Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
SINTESIS DAN KARAKTERISASI FASA AURIVILLIUS LAPIS DUA
CaBi
2Ta
2O
9DAN CaBi
2TaNbO
9
Wahyu Prasetyo Utomo*, Dr. Afifah Rosyidah, M.Si1 Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember ABSTRAK
Fasa Aurivillius lapis dua CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 telah berhasil disintesis dengan metode kimia padat. Pola XRD menunjukkan jika kedua Aurivillius memiliki struktur kristal ortorombik dengan grup ruang
Fm2m. Kedua senyawa Aurivillius memiliki faktor toleransi perovskit 0,947 yang memungkinkan terjadinya
distorsi pada kedua senyawa. Pengaruh penambahan Nb pada Aurivillius CaBi2TaNbO9 tampak pada kristalinitas yang terbentuk. Senyawa Aurivillius CaBi2TaNbO9 lebih kristalin daripada CaBi2Ta2O9. Hal ini disebabkan karena ion Nb telah dapat berdifusi secara optimal pada kondisi reaksi yang diberikan. Pola XRD juga menunjukkan keberadaan pengotor pada kedua senyawa yang berasal dari reaksi tidak sempurna Ta2O5 akibat kurang optimalnya suhu dan waktu pembakaran pada saat sintesis. Komposisi penyusun kedua Aurivillius dianalisa dengan X Ray Fluorosence (XRF) dan didukung menggunakan Energi Dispersive X Ray (EDX),
sementara morfologi permukaan Aurivillius dianalisa dengan menggunakan Scanning Electron mycroscopy
(SEM).
Kata kunci : Oksida Aurivillius, Fasa Aurivillius, Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9, Reaksi Kimia Padat
I. Pendahuluan
Oksida logam adalah salah satu jenis material yang sangat penting. Hal ini selain karena bahan mineral atau bijih logam ditemukan di alam dalam bentuk oksida logam juga karena banyaknya kegunaan mutakhir oksida logam. Kegunaan oksida logam dalam berbagai bidang industri antara lain sebagai bahan superkonduktor, katalis dan aplikasi lain yang memanfaatkan sifat-sifat yang dimiliki oleh oksida logam tersebut seperti sifat kemagnetan, sifat optis maupun daya hantar listriknya. Pemanfaatan oksida logam semakin bertambah dengan adanya tuntutan terhadap ketersediaan material yang dapat mendukung perkembangan teknologi, pengembangan peralatan yang lebih canggih, efektif dan efisien. Keragaman aplikasi pada oksida logam berasal dari keragaman struktur dan sifat (baik kimia maupun fisika) dari oksida logam tersebut (Ismunandar, 2006). Alasan itulah yang menyebabkan penelitian terhadap material oksida logam terus dilakukan. Salah satu oksida logam yang sangat berpotensi untuk dikembangkan adalah oksida Aurivillius.
*Corresponding author phone : +6285648439756, e-mail : wahyuprasetyou@yahoo.co.id
Alamat sekarang : Jurusan Kimia, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.
Aurivillius merupakan senyawa dengan rumus umum Bi2O2[An-1BnO3n+1]. Strukturnya terbentuk dari n lapis perovskit [An-1BnO3n+1]2- yang
dipisahkan oleh lembaran [Bi2O2]2+ sepanjang sumbu c yang memberikan struktur berlapis.
Oksida Aurivillius yang pertama kali berhasil disintesis adalah CaBiNb2O9 dan Bi4Ti3O12 (Ismunandar, 2006). Sisi perovskit A oksida Aurivillius umumnya ditempati oleh kation yang berukuran lebih besar daripada sisi B yakni unsur dari logam alkali, alkali tanah, tanah jarang atau campurannya, seperti Ca2+, Ba2+ (Haluska dan Misture 2004), Na+ (Kumar dan Varma 2010), Bi3+ (Wyantuti, 2008) sedangkan pada sisi B nya biasa ditempati oleh kation dari unsur logam transisi yang berkoordinasi oktahedral, seperti unsur Ti4+ (Haluska dan Misture, 2004) dan Nb5+ (Liang dkk, 2008).
