PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM TESIS

PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG

DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM

TESIS

Oleh :

SAUFA TASLIMA

147026006

PROGRAM PASCASARJANA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUA ALAM

UNIVERSITAS SUMATRA UTARA

PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar magister

sains dalam program studi ilmu fisika pascasarjana universitas

sumatra utara

Oleh

Saufa Taslima

NIM : 147026006

PROGRAM PASCASARJANA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATRA UTARA

PERNYATAAN ORISINALITAS

PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM

TESIS

Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah

hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan

sumbernya dengan benar.

Medan , Desember 2016

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN

AKADEMIS

Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatra Utara, saya yang bertanda tangan di

bawah ini :

Nama : SAUFA TASLIMA

NIM : 047026006

Program studi : Magister Ilmu Fisika

Jenis Karya Ilmiah : Tesis

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada

Universitas Sumatra Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive Royalty

Free Right) atas tesis saya yang berjudul : PREPARASI DAN KARAKTERISASI

ZINC OXIDE YANG DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN

CROMIUM

Berserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalty

Non-Eksklusif ini, universitas Sumatra Utara berhak menyimpan, mengalih media,

memformat, mengelola dalam data-base, merawat dan mempublikasikan Tesis saya

tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis

dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.

Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya .

Medan, Desember 2016

Telah diuji pada

Tanggal : Desember 2016

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Dr. Kerista Sebayang, M.S

Anggota : 1. Prof. Drs. Masno Ginting M.Sc : 2. Prof. Dr. Eddy marlinto, M.Sc

RIWAYAT HIDUP

DATA PRIBADI

Nama lengkap berikut gelar : Saufa Taslima, S.Pd

Tempat dan Tanggal Lahir : Kebayakan, 31 Januari 1990

Alamat Rumah : Desa kelupak Mata, Kec. Kebayakan, Kab. Aceh Tengah

Telefon/Faks/HP : 0823 6531 6008

E-mail : saufataslima90@gmail.com

DATA PENDIDIKAN

SD : SDN Kelupak Mata Tamat : 2001

MTsN : MTsN 1 Aceh Tengah Tamat : 2004

SMA : SMA Muhammadiyah takengon Tamat : 2007

Strata-1 : FKIP Universitas Al-wasliyah Medan Tamat : 2011

PENGESAHAN TESIS

JUDUL : PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM

NAMA MAHASISWA : SAUFA TASLIMA NOMOR POKOK : 147026006

PROGRAM STUDI : MAGISTER ILMU FISIKA

FAKULTAS : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara

Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc

NIP 19561028 198403 1 002

Ketua Program Studi,

Prof. Dr. Nasruddin M.N, M.Eng.Sc

NIP 19550706 198102 1 002

i

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Allah SWT., atas segala nikmatNya sehingga dapat

menyelesaikan penulisan tesis ini yang berjudul : “preparasi dan karakterisasi zinc

oxide yang didoping dengan transisi metal ferrit dan cromium”.

Penulisan tesis ini dilakukan dalam rangka memenuhi gelar Master Fisika pada

Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatra Utara – Medan.

Tersusunnya tesis ini tidak akan lepas dari berbagai pihak, untuk itu segala

kerendahan hati menyampaikan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya

kepada :

1. Prof. DR. Runtung Sitepu, SH. MHum., selaku Rektor Universitas Sumatra

Utara-Medan.

2. Dr. Kerista Sebayang, M.S., selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu

Pengetahuan Alam Universitas Sumatra Urata-Medan.

3. Prof. Dr.Nasruddin M, M.Eng.Sc dan Dr. Anwar Dharma, MS selaku Ketua dan

sekertaris program Studi Magister Fisika berserta seluruh staf pengajar

pascasarjana FMIPA Universitas Sumatra Utara – Medan terima kasih ilmu yang

diberikan selama ini.

4. Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc, selaku pembimbing kedua dan pembimbing

lapangan yang selalu bersedia meluangkan waktunya dalam mengarahkan dan

membimbing, sehingga penelitian ini dapat terlaksana dengan baik.

5. Dr. Kerista Sebayang, M.S., (pembimbing I), Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc

(pembimbing II) yang selalu memberikan masukan.

6. Didik Aryanto, S.Si, MS,. Selaku pembimbing lapangan yang selalu bersedia

meluangkan waktunya dalam membimbing dan mengarahkan, seingga penelitian

ini dapat terlaksana dengan baik.

7. Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Sc., selaku pembimbing lapangan yang

bersedia meluangkan waktunya dalam mengarahkan dan membimbing. Sehingga

penelitian ini dapat terlaksana dengan baik serta pendamping pembimbing

ii

8. Ayah Ismail Muljib dan Ibu Siti Hajar yang telah banyak membantu doa, biaya,

semangat dan nasehat kepada penulis.

9. Teman – teman seperjuangan angkatan 2014 Enda Rasilta T, Sondang Martini

CS dan Selamat fatulo H, yang telah membantu menyelesaikan penelitian ini.

Dalam penulisan tesis ini disadari bahwa masih terdapat kekurangan dan

kelemahan. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun

demi penyempurnaan isi dan analisa yang disajikan. Akhir kata semoga tulisan ini

bermamfaat bagi yang membutuhkannya. Amin

Medan, Desember 2016

iii

Preparasi Dan Karakterisasi Zinc Oxide yang Didoping dengan

Transisi Metal Ferrit Dan Cromium

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian tentang preparasi ZnO yang didoping dengan Fe dan ZnO doping Cr. Pada penelitian ini proses preparasi ZnO doping Fe dan ZnO doping Cr dilakukan dengan menggunakan metode solid state reaction, dengan variasi komposisi (2,5;3,5 dan 4,5% atom) yang disintering dengan suhu 9000C selama 4 jam. mikrostruktur, sifat magnet dan listrik sampel yang dihasilkan telah dikarakterisasi dengan XRD (X-Ray

Diffraction), Vibrating Sampel Magnetometer (VSM), I-V dan C-V meter. Hasil

karakterisasi XRD menunjukkan bahwa Fe dan Cr telah bergabung dengan ZnO (hexagonal

wurtzite) dengan bertambahnya komposisi dari Fe dan Cr menunjukkan hadirnya impurity

yaitu ZnFe2O4 dan ZnCr2O4, dimana ukuran kristal dari ZnO doping Fe berkisar antara 53,5

nm – 50,8 nm dan ZnO yang didoping Cr memiliki ukuran kristal antara 51,7 nm-51,9 nm. Dari hasil VSM ZnO doping Fe dan Cr menunjukkan sifat diamagnetik menjadi paramagnetik. Hasil I-V dan C-V meter ZnO yang didoping Fe dan Cr menunjukkan hasil yang berbeda dimana doping Fe menghasilkan nilai resisitivitas menurun (konduktivitas meningkat) dan konstanta dielektrik menurun sedangkan doping Cr nilai resistivitas meningkat (konduktivitas menurun) dan konstanta dileketrik menurun.

iv

Preparation and Characterization of Zinc Oxide Doped with

Transition Metals of Ferrite and Chromium

ABSTRACT

The research was of the preparation ZnO doped with Fe and Cr. The preparation ZnO doped Fe and Cr is done by solid state reaction method. With the variety composition (2,5: 3,5 and 4,5% atom) which sintering at 9000C for 4 hours. The microstructure, magnetic and electrical properties of resulted sample had been characterized with XRD (X-Ray Diffraction), Vibrating Sample Magnetometer (VSM), I-V and C-V meter. The XRD characterization result indicated that Fe and Cr has been incorporated into ZnO (wurtzite hexagonal) with increases the composition of the Fe and Cr result present of impurity that is ZnFe2O4 and ZnCr2O4, where is the crystallite size ZnOdoped with Fe around 53.5 nm –

50.8 nm and crystallite size of ZnO doped with Cr around 51,7 nm-51,9 nm. From the result of VSM ZnO doped with Fe and Cr showed that diamagnetic to paramagnetic properties. Result of I-V and C-V meter ZnO doped with Fe and Cr showed that the different result which Fe doping generates decreased value of resistivity (conductivity increases) and decreased dielectric constant while the value of resistivity Cr doping increases (conductivity decreases) and dielectric constant decreases.

