc-tellurite menyebabkan penurunan temperatur transisi kaca dari 313 o C sampai 293 o C, demikian juga untuk temperatur kristalisasi dari 405 o C sampai 372 o C dan titik lebur kaca dari 627 o C sampai 580 o C. Penurunan temperatur transisi T g tersebut memungkinkan terjadinya penurunan rigiditas dari network struktur unit dari kaca zinc-tellurite [10]. Terjadi perubahan eksotermik yang merukapan indikasi temperatur kristalisasi, dimana intensitas puncak eksotermik tersebut semakin turun (kecil) pada penambahan Li 2 O dan MgO dari 1mol% sampai 5mol% menunjukkan bahwa sample semakin mudah membentuk kristal. Hal tersebut dimungkingkan adanya pengaruh MgO yang lebih mudah membentuk kristal, sementara Li 2 O lebih berpengaruh pada perubahan struktur unit [11]. Heat Flow Endo Down (mw) 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 x=0mol% x=1mol% x=2mol% x=3mol% x=4mol% x=5mol% 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Temperature ( o C) Gambar 1. Kurva TG/DTA dari 80TeO 2 -(20-2x)ZnO-xLi 2 O-xMgO system dengan (1mol% x 5mol%) 12

No Sampel Tabel 1. Komposisi kaca zinc-tellurite dengan karakteristik termal dari hasil TG/DTA Komposisi (mol%) Temperatur ( o C) TeO 2 ZnO MgO Li 2 O T g T c T c -T g T m S0 80 20 0 0 313 405 92 627 S1 80 18 1 1 300 397 97 611 S2 80 16 2 2 303 391 88 605 S3 80 14 3 3 302 382 80 608 S4 80 12 4 4 302 382 80 591 S5 80 10 5 5 293 372 79 580 700 Temperatur ( o C) 600 500 400 300 200 100 0 T m T c T g T c -T g 0 1 2 3 4 5 Konsentrasi MgO dan Li 2 O (mol%) Gambar 2. Grafik fungsi T g, T c, T m dan T c -T g terhadap konsentrasi penambahan MgO dan Li 2 O Dari Gb.2 dan Tabel 1, dapat dilihat bahwa penambahan Li 2 O dan MgO sampai 1mol% menunjukkan peningkatan stabilitas termal dari 92 o C sampai 97 o C, berikutnya terjadi penurunan stabilitas termal kaca sampai 79 o C. Dengan merujuk hasil stabilitas termal tersebut dapat dikatakan bahwa penambahan Li 2 O dan MgO yang optimal hanya sampai 1mol%, yang memungkinkan sebagai bahan dasar (host) kaca yang stabil. Peningkatan stabilitas termal kaca ini kemungkinan berhubungan dengan pembentukan struktur unit dari ZnTeO 3 [3]. Dari Tabel 1, hubungan antara T c - T g dengan T c yang relative linear mengindikasikan bahwa kaca dengan komposisi ini memungkinkan untuk difabrikasi dengan mudah [2]. FTIR spectra dari kaca zinc-tellurite ditunjukkan pada Gb.3 dan Tabel 2. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa muncul puncak absorpsi sekitar 456cm -1 462cm -1 pada semua komposisi kaca, begitu juga pada puncak absorpsi sekitar 646cm -1 652cm -1, 758cm -1 768cm -1, 1102cm -1 1113cm -1, 1636cm -1 dan 3422cm -1 3434cm -1. Pada saat konsentrasi MgO dan Li 2 O ditambah hingga 4 mol%, muncul pucak absorpsi sekitar 604cm -1 612cm -1 dan 679cm -1 682cm -1. Pada saat konsentrasi MgO dan Li 2 O mencapai 5 mol%, muncul lagi puncak absorpsi sekitar 724cm - 1. Puncak absorpsi utama sekitar 650cm -1 dan 760cm -1 (Gb.3) pada kaca zinc-tellurite mungkin merupakan mixing dari beberapa struktur unit TeO 3 group, symmetric TeO 4 group dan deformed TeO 4 group [12]. Terjadinya pergeseran puncak absopsi sekitar 650cm -1 pada saat konsentrasi MgO dan Li 2 O ditambah (0mol%-1mol%), menunjukan adanya mixing struktur unit symmetric TeO 4 group dan deformed TeO 4 group pada kaca. Pergesaran posisi puncak utama kedaerah nomer gelombang (wave-number) panjang, menunjukan berkurangnya energi ikatan (energi vibrasi) pada struktur TeO 4 tbp. Akan tetapi, posisi puncak tersebut bergeser kedaerah nomer gelombang (wave-number) pendek 13