Oksida Aurivillius menarik untuk dikaji dan dikembangkan karena memiliki sifat magnetik, listrik dan sifat optik. Kebanyakan oksida Aurivillius dikenal sebagai bahan feroelektrik yang memberikan suhu Curie tinggi dan polarisasi spontan luas. Sifat-sifat yang dimiliki oksida
Aurivillius tersebut menyebabkan oksida
Aurivillius menjadi objek penelitian yang intensif karena potensi pengaplikasiannya pada beberapa bidang antara lain sebagai bahan penyimpan memori (FRAM dan DRAM), bahan konduktor, material magnetik, katalis, bahan fotoluminesense dan sebagainya (Wang dkk, 2010).
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
Beberapa fasa Aurivillius dengan lembaran lapis dua perovskit telah dilaporkan dari berbagai penelitian, antara lain adalah SrBi2Nb2O9 (Dhak dkk, 2006), PbBi2Nb2O9 (Ismunandar dkk, 1998) dan SrBi2Ta2O9 (Li dkk, 2003). Penelitian-penelitian tersebut betujuan melakukan sintesis Aurivillius lapis dua serta analisis terhadap struktur dan sifat elektriknya.
Senyawa SrBi2Ta2O9 (SBT) telah menjadi kandidat yang potensial untuk dijadikan sebagai material nonvolatile Ferroelectric Random Access Memories (nvFRAM) disebabkan oleh medan
koersif yang rendah dan rendahnya kebocoran arus. Namun, senyawa SrBi2Ta2O9 masih memiliki beberapa kelemahan diantaranya suhu deposisi yang tinggi serta polarisasi remanen yang rendah. Beberapa usaha telah dilakukan untuk mengatasi kekurangan tersebut misalnya dengan melakukan penambahan dopan Ba pada Sr, seperti pada senyawa (Sr0,5Ba0,5)Bi2Ta2O9 yang menunjukkan sifat polarisasi remanen yang lebih tinggi daripada SrBi2Ta2O9 (Lu dan Wen, 2000). Namun demikian tetap diperlukan penelitian untuk mengkaji sifat oksida Aurivillius dengan berbagai substituen yang berbeda sehingga bisa diperoleh komposisi yang optimal untuk menghasilkan sifat feroelektrik yang lebih baik. Studi difraksi neutron pada Aurivillius SrBi2Ta2O9 menunjukkan jika penggantian sisi kation A pada senyawa tersebut dengan kation Ca dapat meningkatkan distorsi struktural antara AO dan bidang TaO2 yang pada akhirnya dapat meningkatkan polarisasi spontan (Shimakawa dkk, 2000a).
Li dkk, (2008) telah berhasil melakukan sintesis Aurivillius lapis dua CaBi2Ta2O9 dengan metode kimia padat pada suhu pembakaran 900 °C selama 15 jam, 1000 °C selama 15 jam dan 1200 °C selama 24 jam dan menghasilkan oksida Aurivillius dengan grup ruang A21am. Penelitian ini
menemukan jika terjadi distorsi pada oktahedral Aurivillius yang menyebabkannya bersimetri ortorombik A21am. Penelitian lain terhadap
senyawa ABi2Ta2O9 dengan A berupa Ba, Sr dan Ca
yang dilakukan oleh Macquart dkk. (2006) menunjukkan jika terjadi disorder antara kation A
(Ba, Sr dan Ca) dan Bi, dimana disorder meningkat dengan meningkatnya ukuran kation A. Disorder kation ini dapat berpengaruh pada struktur Aurivillius yang dihasilkan karena ukuran kationnya yang berbeda.
Penelitian yang mempelajari pengaruh perbedaan substituen kation B pada Aurivillius lapis dua juga telah dilakukan. Shimakawa dkk, (2000b) melakukan sintesis Aurivillius
SrBi2(Ta1-xNbx)O9. Hasil yang diperoleh
menunjukkan jika perpindahan atom pada
oktahedral (TaNb)O6 meningkat dengan
meningkatnya jumlah Nb. Penambahan Nb juga menyebabkan terjadinya distorsi struktural pada oktahedral yang disebabkan semakin kuatnya
interaksi kovalen (TaNb)-O. Hal ini menyebabkan meningkatnya suhu Curie (Shimakawa dkk, 2000). Senyawa Aurivillius SrBi2Ta2O9 pada umumnya disintesis pada suhu yang tinggi untuk mendapatkan tingkat kristalinitas yang baik. Namun penambahan Nb pada kation B pada Aurivillius SrBi2(Ta0,5Nb0,5)2O9 dapat menurunkan suhu pembakaran disamping juga meningkatkan ukuran partikelnya sehingga diharapkan bisa mendapatkan sifat feroelektrik yang lebih baik (Junior dkk, 2008).
