146 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 hal. 146-150 SINTESIS BARIUM HEXAFERRITE YANG DISUBSTITUSI ION Mn-Co MELALUI REAKSI PADAT DAN PENGARUHNYA TERHADAP PERUBAHAN STUKTUR DAN SIFAT MAGNETIK Priyono and Musni Ahyani Faculty of Mathematics and Natural Sciences Postgraduate Program of Materials Science Univesrity of Indonesia, Depok 16424 Tel : (021) 3907694. Fax.: (021) 31938136 E-mail : priyonocp@gmail.com E-mail : azwar@@ui.ac. id INTISARI Barium hexaferrite telah lama dikembangkan dan sampai saat ini masih secara luas digunakan sebagai magnet permanen. BaFe 12 O 19 merupakan material oksida yang memiliki resistivity dan temperature Currie serta memiliki magnetisasi total yang relative tinggi. Besaran besaran ini sangat diperlukan sebagai material untuk aplikasi pada frekuensi tinggi, tetapi material ini memiliki konstanta annisotropi besar sehingga berpotensi meghasilkan koersifitas yang besar. Penelitian ini dititik beratkan pada substitusi ion Mn, dan ion Co dalam phasa BaFe 12 O 19 untuk membentuk phasa BaFe 12-2x (MnCo) x O 19 melalui metoda reaksi padat menggunakan senyawa oksida MnCO 3, Fe 2 O 3 dan Co 3 O 4 serta BaCO 3 pada temperatur 1200 0 C. Hasil hasil sintesis dianalisis dengan menggunakan difraksi X (XRD) untuk mengidentifikasi phasa yang terbentuk, sedangkan perangkat Permeagraf dengan medan luar hingga 2.15 T dimanfaatkan untuk analisis sifat magnetiknya. Hasil identifikasi menujukkan bahwa substitusi ion Mn, Co dengan fraksi atomik yang relatif rendah, phasa BaFe 12 O 19 masih dapat dipertahankan, meskipun telah terjadi perubahan koersivitas magnetik terutapa akibat hadirnya ion Co dalam phasa tersebut. Dengan berubahnya sifat sifat magnetik akibat substitusi ion Fe dengan ion Co ataupun ion Mn menujukkan bahwa Barium hexaferrite berpeluang memiliki potensi untuk aplikasi lain untuk dikembangkan, disamping sebagai magnet permanen. Key words: Ferrites, Magnetic properties, Microwave Absorption I. PENDAHULUAN Material BaO6Fe 2 O 3 digunakan sangat luas sebagai primadona magnet permanent, bahkan hingga sekarang masih menguasai 52%[1] pangsa pasar magnet permanen dunia. Beberapa kelebihan yang dimiliki material ini adalah anisotropi magnetokristallin dan temperatur Currie yang tinggi serta saturasi magnetisasi yang besar. Kelebihan lain material tersebut adalah memiliki stabilitas kimia yang baik serta tahan terhadap korosi, disamping itu memiliki sifat resistivitas listrik yang relatif tinggi besar sehingga memiliki peluang untuk digunakan sebagai material magnet untuk aplikasi pada gelombang electromagnet. Barium hexaferrite BaFe 12 O 19 adalah material magnetik kelas ferrimagnetik dengan lima ion Fe menempati kisi berbeda. Ferrimagnetik ini memiliki saturasi magnetic total dan koersivitas magnetic yang paling tinggi diantara kelas ferrite lainnya sehingga telah banyak dieksplorasi untuk berbagai aplikasi teknologi seperti permanen magnet, dan penyimpan data memori. Sifat sifat ekstrinsik material magnet kelas Barium hexaferrite sangat bergantung pada mekanika proses dan metoda yang digunakan. Secara konvensional telah diproduksi dengan metoda serbuk dengan menggunakan senyawa material BaCo 3 dan Fe 2 O 3. Berbagai metoda lain yang telah dikembangkan untuk menghasilkan material Barium ferrite adalah metoda co-presipitasi, metoda