pada saat konsentrasi MgO dan Li 2 O ditambah hingga 4 mol%, menunjukan bertambahnya energi ikatan (energi vibrasi) pada struktur TeO 4 tbp. Hal tersebut sesuai dengan analisis stabilitas kaca diatas. Munculnya puncak baru sekitar 604cm -1 612cm -1 dan 679cm -1 682cm -1, dimungkinkan adanya substitusi ion Mg 2+ atau Li + terhadap ion Zn 2+ pada struktur unit yang ada. Pada saat yang sama, tengkuk (shoulder) antara 758cm -1 768cm -1 mulai muncul dan diasumsikan sebagai struktur unit TeO 3 dari ZnTeO 3 [2]. Munculnya puncak baru sekitar 724cm -1, dimungkinkan adanya subtitusi ion Mg 2+ atau Li 1+ terhadap ion Zn 2+ pada struktur unit yang ada. Dari hasil spectra yang terbentuk dapat dilihat pula munculnya puncak absorpsi sekitar 456cm -1 459cm -1 pada semua komposisi kaca, diasumsikan merupakan ikatan Zn-O tetrahedral [13]. Kecilnya puncak yang terjadi tersebut dapat diasumsikan karena hanya merupakan deformasi dari vibrasi ikatan Te-O [4,14]. Sebagai tambahan, munculnya puncak absorpsi sekitar 1102cm -1 1113cm -1 pada semua sample kaca yang merupakan ikatan Te-O-Zn [13], akan tetapi ini tidak merupakan pengaruh dari vibrasi pada struktur unit (ikatan) tertentu. Stretching vibration yang merupakan indikasi adanya hydroxyl group ditunjukkan dengan munculnya puncak absorpsi di sekitar 1636cm -1 dan 3422cm -1 3434cm -1. Puncak tersebut dapat diasumsikan dengan strong-metal-bonding dan hydrogen-bonding.ikatan OH - ini merupakan impuritas pada kaca, yang salah satunya dapat menyebabkan keretakaan (crack). Dari spectra yang terbentuk, dapat dilihat bahwa penambahan MgO dan Li 2 O pada kaca zinc-tellurite menunjukan adanya kecenderungan menurunnya intensitas absorpsi sekitar 1636cm -1 dan 3422cm -1 3434cm -1. Hal ini dimungkinkan adanya substitusi Li + terhadap ion Zn 2+ yang mengakibatkan menguatnya struktur network karena adanya peningkatan dari bridging-oxygen-ions[11]. x=0mol% 80TeO2-(20-2x)ZnO-xMgO-xLi2O x=1mol% Transmission (%) x=2mol% x=3mol% x=4mol% x=5mol% 4000. 3000 2000 1500 1000 400.0 IR Band (cm -1 ) Gambar 3. Spectrum Transmisi IR dari kaca zinc-tellurite Tabel 2. Komposisi kaca zinc-tellurite dengan posisi puncak FTIR No Composition (mol%) Sampel TeO 2 ZnO MgO Li 2 O IR Bands (cm -1 ) S0 80 20 0 0 462 650 768 1111 1636 3434 S1 80 18 1 1 456 652 758 1102 1636 3434 S2 80 16 2 2 456 652 760 1110 1636 3434 S3 80 14 3 3 456 652 760 1113 1636 3434 S4 80 12 4 4 459 612 648 682 766 1113 1636 3422 S5 80 10 5 5 459 604 646 679 724 764 1113 1636 3422 14

4. Kesimpulan Telah dapat difabrikasi kaca zinc-tellurite dengan penambahan MgO dan Li 2 O pada konsentarsi 1mol% sampai 5 mol% dengan melt quenching technique.tg/dta dan FTIR Spectroscopy digunakan untuk mengkaji pengaruh penambahan MgO dan Li 2 O terhadap stabilitas termal dan struktur kaca yang dihasilkan. Terjadi penurunan temperatur transisi kaca, temperature kristalisasi dan titik lebur kaca pada semua sampl yang dihasilkan. Stabilitas termal kaca tertinggi mencapai 97 o C yaitu pada penambahan konsentrasi MgO dan Li 2 O 1mol%. Perubahan struktur unit yang teramati terhadap penambahan MgO dan Li 2 O konsisten pada stretching vibration mode TeO 4 trigonal bipyramid (tdp), TeO 3 trigonal pyramid (tp). Dari spectra yang terbentuk, dapat dilihat bahwa penambahan MgO dan Li 2 O pada kaca zinc-tellurite menunjukan adanya kecenderungan menurunnya intensitas absorpsi hydroxyl group (OH - ). [13] Liu, H.S., Chin, T.S., Yung, S.W. (1997).Mater. Chem&Phys 50, Hal. 1. [14] Xia, H., Nie, Q., Zhang, J., Wang, J. (2003).Mater. Lett 4446, Hal. 1. Ucapan Terima Kasih Penulis menyampaikan terikma kasih kepada Kementrian Sains, Teknologi dan Innovasi (MOSTI) Malaysia atas bantuannya melalui Vot 74532. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada UTM dan Unnes atas dukungannya pada project ini. Daftar Pustaka [1] El-Mallawany, R.. (2002).Tellurite Glasses Handbook: Physical Properties and Data, CRC Press LLC. [2] Sahar, M.R., Noordin, N. (1995). J. Non-Cryst. Solids 184, Hal. 137. [3] Sahar, M.R., Jehbu, A.K., Karim, M.M. (1997). J. Non-Cryst. Solids 213&214, Hal. 164. [4] Bǘrger, H., Kneipp, K., Hobert, H., Vogel, W.(1992).J. Non-Cryst. Solids 151 Hal. 134. [5] Sidebottom, D.L. Hruschka, M.A. Potter, B.G. Brow, R.K. (1997).J. Non-Cryst. Solids 222, Hal. 282. [6] Sun, K. (1988).Preparation and Characterization of Rare Earth Glasses, Thesis, Brown University. [7] Marjanovic, S., Toulouse, J., Jain, H., Sandmann, C., Dierolf, V., Kortan, A.R., Kopylov, N., Ahrens, R.G. (2003).J. Non-Cryst. Solids 322, Hal. 311. [8] Uhlmann, D.R., Kreidl, N.J. (1983). Glass: Science and Technology, Vol. 1 Academics Press, New York. [9] Neindre, L.L., Jiang, S., Hwan, B.C., Luo, T., Watson, J., Peyghambarian, N. (1999).J. Non-Cryst. Solids 255, Hal. 97. [10] El-Moneim, A. A. (2002).Mater. Chem&Phys 73, Hal. 318. [11] Feng, X., Tanabe, S., Hanada, T. (2001).J. Non-Cryst. Solids 281, Hal. 48. [12] Hu, L., Jiang, Z. (1996).Phys. Chem. Glasses 37 [1], Hal. 19. 15