Penelitian ini bertujuan untuk melakukan sintesis dan karakterisasi Aurivillius lapis dua CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9, dimana pada kedua senyawa tersebut kation A ditempati oleh Ca. Kation B ada senyawa CaBi2Ta2O9 ditempati oleh Ta sementara pada senyawa CaBi2TaNbO9 dilakukan penambahan dopan Nb pada kation Ta. Penambahan dopan Nb pada senyawa CaBi2Ta2O9 membentuk CaBi2TaNbO9 belum pernah dilakukan sebelumnya, sehingga penelitian ini diharapkan bisa memberikan informasi tentang pengaruh penambahan dopan Nb tersebut. Kedua komposisi Aurivillius yang disintesis diharapkan mampu manghasilkan sifat feroelektrik yang lebih baik. Sintesis Aurivillius dilakukan melalui metode kimia padat pada suhu 400 °C selama 8 jam, 900 °C selama 2 jam dan 1100 °C selama 12 jam dengan kenaikan suhu 50 °C. Variasi suhu dan lamanya waktu pada tiap tahap pembakaran akan mempengaruhi struktur Aurivillius yang terbentuk karena difusi ion-ion pada metode kimia padat terjadi pada saat proses pambakaran. Hasil sintesis selanjutnya dikarakterisasi dengan menggunakan difraksi sinar X (XRD), X-ray Fluorosence (XRF)
dan Scanning Electron Mycroscopy yang
dilengkapi dengan Energy Dispersive X-Ray
(SEM-EDX). Hasil sintesis dan karakterisasi dari kedua senyawa selanjutnya dibandingkan sehingga dapat diketahui kemurnian fasa masing-masing senyawa yang terbentuk serta pengaruh perbedaan substituen pada kation B pada kedua senyawa Aurivillius. II. Metodologi
2.1 Alat dan Bahan
2.1.1 Alat
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah peralatan sintesis kimia padat seperti mortar dan pastel agat, krus alumina, neraca analitis,
furnace, serta beberapa peralatan gelas. Peralatan
yang digunakan untuk karakterisasi antara lain XRD serbuk menggunakan difraktometer serbuk Philips X’pert Pro Super dilengkapi dengan radiasi
grafit radiasi monokromatis CuKα, X-Ray
Fluorosence (XRF) PANalytical Minipal 4 serta Scanning Electron Microscopy – Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX) FEI Inspect S50.
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
2.1.2 Bahan
Bahan – bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah Bi2O3 (Sigma Aldrich,
99,999%), Ta2O5 (Sigma Aldrich, 99,999%),
Nb2O5 (Sigma Aldrich, 99,999%), CaCO3
(Sigma Aldrich >98%) dan aseton (SAP Chemicals, > 99%).
2.2 Prosedur Kerja
2.2.1 Sintesis Oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9
Sampel polikristalin CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 disiapkan dengan metode reaksi kimia keadaan padat. Reagen yang digunakan pada preparasi sampel ini merupakan reagen p.a dan
digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Sejumlah Bi2O3, CaCO3, dan Ta2O5 dicampur secara bersamaan untuk sintesis CaBi2Ta2O9 sementara sintesis CaBi2TaNbO9 menggunakan reagen berupa Bi2O3, CaCO3, Ta2O5 dan Nb2O5. Jumlah dari reagen-reagen tersebut ditentukan berdasarkan perhitungan stoikiometri seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.1. Pencampuran dan penggerusan reagen dilakukan dengan penambahan aseton. Reagen yang telah homogen kemudian ditekan untuk membentuk pelet dan dikalsinasi pada suhu 400 °C selama 8 jam, 900 °C selama 2 jam dan 1100 °C selama 12 jam dengan kenaikan suhu 50 °C. Penggerusan ulang dilakukan pada tiap tahap kenaikan suhu.
