Superkonduktor baik berbasis logam/paduan logam dan keramik terus dikembangkan. Superkonduktor FeAs merupakan superkonduktor berbasis Fe yang pertama kali ditemukan pada tahun 2008. Sejak saat itu, superkonduktor berbasis Fe
terus dikembangkan. Pada tahun yang sama, superkonduktor FeSe ditemukan dengan suhu kritis sebesar 8 K (Hsu, F.S. et al, 2008). Beberapa penelitian tentang superkonduktor FeSe disajikan dalam Tabel 2.1.
Tabel 2. 1 Rangkuman suhu kritis hasil penelitian dengan berbagai metode superkonduktor FeSe (Mousavi, et al, 2014).
Specimen
Composition Processing Method* Tc / K Reference
Fe1.01Se Powder 9 McQueen et al.
FeSe
Thin film by molecular beam
epitaxy Up to 7 Jourdan et al.
FeSe1-x Thin films by PLD Up to 9 Wang et al.
FeSe0.88 Single crystal bulk (doped) 11 Wua et al.
FeSe Thin films by PLD Up to 8 Nie et al
FeSe Polycrystalline bulk 8 Hsu et al
FeSe Polycrystalline bulk by milling 8.9 Xia et al.
FeSe1-x Powder Up to 13 Margadonna et al.
FeSex Thin films by PLD 11.8 Han et al.
FeSe Thin films by PLD 2–11.5 Chen et al.
FeSe Thin films by PLD 11.4 Nabeshima et al
*PLD, pulsed laser deposition.
Struktur kristal superkonduktor berbasis Fe dicirikan terdiri dari lapisan FePn atau FeCh (Pn: Pnictogen, Ch: Chalcogen). Fe pniktida mengandung Fe dan unsur dari golongan VA, terutama fosfor (P) dan arsen (As) sedangkan Fe kalkogenida mengandung Fe dan unsur dari golongan VI A, terutama selenium (Se) dan telurium (Te). Superkonduktor berbasis Fe dikategorikan ke dalam famili “1111” dengan bentuk umum ReOFePn (Re: Rare Earth, Pn: Pnictogen), “122” dengan bentuk umum AeFe2Pn2 (Ae: Alkaline – Earth metal), “111” dengan bentuk umum AFePn (Pn:
Pnictogen) dan “11” dengan bentuk umum FeCh (Ch: Chalcogen).
FeCh yang mengandung Fe dan unsur dari golongan VI A didefinisikan sebagai chalcogen yang secara umum ditujukan untuk sulfida (FeS), selenida (FeSe) dan tellurida (FeTe) dibandingkan oksida (Mousavi, et al, 2014). Semua FeCh ini memiliki struktur kristal PbO. Berkurangnya jari-jari chalcogen menjadikan struktur PbO
cenderung menjadi tidak stabil. Dari ketiga FeCh tersebut, senyawa FeTe yang paling stabil.
Superkonduktor Fe selenida (FeSe) dengan Tc 8 K ditemukan oleh Hsu, et al pada tahun 2008. Pola difraksi sinar-x dan suhu kritis FeSe0.88 hasil percobaan yang dilakukan oleh Hsu, et al ditunjukkan pada Gambar 2.10. FeSe memiliki struktur tipe PbO dengan space group P4/nmm yang tersusun oleh lapisan Fe2Se2. Superkondukor berbasis Fe memiliki struktur berlapis dan properti fisik dua dimensi seperti pada Gambar 2.11 tetapi FeSe memiliki struktur yang sederhana diantara senyawa lainnya (Mousavi,et al, 2014). Struktur kristal superkonduktor FeSe0,88 yang berhasil disintesis oleh Hsu et al yang ditunjukkan pada Gambar 2.12 memiliki parameter kisi a = b = 0,37676 nm dan c = 0,54847 nm.
Gambar 2.10 Suhu kritis FeSe0,88 (Hsu, F.S. et al, 2008).
FeSe memiliki transisi struktur pada suhu rendah yang tidak seperti pada superkonduktor berbasis Fe lainnya. Mizuguchi dan Yoshihiko menganggap transisi fasa struktur merupakan faktor kemungkinan sehingga dihasilkan nilai suhu kritis (Tc) yang rendah dan fraksi volum superkonduktivitas dalam FeSe yang lebih kecil dibandingkan superkonduktor berbasis Fe lainnya.
Gambar 2.11 Struktur famili a). 1111, b). 122, c). 111 dan d). 11 (Mousavi,et al, 2014).
Gambar 2.12 Struktur kristal FeSe0,88 (Hsu, F.S. et al, 2008).