hydrothermal, metoda sol-gel, metoda mikroemulsi, glas kristalisasi dan organometalik[2,3]. Untuk menghasikan serbuk magnet ultra halus sering digunakan metoda mekanika alloy. Metoda mekanika milling atau mekanika alloying sangat efektif dilakukan karena menggunakan teknologi lebih sederhana untuk menghasilkan skala produksi yang lebih besar. II. PROSEDUR EKSPERIMEN Pembentukan phasa Barium hexaferrite dipersiapkan melalui proses mekanika Milling (mechanical alloying) dengan mencampurkan serbuk Fe 2-x (L) x O 3 (L = Mn atau Co), dengan mengikuti hasil penelitian sebelumnya[4] dengan serbuk senyawa BaCO 3. Paduan dari kedua material dilakukan proses mixing menggunakan Ballmill (RETCH MM-200) dengan kecepatan 1200 rpm selama 8 jam dan dilajutkan proses mekanika alloying dengan kecepatan 1000 rpm menggunakan perangkat high energy vibration ball mill. Parameter proses meliputi lama waktu penghalusan material dan temperatur kristalisasi agar terjadi reaksi pembentukan kristal (solid state reaction) dan dilakukan proses pembakaran pada temperatur 1200 0 C selama 4 jam. Hasil pembentukan phasa untuk hasil sintesis dianalisis dengan XRD, Permeagraf pada medan 2.1 Tesla. Untuk menentukan koefisien refleksi (S11) dan koefisien transmisi (S21) Serapan Gelombang mikro dilakukan pengujian dengan menggunakan
Priyono, dkk / Sintesis Barium Hexaferrite Yang Disubstitusi Ion Mn-Co Melalui Reaksi Padat dan 147 metoda TRL ( Thru-Reflect-Line) pada perangkat Network Analiser pada frekuensi 8 GHz hingga 17 GHz. Gambar 1 menunjukkan arah perjalanan gelombang mikro yang dikenakan dalam material. Gambar 1. Komposisi sistem pengukuran koefisien refleksi dan koefisien transmisi menggunakan waveguide WR-75(M adalah posisi sampel) III. HASIL DAN DISKUSI III.1. Pembentukan phasa BaFe 12-(x+y) Mn x Ti y O 19 Pembentukan phasa Barium Hexaferrite yang tersubstitusi dengan ion Mn dan Co melalui proses mekanika alloy diperlihatkan dalam Gambar 2. Proses mekanika alloy selama 60 jam yang dilanjutkan pembakaran pada temperatur 1200 0 C mampu membentuk campuran BaCO 3 dengan Fe 2-x (L) x O 3 ( L= Mn, Co) menjadi phasa tunggal dengan komposisi yang diinginkan. Secara umum, ke tiga senyawa subsitusi memiliki pola difraksi yang sama dengan pola difraksi senyawa BaO.6(Fe 2 O 3 ) namun pada phasa BaFe 11 CoO 19 perbedaan pada fraksi intensitas relative dibandingkan dengan phasa BaFe 12 O 19 dan BaFe 11 MnO 19. Berdasarkan perhitungan ukuran butir kristal menggunakan metoda scherrer[7] ketiga phasa memiliki ukuran butir yang hampir sama (~ 137 nm ) yang menandakan bahwa ketiga senyawa memiliki temperatur sintesis yang identik. Parameter kisi hasil substitusi menunjukkan perubahan yang cukup besar bila dibandingkan dengan nilai konvensionalnya(a=5.8572 nm dan c = 23.2096). Untuk phasa BaFe 11 MnO 19 memiliki parameter kisi c = 5.8998 nm dan c = 23.2581 nm sedangkan phasa BaFe 11 CoO 19 memiliki parameter kisi a = 5.904489 nm dan c = 23.2408 nm. Perhitungan ini didasarkan setelah dilakukan iterasi dengan GSAS(General Structure Analysis Sisten). Perubahan parameter kristal yang berdapak pada perubahan volume unit sel satuan, ini dapat terjadi karena adanya perbedaan ukuran atom antara atom Fe dengan atom Co maupun atom Mn. Perubahan volume sel satuan phasa utama material tentu memberi efek