Tabel 2.1 Komposisi reaktan untuk mengahasilkan Aurivillius dan CaBi2TaNbO9 sebanyak
4 gram Jenis
Aurivillius Reagen (gram) Massa CaBi2Ta2O9 CaCO3 Bi2O3 1,9332 0,4157
Ta2O5 1,8334 CaBi2TaNbO9 Bi2O3 2,1279 CaCO3 0,4575 Ta2O5 1,0090 Nb2O5 0,6069 2.2.2. Karakterisasi
Karakterisasi oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 dilakukan dengan menggunakan difraksi sinar X di Laboratorium Research Centre
ITS (XRD) untuk mengetahui struktur kristal yang terbentuk dan tingkat kristalinitasnya. Sampel Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 masing-masing sebanyak 1 gram diletakkan pada sel difraksi (sample holder) kemudian disinari dengan
sinar CuKα (1,54065 Å). Data difraksi diambil pada rentang antara 5° sampai 90° dengan ukuran laju 0,02°/detik. Difraktogram berupa grafik hubungan antara sudut difraksi dengan intensitas. Pola difraktogram yang terbentuk selanjutnya dicocokan
dengan data standar dari PCPDFWIN (PDF,
Powder Diffraction File) yang dikeluarkan oleh
JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standar).
Karakterisasi dengan X-Ray Fluorosence
(XRF) dilakukan di Laboratorium Pusat Energi dan Rekayasa ITS untuk mengetahui komposisi kimia unsur-unsur yang terdapat pada cuplikan Aurivillius secara kuantitatif. Cuplikan oksida Aurivillius sebanyak 2 gram dimasukkan ke sample holder yang kemudian ditekan dengan pres perata
sampai rata pada bagian bawahnya. Selanjutnya
cuplikan dianalisis dengan XRF tanpa
menggunakan standar.
Oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan
CaBi2TaNbO9 selanjutnya dikarakterisasi dengan
menggunakan Scanning Electrom Microscopy
(SEM) yang dilengkapi dengan Energy Dispersive X-Ray (EDX) di Laboratorium Sentral Fisika
FMIPA Universitas Negeri Malang. Analisa SEM dilakukan untuk mengetahui morfologi permukaan.
Energy dispersive X-ray spectrometer (EDX)
digunakan untuk menentukan komposisi unsur-unsur yang ada dalam sampel oksida. Cuplikan
Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9
sebanyak 0,5 gram ditempatkan pada sample holder selanjutnya dilapisi dengan dengan karbon.
Sampel yang telah dilapisi selanjutnya dianalisis dengan SEM-EDX pada perbesaran 25.000 kali untuk analisa SEM dan 5000 kali untuk EDX.
III. Hasil dan diskusi
Pembahasan pada penelitian ini meliputi sintesis dan karakterisasi terhadap struktur kristal, tingkat kristalinitas, komposisi dan morfologi permukaan senyawa Aurivillius lapis dua CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9.
3.1. Sintesis Oksida Aurivillius
Senyawa Aurivillius lapis dua CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 telah berhasil disintesis dengan menggunakan metode kimia padat. Metode ini merupakan metode yang paling umum digunakan sebagai metode sintesis Aurivillius karena merupakan metode yang relatif mudah dan sederhana serta mampu meminimalisasi pengotor yang terbentuk. Metode kimia padat menggunakan reaktan dalam bentuk padat yang berupa senyawa oksida atau karbonat dengan kemurnian yang sangat tinggi (>98%). Metode ini menghasilkan produk samping yang berupa O2atau CO2 dalam fasa gas, sehingga tidak berpengaruh terhadap produk utama yang dihasilkan. Hal ini berbeda dengan metode lain seperti metode sol-gel, hidrotermal ataupun emulsi koloid yang membutuhkan waktu yang lama, melibatkan alkoksida yang tidak stabil serta kesulitan dalam mengontrol kondisi reaksi (Gaikwad dkk, 2005a).
Tahap pertama dalam sintesis kimia padat adalah melakukan penimbangan reaktan-reaktan
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
sesuai dengan jumlah perhitungan secara
stoikiometris. Reaktan-reaktan tersebut
dicampurkan dan digerus untuk membentuk suatu campuran padatan dengan distribusi yang homogen, dimana suatu partikel senyawa akan dikelilingi oleh partikel-partikel senyawa yang lain. Pencampuran dan penggerusan dilakukan dengan menggunakan mortar agat untuk menjaga kemurnian reaktan selama proses dilakukan. Penggunaan cawan porselen atau cawan lain yang mengandung silika dikhawatirkan akan mengotori reaktan-reaktan melalui tercampurnya partikel SiO2 ke dalam reaktan yang akan berpengaruh pada proses sintesis dan kemurnian produk. Penggerusan
dilakukan selain untuk menghomogenkan
campuran juga untuk mengurangi ukuran partikel sehingga dapat meningkatkan luas total permukaan partikel yang bereaksi. Aseton ditambahkan selama proses pencampuran dan penggerusan untuk membantu proses dispersi partikel-partikel reaktan. Aseton merupakan senyawa organik yang mudah menguap sehingga tidak akan berpengaruh terhadap reaktan dan reaksi yang terjadi.