Diagram fasa adalah diagram yang menunjukkan hubungan antara suhu dengan fasa yang terbentuk pada material. Diagram fasa ini sebagai acuan untuk pabrikasi, pemilihan komposisi dan aplikasi bahan dan produk kimianya. Gambar 2.13 menunjukkan diagram fasa Fe-Se pada tekanan atmosfer.
Gambar 2. 13 Diagram fasa Fe-Se weight percent (wt.%) (Okamoto, 1991).
Mousavi, et al memaparkan tentang bagaimana tentang pemilihan komposisi kimia dari material FeSe yang mengacu pada nilai atomik %. Nilai atomik % dirangkum dari beberapa hasil penelitian dengan menggunakan beberapa metode.
Untuk lebih lengkapnya dapat dilihat dari Gambar 2.14.
Gambar 2. 14 Diagram fasa Fe-Se atomic percent (at.%) (Mousavi,et al, 2014).
2.4. Niobium
Niobium adalah logam langka, lunak, bisa ditempa, dan berwarna putih abu-abu.
Unsur ini memiliki struktur kristal kubus dengan sifat fisika dan kimia menyerupai tantalum. Niobium mudah bereaksi dengan oksigen, karbon, halogen, nitrogen, dan
sulfur, bahkan pada suhu ruang. Sejak tahun 1950-an untuk mengembangkan paduan berbasis niobium (Nb) untuk aplikasi reaktor nuklir dirgantara dan terestrial yang diusulkan karena penampang lintang penyerapan neutron termal rendah untuk Nb, kompatibilitas yang baik dengan logam cair alkali, sifat mekanik suhu tinggi yang dapat diterima, dan fabricabilitas yang baik. (Lance L, 2019)
Sejak penemuan superkonduktivitas di La [O1-xFx] FeA, superkonduktor berbasis besi (IBS) telah diselidiki secara intensif lebih dari sepuluh tahun belakangan ini karena suhu transisi superkonduktor yang relatif tinggi (Tc), bidang kritis atas yang tinggi (Hc2), dan anisotropi kecil. Di antara keluarga superkonduktor berbasis besi yang dikenal, FeSe tetragonal (β-FeSe) dari superkonduktor tipe II memiliki struktur kristal yang agak sederhana, toksisitas yang jauh lebih sedikit, dan banyak fitur menarik lainnya. Meskipun memiliki suhu transisi superkonduktor yang relatif rendah (Tc ~ 8 K) dalam keadaan normal format massa, β-FeSe telah populer sejak penemuannya berdasarkan sensitivitas ekstremnya terhadap stoikiometri dan Tc yang sangat dapat disetel dalam kedua curah tersebut atau bentuk film tipis. Khususnya, Sun et al. melaporkan Tc 38,3 K di bawah tekanan hidrostatik hingga 8,8 GPa dalam jumlah besar. Menurut laporan lain, Tc dari monolayer FeSe yang tumbuh di SrTiO3 yang didoping Nb dapat meroket dengan urutan besarnya hingga 109K dengan pengukuran transportasi listrik. Banyak upaya untuk menggantikan serbuk Fe telah dilaporkan melalui elemen logam doping, termasuk Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Sn, Ag, dll. Namun, kebanyakan dari mereka memperburuk superkonduktivitas FeSe, dan hanya Cr, V, Sn, Ag, Si dan Pb yang dapat meningkatkan Tc sampai batas tertentu.
Berbeda dengan superkonduktor lain, seperti MgB2 dan superkonduktor suhu rendah berbasis Nb, untuk kerapatan arus kritis Jc, kecuali untuk Te dan S, hampir tidak ada peningkatan signifikan yang memiliki telah dicapai dalam jumlah besar FeSe oleh doping logam.
Pada penelitian Qingshuang, pengaruh signifikan doping Nb pada mikrostruktur, superkonduktor dan sifat transportasi FeSe polikristalin. Pengukuran XRD menunjukkan bahwa beberapa Nb memasukkan β-FeSe dan situs Fe tersubstitusi. Tc yang lebih tinggi dan koneksi intergranular yang lebih baik menunjukkan bahwa doping Nb bermanfaat untuk kinerja superkonduktor senyawa FeSe. Dengan penambahan penggabungan Nb, di samping Tc yang disempurnakan,
bidang kritis atas secara jelas ditingkatkan hingga sekitar 28 T untuk FeNb0.04Se.