lanjut terhadap nilai momen magnet total per satuan volume atau magnetisasi jenuh dari phasa utama. BaFe12O19 37.1 37.3 37.5 37.7 Intensitas BaFe11MnO19 BaFe11CoO19 20 30 40 50 60 70 80 2 Theta Gambar 2. Pola Difraksi BaFe 12 O 19 (M=0 ) dan M=1 BaFe 11 MnO 19 dan M=2 BaFe 11 CoO 19 serta M=3 BaFe 11 (MnCo) 0.5 Ti 0.5 O 19 III.2. Magnetic properties materials Gambar 3 menujukkan histerisis Loop hasil sintesis pembentukan phasa BaFe 12 O 19, BaFe 11 MnO 19 dan BaFe 11 CoO 19 dan Table 1 merangkum beberapa nilai sifat magnetik yang diturunkan dari loop histeresis tersebut. Dari Tabel 1 terlihat bahwa magnetisasi jenuh mengalami penurunan pada substitusi dengan ion Mn sedangkan substitusi dengan ion Co tidak memberi pengaruh yang tinggi, bahkan sedikit mengalami kenaikan. Hal ini dapat terjadi karena pergantian ion Mn +2 (3d 5 ) dan ion Co menempati posisi spin down pada Fe +3 (5d 5 ) pada kisi tetra hedralnya. Dampak dari pergantian ini memberi efek pada perubahan magnetisasi jenuhnya[5]. Hasil pada tabel 1 juga memperlihatkan bahwa terjadinya substitusi ion Fe dengan ion Mn maupun ion Co menurunkan nilai remanen dari 0.28 Tesla
148 Priyono, dkk / Sintesis Barium Hexaferrite Yang Disubstitusi Ion Mn-Co Melalui Reaksi Padat dan menjadi 0.121 Tesla. Sedangkan koersivitasnya berkurang dari 219.73 menjadi 27.4 ka/m saja. Penurunan nilai remanen dan koersivitas yang sangat tinggi terutama pada substitusi dengan ion Co diperkirakan telah terjadi pergeseran medan annistripi dari arah uni-axial menjadi arah annisotropi bidang(planar annisotropi)[6]. 0.5 Tesla 0.4 0.3 0.2 H1 H2 0.1 H3 0-1500 -1200-900 -600-300 0 300 600 900 1200 1500-0.1 ka/m -0.2-0.3-0.4-0.5 Gambar 3. Histerisis Loop untuk BaFe 12 O 19 dengan koersivitas paling besar diikuti oleh phasa BaFe 11 MnO 19 dan BaFe 11 CoO 19 memiliki koersivitas magnetic paling kecil Menurut Z.W.Li[6] pengaruh pergeseran arah anisotropi ini memberi dampak pada kebergantungan frekuensi resonansi serapan gelambang elektromagnetik yang besarnya dirumuskan menjadi: 1 ( Hθ Hφ )2 1 f R = γ...(1) 2π Dimana γ sebagai rasio gyromagnetik dengan nilai 2.8 GHz/kOe dan H θ sera H Φ masing masing berhubungan dengan medan annisotripi dan magnetisasi jenuh[2]. Apabila perumusan di atas dikenakan pada hasil hasil yang ditunjukkan pada Tabel 1 maka frekuensi resonansi elektromagnetik akan berubah dari 42.5 GHz[8] (material magnetik konvensional) menjadi 18.99 GHz untuk substitusi dengan ion Mn dan 5.67 GHz untuk ion Cobalt. Tabel 1. Hasil kuantitatif sifat magnetik BaFe 12 O 19, BaFe 11 MnO 19 dan BaFe 11 CoO 19 Material Koersivitas Remanen Saturasi ka/m Tesla Tesla BaFe12O19 219.73 0.28 0.38 BaFe11MnO19 98.22 0.21 0.35 BaFe11CoO19 27.4 0.12 0.38 Dengan hasil perhitungan tersebut dapat diketahui bahwa ferrite magnetic dengan phasa Barium hexaferrite tipe M berpotensi sebagai material absorber elektromagnetik pada daerah frekuensi X band hingga K u Band yang diakibatkan oleh menurunnya konstanta annisotropi akibat substitusi dengan elemen Mn atau elemen Co. II.3. Karakterisasi Serapan Gelombang Mikro Pada Material Gambar 3 menunjukkan perbedaan koefisien refleksi (S11) dari BaFe 11 MnO 19 dan BaFe 11 CoO 19 yang diukur menggunakan Network Analiser dan perangkat wave guide WR-75 (X-band dan Ku Band) pada rentang frekuensi 8 GHz hingga 17 GHz.
