SINTESIS NANOKRISTALIN FASA TUNGGAL Mg0,8Zn0,2TiO3
Muhammad Saukani 1, Suasmoro2 1
Jurusan Mesin Otomotif, Politeknik Negeri Tanah Laut 2
Jurusan Fisika, FMIPA Institut Teknologi Sepuluh November *)
Email: saukani@politala.ac.id
ABSTRAK
Fasa Tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3 telah berhasil disintesis menggunakan metode
pencampuran larutan asam HCl pekat 37%. Akibat perbedaan kemurnian untuk masing-masing precursor dan mengacu pada penelitian sebelumnya optimasi (Mg+Zn) : Ti dilakukan dengan perbandingan 1,23 : 1 hingga 1,475 : 1. Efek doping Zn menunjukkan percepatan terbentuknya fasa MgTiO3 pada suhu 510°C. Dalam penelitian ini ditetapkan
suhu kalsinasi pada 550°C dan seluruh sampel dianalisis sturuktur menggunakan difraksi sinar-X, analisis kualitatif menggunakan perangkat lunak Match2, analisis kualitatif menggunakan perangkat lunak Rietica dan estimasi ukuran butir menggunakan perangkat lunak MAUD. Hasil analisis kualitatif teridentifikasi fasa utama Mg0,8Zn0,2TiO3, dan fasa
minor TiO2 dan MgO. Fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3 teridentifikasi dengan perbandingan
(Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1 dengan ukuran butir 18,4 nm.
Kata kunci: Magnesium Titanate, XRD, Nano partikel. PENDAHULUAN
MgTiO3 dikenal dengan nama geikelite merupakan salah satu fasa magnesium titanat yang berstruktur ilmenite (MgTiO3) dengan space group R-3 H [1]. MgTiO3 memiliki konstanta dielektrik εr ~ 17, koefisien temperatur τf rendah dan mendekati nol, nilai faktor kualitas Qf ~ 160.000 pada frekuensi 7 GHz [2]. Aplikasi material dielektrik pada daerah kerja gelombang mikro harus memenuhi spesifikasi yaitu konstanta dielektrik (εr) yang tinggi sehingga mampu dilakukan miniaturisasi komponen, nilai faktor kualitas (Qf) yang tinggi agar mampu meningkatkan rasio frekuensi terhadap noise dan koefisien temperatur (τf) pada frekuensi resonansi rendah sebagai penentu stabilitas frekuensi transmisi [3]. Secara keseluruhan spesifikasi ini dipenuhi oleh MgTiO3, sehingga material ini telah digunakan dalam berbagai aplikasi seperti multilayer ceramic capasitor [4] pada frekuensi sangat tinggi (GHz), band-pass filter[5], telepon seluler, global positioning system, direct
broadcasting satellite, radar, antena [6] dan lain sebagainya.
Luasnya aplikasinya menjadikan MgTiO3, mendorong peneliti terus
mengembangkan metode sintesis untuk menghasilkan fasa tunggal MgTiO3, memperkecil ukuran butir hingga menurunkan suhu sintering. Beberapa metode yang telah dilakukan
diantaranya metode sol-gel [6], metode kopresipitasi [7], metode peroxide route [8], metode solid state reaction [3, 9] dan pencampuran basah (wet mixing) [10]. Dilaporkan bahwa hampir semua metode sintesis diatas menghasilkan suhu pembentukan MgTiO3 diatas 800°C, terbentuknya fasa intermediate MgTi2O5 maupun Mg2TiO4 dan ukuran partikel yang relative besar sehingga memerlukan suhu sinter yang sangat tinggi untuk mencapai densifikasi penuh. Dari beberapa metode sintesis diatas, metode yang melibatkan reaksi kimia secara langsung dapat menurunkan suhu pembentukan MgTiO3 sehingga memperkecil ukuran partikel yaitu dengan metode wet mixing, sol gel dan kopresipitasi.