Panjang koherensi ξ (0) yang diperoleh berdasarkan Hc2 menunjukkan tidak adanya perilaku link di FeNbxSe. Analisis kepadatan arus kritis dan gaya penjernihan volum yang dinormalisasi menunjukkan bahwa penambahan Nb yang tepat dapat meningkatkan konektivitas butir dan memperkenalkan penjepit batas butir yang efektif, yang menghasilkan peningkatan luar biasa dalam Jc pada medan magnet tinggi. (Qingshuang, 2019)
2.5. Iodium
Iodium adalah elemen kimia dengan simbol I dan nomor atom 53. Yang paling berat dari halogen stabil, itu ada sebagai padatan non-logam ungu-hitam berkilau pada kondisi standar yang meleleh untuk membentuk cairan ungu tua pada 114 derajat Celcius, dan mendidih menjadi gas violet pada 184 derajat Celcius. Unsur ini ditemukan oleh kimiawan Perancis Bernard Courtois pada tahun 1811. Dinamai dua tahun kemudian oleh Joseph Louis Gay-Lussac dari properti ini, setelah ἰώδης Yunani
"berwarna ungu". Iodium terjadi di banyak negara oksidasi, termasuk iodida (I-), iodat (IO-3), dan berbagai anion berkala. Ini adalah yang paling banyak mengandung halogen stabil, menjadi unsur paling banyak ke enam puluh satu. Ini adalah nutrisi mineral esensial terberat.
Iodium adalah halogen keempat, yang menjadi anggota kelompok 17 dalam tabel periodik, di bawah fluor, klor, dan brom; itu adalah anggota stabil terberat dari kelompok (halogen kelima yang langka dan buron, astatin radioaktif, tidak dipelajari dengan baik karena biaya dan tidak dapat diaksesnya dalam jumlah besar, tetapi tampaknya menunjukkan berbagai sifat yang tidak biasa karena efek relativistik).
Iodium memiliki konfigurasi elektron [Kr] 4d105s25p5, dengan tujuh elektron di kulit kelima dan terluar menjadi elektron valensi. Seperti halogen lainnya, ia adalah satu elektron yang kurang dari satu oktet penuh dan karenanya merupakan agen pengoksidasi yang kuat, bereaksi dengan banyak elemen untuk menyelesaikan kulit terluarnya, meskipun sesuai dengan tren periodik, ia adalah zat pengoksidasi terlemah di antara stabil. halogen: ia memiliki elektronegativitas terendah di antara mereka, hanya 2,66 pada skala Pauling (bandingkan fluor, klor, dan brom pada masing-masing 3,98, 3,16, dan 2,96; astatin melanjutkan tren dengan ke elektronegatif). Unsur
Iodiumkarenanya membentuk molekul diatomik dengan rumus kimia I2, di mana dua atom Iodium berbagi sepasang elektron untuk masing-masing mencapai oktet yang stabil untuk diri mereka sendiri; pada suhu tinggi, molekul-molekul diatomik ini secara reversibel memisahkan sepasang atom yodium. Demikian pula, anion iodida, I, adalah agen pereduksi terkuat di antara halogen stabil, menjadi yang paling mudah teroksidasi kembali menjadi I2 diatomik. (Astatin melangkah lebih jauh, karena memang tidak stabil seperti At- dan mudah teroksidasi menjadi At0 atau At+, meskipun keberadaan At2 tidak menetap).
2.6. Magnesium
Magnesium merupakan salah satu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Mg dan nomor atom 12. Unsur Mg berupa padatan berwarna abu-abu berkilap. Magnesium memiliki nilai densitas 1,7g/cm3, terendah dari semua struktur logam, mudah terbakar, dan mudah bereaksi dengan logam lain. Oleh karena itu, Magnesium tidak cukup kuat dalam bentuk yang murni, sehingga Magnesium dipadukan dengan berbagai elemen-elemen untuk memperoleh sifat yang lebih baik.
(Callister dan Rethwisch, 2014).
Menurut Feng Lan, doping Mg pada material FeSe dibawah temperatur 150K memiliki resistivitas yang lebih rendah dibandingkan dengan material FeSe tanpa doping Mg. Hal ini dapat terjadi karena doping Mg dikaitkan dengan efek hamburan elektron (adanya interaksi) di kondisi normal. Berdasarkan hasil XRD, disimpulkan bahwa dopan Mg sebagian besar bereaksi dengan FeSe membentuk fasa MgSe dan Fe:
Mg + FeSe → MgSe + Fe, namun Mg jarang masuk ke dalam kisi kristal dari β-FeSe dan juga jarang menyubstitusi Fe. Dari hasil pengamatan morfologi, ketika jumlah doping Mg meningkat, morfologi FeSe semakin halus (Lan, et al., 2014).
Selain itu, menurut Wenbin Qiu doping Mg dapat menginduksi variasi konsentrasi pembawa elektron dan memasukkan doping elektron, yang secara signifikan memengaruhi kinerja superkonduktor akhir dalam FeSe-film. Doping Mg yang optimal memiliki efek positif pada kinerja superkonduktor FeSe, namun degradasi atau bahkan keruntuhan akan terjadi pada superkonduktivitas ketika kandungan Mg berlebih dimasukkan ke dalam material FeSe (Qiu, et al., 2016).