Priyono, dkk / Sintesis Barium Hexaferrite Yang Disubstitusi Ion Mn-Co Melalui Reaksi Padat dan 149 BaFe 11 MnO 19 BaFe 11 CoO 19 Gambar 3. Pengukuran koefisien refleksi (S11) pada BaFe 11 MnO 19 dan BaFe 11 CoO 19 menggunakan X- Band wave guide WR-75 Phasa BaFe 11 MnO 19 memperlihatkan refleksi minimum pada 14.5 GHz sedangkan BaFe 11 CoO 19 memiliki refleksi minimum pada frekeusi 13.5 Ghz. Komposisi BaFe 11 MnO 19 memiliki absorbsi gelombang mikro lebih tinggi dibandingkan dengan BaFe 11 CoO 19. Hal ini sesuai dengan perkiraan di atas meskipun terdapat selisih nilai yang cukup tinggi. IV. KESIMPULAN Pembentukan Phasa sempurna terjadi pada pemanasan 1200 0 C yang dibuktikan dengan telah terbentuknya phasa tunggal. Substitusi ion Mn maupun ion Co dapat mengakibatkan terjadinya perubahan parameter kisi dan diikuti oleh perubahan sifat magnetiknya terutama nilai koersivitasnya. Phasa BaFe 11 MnO 19 serapan gelombnag mikro pada daerah 14.5 Ghz sedangkan untuk BaFe 11 MnO 19 pada 13.5 Ghz yang diuji pada rentang frekuensi 8 GHz hingga 17 GHz. V. UCAPAN TERIMAKASIH Terimakasih diucapkan kepada pemerintah Indonesia melalui menteri riset dan Teknologi atas bantuan Finansial serta Ucapan terimakasih disampikan kepada Universitas Indonesia atas bantuan dalam berbagai pengujian. VI. PUSTAKA [1] Muller, K. H., G. Krabbes, J. Fink, S. Grub, A. Kirchner, G. Fuchs, L. Schultz, New Permanent magnet, J. Magn. Magn. Mater. 226-230(2001) 1370-1376 [2] Ghasemi A., A. Saatchi, M. Saleh, A. Hossienpour, A. Morisako and X. Lia, 2006, Influence of matching thickness on The absorption properties of doped barium ferrite at microwave frequencies, Phys. Stat. Sol.(a) 203,No.2, pp. 358-365 [3] C. Sudakkar, G.N. Subbanna, T R N. Kutty, 2003, Nanoparticle Composites having Structural intergrowths of Hexaferrite and Spinel Ferrite Prepared by Gel-to-Crystallite Conversions and Their Magnetic Properties, J. Magn. Magn. Materials, 263, 253-268 [4] Priyono, A. Manaf, Substitusi Mn dan Ti Pada Struktur Phasa Fe 2 O 3 Melalui Teknik Mechanical Alloying, Proc. Kentingan physiscs forum 4 th,pp 25-30 [5] T. Toyoda, K. Kitagawa, K. Yamawaki, T. Hanashima, S. Sasaki, P. Siddons, 2004, Site preference Study of Ti-Mn and Ti-Co, substitution for Fe +3 in Ba-Hexagonal ferrite by means of X-Ray Diffraction and absorption Measurement, J. of The Ceramic Society of japan, Suplement 112-1. pacrim5 Special Issue, 112(5) S1455-1458 [6] Y.P. Wu and C.K. Ong, Z.W.Li Linfeng and G.Q. Lin, S.J, Wang, 2005, Micro structure and High-Frequency magnetic Characteristics of W-Type Barium Ferrite doped with V 2 O 5, J. Appl. Phys. 97-063909 [7] W.Li and Linfeng Chen, C.K. Ong, 2002, Studies of Static and High Frequency magnetic Properties for M-Type Ferrite Ba(Co Zr) x Fe 12-2x O 19, Journal of applied Physics Vol 92, 3902-3907 [8] B.D. Cullity, Elements of X-Ray Diffraction, Addison-Wesley Publishing Company, 1978, Second Edition, P 363-367.
150 Priyono, dkk / Sintesis Barium Hexaferrite Yang Disubstitusi Ion Mn-Co Melalui Reaksi Padat dan TANYA JAWAB Anonim? Bagaimana mekanisme serapan pada material yang saudara buat sehingga dapat menyerap gelombang elektromagnetik: Priyono @ Mekanisme serapan Gelombang elektromagnetik pada material secara umum dipengaruhi oleh dua factor yaitu ketebalan, dan jenis material. Faktor ketebalan terjadi pada semua material dan semakin tebal material absorbsinya juga semakin besar. Sedangkan serapan radiasi Eelektromgantik pada material magnetic disamping karena faktor ketebalan juga terjadi interaksi lain yaitu gelombang elektromagnetik dari luar akan memutar dipole magnetic disamping itu terjadi perubahan impedansi material. Interaksi ini dapat terjadi bila frekeunsi gelombang elektromagnetik tersebut sesuai dengan frekuensi yang dihasilkan oleh materials sehingga material magnetic akan menyerap gelombang elektromagnetik hanya pada frekuensi yang spesifik saja.