Dalam Penelitian ini akan dilaporkan hasil analisa kualitatif dan kuantitatif data Sinar-X (XRD) dari sampel MgTiO3 yang disintesis melalui metode wet mixing dengan doping Zn untuk membentuk sampel Mg0,8Zn0,2TiO3 (MZT02). Penelitian sebelumnya melaporkan bahwa fasa MgTiO3 tanpa doping yang disintesis dengan metode ini terbentuk pada suhu 800°C [10], namun setelah dilakukan doping terjadi penurunan suhu pembentukan fasa MgTiO3 dengan kemurnian tinggi hingga mencapai suhu 510°C [11]. METODOLOGI
Sampel MZT02 disintesis dengan metode pencampuran basah (wet mixing method) menggunakan logam Ti (>98%, Merck), Zn (>99%, Merck), Mg (>88%, Merck) yang dilarutkan dalam HCl (37%, LIPI). Telah dilaporkan bahwa Mg0,8Zn0,2TiO3 yang disintesis dengan metode pencampuran larutan oleh Istihanah (2011) menggunakan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,18 : 1 terbentuk Mg0,8Zn0,2TiO3 dan TiO2 [12] sedangkan Saukani et al (2013) melakukan sintesis dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,50 : 1 terbentuk Mg0,8Zn0,2TiO3 dan MgO [13]. Untuk mendapakan fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3 prekursor ditimbang dengan perbandingan 1,18 :1 < (Mg+Zn) : Ti < 1,50 : 1. Sintesis dilakukan dengan melarutkan serbuk Mg ke dalam HCl 37% diaduk dengan magnetic stirrer selama 30
membentuk larutan MgCl2, lalu melarutkan serbuk Ti ke dalam HCl 37% diaduk dengan
magnetic stirrer pada suhu 65°C selama 2,5 jam hingga larutan berwarna biru tua
membentuk larutan TiCl2, lalu melarutkan serbuk Zn ke dalam HCl 37% diaduk tanpa pemanasan selama 30 menit untuk membentuk larutan ZnCl2. Ketiga larutan dicampur menjadi satu diaduk dengan magnetic stirrer tanpa pemanasan selama 5 jam. Setelah itu suhu dinaikkan 110°C dan hingga kering. Larutan yang telah kering kemudian digerus menggunakan mortar kemudian masukkan ke dalam crucible sebanyak 3 gram dan dikalsinasi pada suhu 550°C selama 4 jam.
Bubuk yang telah dikalsinasi pada suhu 550°C selama 4 jam diindetifikasi difraksi sinar X (Philips X’Pert Multi Purpose Diffractometer System), Seluruh fasa yang terbentuk hasil Difrasi sinar X diidentifikasi menggunakan perangkat lunak Match2 dengan database
Crystallography Open Database COD kemudian dilakukan analisa rietvield untuk
mengetahui fraksi berat dan parameter kisi dengan menggunakan perangkat lunak rietica. HASIL DAN PEMBAHASAN
Sampel Mg0,8Zn0,2TiO3 (MZT02) disintesis dengan metode pencampuran larutan dimana seluruh precursor dilarutkan dalam HCl. Kemurnian prekursor material dasar diketahui sebagai berikut, Ti (>98% Merck), Zn (>99%, Merck), Mg (>88%, Merck). Akibat adanya perbendaan kemurnian sekitar 10% antara Mg dan Ti untuk mencapai keadaan stoikiometri Istianah (2011) melakukan sintesis MZT02 dengan perbandingan (Zn+Mg) : Ti = 1,18 : 1 menghasilkan fraksi berat relatif Mg0,8Zn0,2TiO3 89,7% dan rutile 10,03% [12]. Hasil ini menunjukkan bahwa untuk menghasilkan fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3 diperlukan optimasi dengan penambahan kadar Mg. Dalam penelitian ini disintesis Mg0,8Zn0,2TiO3 dengan perbandingan antara (Zn+Mg) : Ti dari 1,23 : 1 hingga 1,475 : 1. Pola difraksi sinar X seluruh sampel yang dikalsinasi pada suhu 550°C selama 4 jam ditunjukkan pada Gambar 4.1.
Gambar 1. Pola difraksi sinar-x (CuKα =1,54056 Å) dari sampel MZT02 dikalsinasi pada suhu 550ºC selama 4 jam.