v

2.1 Dilute Magnetic Semiconductor (DMS) dan Perkembanganya ... 7

1.5.4 Bahan Anti Ferromagnetik ... 14

2.6 Solid State Reaction Method ... 14

2.6.1 Penggilingan dan Pencampuran Serbuk (Milling and Mixing of Powder) ... 15

2.6.2 Penekanan (compaction) ... 17

2.6.3 Pemanasan (Sintering) ... 18

2.7 X-Ray Difraction (XRD) ... 20

vi

2.9 Sifat listrik ... 22

2.9.1 Resisitivitas dan Konduktivitas ... 22

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 26

3.1.Tempat dan Waktu Penelitian ... 26

3.5.2. VSM ( Vibrating Sampel Magnetometer) ... 33

3.5.3. Karakterisasi I-V dan C-V meter ... 34

BAB VI HASIL DAN PEMBAHASAN ... 36

4.1Analisa X-Ray Diffraction (XRD) ... 36

4.2Analisa VSM ( Vibrating Sample Magnetometer) ... 42

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 (A) semikonduktor biasa, (B) semikonduktor magnetik, dan (C) Dilute Magnetic Semiconductor (Ohno, 1998) . … 7

Gambar 2.2 serbuk ZnO murni... 8

Gambar 2.3 Struktur ZnO, bola abu-abu dan hitam menunjukkan Zn dan O (Verlag & Weinheim, 2009) ... 9 paramagnetik dan ferromagnetik pada bahan (Morkoc & Ozgur, 2009) ... 13

Gambar 2.8 Arah domain dan kurva bahan Ferromagnetik ... 13

Gambar 2.9 Arah domain dan kurva bahan anti ferromagnetik, (a) sebelum diberi medan magnet luar, (b) setelah diberi medan magnet luar. ... 14

Gambar 2.10 Rangkaian proses solid state reaction secara konvensional: (1) milling, (2) compacting, dan (3) sintering; (a) menunjukkan kondisi partikel ketika (b) menunjukkan operasi dan kerja alat selama rangkain proses preparasi (Groover, 2012) ... 15

Gambar 2.11 Beberapa model alat untuk blending/milling dan mixing : (a) rotating drum (b) rotating double-cone (c) screw mixer (d) blade mixer (Groover, 2012) ... 16

Gambar 2.12 (a) Efek dari pemberian tekanan selama proses kompaksi (1) serbuk awal setelah filling (2) repacking, dan (3) deformasi partikel; (b) kerapatan serbuk sebagai fungsi tekanan (Groover, 2012) ... 18

Gambar 2.13 Proses sintering pada skala mikrokopis (Groover, 2012) 19

Gambar 2.14 Perlakuan panas dalam proses sintering ... 20

viii

Gambar 2.16 Kisaran konduktivitas untuk isolator, semikonduktor,

dan konduktor ... 24

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ... 28

Gambar 3.2 Mesin High Speedshaker Mill (HSM) ... 30

Gambar 3.3 Oven ... 30

Gambar 3.4 Autometic Hydraulic press ... 31

Gambar 3.5 Tungku pembakaran (furnance) tipe KSL-1700X... 32

Gambar 3.6 Mesin Smartlab Rigaku ... 33

Gambar 3.7 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) ... 33

Gambar 3.8 I-V meter Fluke 8842A multimeter ... 34

Gambar 3.9 C-V Keithley model 590 CV Analyzer ... 35

Gambar 4.1 Pola XRD dari ZnO doping Fe dan Cr untuk sampel A, B, C, D, E, F dan G yang disintering pada suhu 9000C selama 4 jam ... 37

Gambar 4.2 (a) pola intensitas XRD dari ZnO doping Fe pada puncak bidang (002) (b) pola intensitas XRD dari ZnO doping Cr pada puncak bidang (002) ... 38

Gambar 4.3 Detail observasi pola XRD dari sudut 20 sampai 80° .... 39

Gambar 4.4 (a) Kurva histeresis dari ZnO yang didoping dengan Fe untuk sampel A, B, C dan D, (b), (c), (d), (e) ZnO doping Fe (x = 0;2,5;3,5 dan 4,5% atom) ... 43

ix

Gambar 4.6 (a) Kurva I-V dari ZnO doping Fe dan (b) Kurva I-V

dari ZnO doping Cr ... 46

x

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Karakterisasi ZnO ... 9

Tabel 2.2 Karakterisasi logam Fe (besi) ... 10

Tabel 2.3 Karakterisasi logam Cr (Crom) ... 11

Tabel 3.1 Perhitungan komposisi sample ZnO doping Fe ... 29

Tabel 3.2 perhitungan komposisi sample ZnO doping Cr ... 29

Tabel 4.1 Kode sample ... 36

Tabel 4.2 Parameter kristal untuk sampel A sampai G puncak pada orientasi (002) ... 41