(ket : Δ = Mg0,8Zn0,2Ti03, * = MgO, □ = TiO2)
Identifikasi fasa pola difraksi sinar X dilakukan dengan perangkat lunak Match2 dengan database COD. Fasa-fasa yang teridentifikasi pada hasil percobaan ini adalah
Geikelite (MgTiO3) dengan nomor COD #969011262, Rutile (TiO2) dengan nomor COD #969009084 dan Periklase (MgO) dengan nomor COD #969008672. Penelitian ini diawali dengan sintesis Mg0,8Zn0,2TiO3 dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,23 : 1, hasil analisa kualitatif teridentifikasi pembentukan fasa MgTiO3 dan TiO2, hasil yang sama didapatkan hingga perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,40 : 1 dengan intensitas puncak tertinggi rutile semakin turun. Optimasi kembali dilakukan dengan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1, pada keadaan inilah fasa TiO2 tidak teridentifikasi. Sintesis dilanjutkan kembali dengan menaikkan sedikit kadar Mg yaitu dengan (Mg+Zn) : Ti = 1,475 : 1 yang menunjukkan munculnya fasa MgO.
Analisis Rietveld menggunakan perangkat lunak rietica pada fasa tunggal yaitu dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1, diketahui bahwa volume sel = 309,853 Å3 denganparameter kisi a = b = 5,066 Å dan c = 13.939 Å. Hasil ini menunjukkan terjadi perbedaan dengan yang dilaporkan oleh Wechsler, et al.(1989) bahwa volume sel = 307.6 Å3 dengan parameter kisi MgTiO3 adalah a = b = 5,055 Å dan c = 13,899 Å. Perbedaan tersebut menunjukkan bahwa terbentuknya Mg0,8Zn0,2TiO3 dengan volume sel bertambah besar akibat subtitusi 20% posisi Mg2+ berjejari atom 0,072 nm digantikan Zn2+ berjejari
Gambar 2 menunjukkan fraksi berat relatif masing-masing fasa dengan berbagai optimasi Mg. Pada perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,23 : 1 hingga 1,475 : 1 kandungan Mg0,8Zn0,2TiO3 berturut-turut 89,82(3,43)%, 94,47(2,62)%, 97,83(2,41)%, 100% dan 92,93(2,14)%. Kandungan TiO2 berturut-turut 10,18(1,27)%, 3,53(57)%, 2,17(26)%, 0% dan 4,12(47)%. Sedangkan kandungan MgO hanya teridentifikasi pada perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,475 : 1 yaitu 2,96 (64)%.
Gambar 2. Hubungan antara fraksi berat terhadap variasi penambahan Mg untuk mencapai keadaan stoikiometri.
Dari hasil analisis kualitatif dan kuantitatif terlihat bahwa sampel dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,23 : 1 hingga 1,4 : 1 menunjukkan adanya fasa Mg0,8Zn0,2TiO3 dan TiO2. Kehadiran fasa TiO2 menunjukkan bahwa dengan optimasi ini diyakini kadar Mg masih kurang. Perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,475 : 1 menunjukkan adanya fasa Mg0,8Zn0,2TiO3, TiO2 dan MgO dengan fraksi berat MgO lebih besar dari TiO2 yang menyatakan bahwa keadaan ini terjadi kelebihan Mg. Keadaan stoikiometri fasa Mg0,8Zn0,2TiO3 terbentuk dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1.
Fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3 yang disintesis dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1 kemudian dilakukan estimasi ukuran bulir menggunakan perangkat lunak Material
Analysis Using Diffraction (MAUD). Estimasi partikel menggunakan MAUD menunjukkan
bahwa adalah ukuran partikel rata-rata untuk sampel ini adalah 18,4 nm. Hasil ini dikonfirmasi dengan pengukuran menggunakan Transmission electron microschopy (TEM) menunjukkan range hasil yang tidak jauh berbeda seperti ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3. Hasil Pengukuran sampel yang dikalsinasi pada suhu 550°C menggunakan TEM
KESIMPULAN
Sintesis menggunakan metode wet mixing dapat menghasilkan fasa tunggal Mg0,8Zn0,2TiO3.Keadaanstoikiometrik tercapai dengan perbandingan (Mg+Zn) : Ti = 1,465 : 1,00 yang dikarenakan perbedaan kemurnian prekursor yang digunakan. Ukuran partikel sampel diestimasi menggunakan perangkat lunak MAUD menunjukkan hasil yang tidak jauh berbeda dengan citra TEM yaitu sekitar 18 nm.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih ini ditujukan kepada Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi (DIKTI) yang telah memberikan dukungan dana riset melalui Program Beasiswa Unggulan tahun 2012.
DAFTAR PUSTAKA
[1] E. A. V. Ferri, J. C. Sczancoski, L. S. Cavalcante, E. C. Paris, J. W. M. Espinosa, A. T. de Figueiredo, et al., "Photoluminescence behavior in MgTiO3 powders with vacancy/distorted clusters and octahedral tilting," Materials Chemistry and Physics, vol. 117, pp. 192-198, 2009/09/15/ 2009.
[2] C.-L. Huang, C.-L. Pan, and S.-J. Shium, "Liquid phase sintering of MgTiO3– CaTiO3 microwave dielectric ceramics," Materials Chemistry and Physics, vol. 78,
[3] C.-L. Huang, J. L. Hou, C.-L. Pan, C.-Y. Huang, C.-W. Peng, C.-H. Wei, et al., "Effect of ZnO additive on sintering behavior and microwave dielectric properties of 0.95MgTiO3–0.05CaTiO3 ceramics," Journal of Alloys and Compounds, vol. 450, pp. 359-363, 2/14/ 2008.
[4] J. Bernard, D. Houivet, J. El Fallah, and J. M. Haussonne, "MgTiO3 for Cu base metal multilayer ceramic capacitors," Journal of the European Ceramic Society, vol. 24, pp. 1877-1881, // 2004.
[5] C.-L. Huang, C.-M. Tsai, A. Yang, and A. Hsu, "Compact 5.8-GHz bandpass filter using stepped-impedance dielectric resonators for ISM band wireless communication," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 44, pp. 421-423, 2005.
[6] K. P. Surendran, A. Wu, P. M. Vilarinho, and V. M. Ferreira, "Sol−Gel Synthesis of Low-Loss MgTiO3 Thin Films by a Non-Methoxyethanol Route," Chemistry of
Materials, vol. 20, pp. 4260-4267, 2008/07/01 2008.
[7] A. B. Gaikwad, S. C. Navale, V. Samuel, A. V. Murugan, and V. Ravi, "A co-precipitation technique to prepare BiNbO4, MgTiO3 and Mg4Ta2O9 powders,"
Materials Research Bulletin, vol. 41, pp. 347-353, 2006/02/02/ 2006.
[8] G. Pfaff, "Peroxide route for synthesis of magnesium titanate powders of various compositions," Ceramics International, vol. 20, pp. 111-116, // 1994.
[9] M. Zhang, L. Li, W. Xia, and Q. Liao, "Structure and properties analysis for MgTiO3 and (Mg0.97M0.03)TiO3 (M = Ni, Zn, Co and Mn) microwave dielectric materials," Journal of Alloys and Compounds, vol. 537, pp. 76-79, 10/5/ 2012.
[10] S. Pratapa, M. A. Baqiya, R. Lestari, and R. Angela, "A simple dissolved metals mixing method to produce high-purity MgTiO3 nanocrystals," 2014, pp. 39-42. [11] F. U. Ermawati, Istihanah, R. Lestari, Suasmoro, and S. Pratapa, "Structural and
Microstructural Studies on ZnxMg1-x iO3(x=0.0-0.5) Solid Solutions Formation," 2012.
[12] Istihanah, "Microstructural Study of Solid Solution MxMg1-xTiO3 (M = Zn, Ni) Produced by Wet Mixing," Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya, 2011. [13] M. Saukani, F. U. Ermawati, S. Suasmoro, and S. Pratapa, "Analisa XRD Pada
Mekanisme Shrinkage Dalam Kajian Sintering Mg0,8Zn0,2TiO3," in Simposium