Campuran yang terbentuk selanjutnya ditekan menjadi pelet. Penekanan ini bertujuan untuk meningkatkan luas kontak partikel-partikel yang bereaksi serta meminimalisasi kontak reaktan dengan krusibel. Pelet yang terbentuk selanjutnya dibakar pada temperatur tertentu yang secara bertahap. Wadah yang digunakan pada proses pembakaran adalah krusibel alumina karena merupakan material yang inert sehingga tidak berpengaruh pada reaksi yang terjadi di dalamnya, selain itu krusibel ini mampu bertahan pada suhu yang sangat tinggi yakni 1950 °C.
Metode kimia padat umumnya dilakukan pada suhu yang sangat tinggi karena melibatkan reaktan yang memiliki titik leleh yang tinggi pula. Aturan Tamman menyatakan jika laju difusi reaktan akan berjalan intensif pada suhu paling tidak 2/3 dari nilai titik leleh satu atau lebih reaktan-reaktannya. Proses pembakaran pada penelitian ini dilakukan secara bertahap pada suhu yang telah ditentukan, yakni 400 °C, 900 °C dan 1100 °C dengan kenaikan suhu sebesar 50 °C. Pemanasan pertama dilakukan pada suhu 400 °C dan dijaga konstan selama 8 jam. Pemanasan pada suhu 400 °C dipilih karena salah satu reaktan merupakan senyawa karbonat, yakni CaCO3, dimana pada suhu di atas 400 °C senyawa karbonat akan terdekomposisi membentuk CO2 yang akan menguap ke udara. Hal ini harus dihindari agar ion Ca tidak ikut menguap bersama dengan CO2 karena jika hal tersebut terjadi akan sangat berpengaruh pada perbandingan stoikiometri reaktan. Selain itu, sesuai aturan Tamman, reaksi dilakukan dari titik leleh reaktan yang terendah, yakni CaCO3 yang bertujuan untuk menghindari terjadinya dekomposisi reaktan tersebut yang bisa berdampak pada perbandingan stoikiometri reaktan secara keseluruhan.
Pembakaran selanjutnya dilakukan pada suhu 900 °C dan 1100 °C selama selang waktu tertentu. Kenaikan suhu pada tiap pembakaran adalah 50 °C yang bertujuan untuk menghindari terjadinya lonjakan kondisi lingkungan yang ekstrim pada saat reaksi berlangsung serta memaksimalkan proses reaksi yang terjadi. Lonjakan kondisi lingkungan yang ekstrim dikhawatirkan dapat menyebabkan reaksi tidak berjalan optimal. Penggerusan ulang dilakukan pada tiap tahap kenaikan suhu yang bertujuan untuk membentuk bidang reaksi baru. Hal ini dilakukan karena pada tiap tahap pembakaran telah terbentuk sebagian produk yang membentuk kisi kristal produk. Adanya kisi kristal produk akan menghambat laju difusi reaktan-reaktan sehingga perlu dibuat bidang reaksi baru melalui penggerusan ulang untuk mempercepat jalannya reaksi. Penggerusan pada dasarnya juga berfungsi untuk mengurangi rongga antar partikel serta memperkecil ukuran partikel sehingga luas total permukaan reaksi akan meningkat. Perlakuan tersebut menghasilkan senyawa Aurivillius yang berupa serbuk. Reaksi yang terjadi selama proses sintesis Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 ini adalah sebagai beirikut:
Bi2O3(s) + CaCO3(s) + Ta2O5(s) CaBi2Ta2O9(s) +
CO2(g)
(3.1) 2Bi2O3(s) + 2CaCO3(s) + Ta2O5(s) + Nb2O5(s)
2CaBi2TaNbO9(s) + 2CO2(g) (3.2)
Senyawa yang disintesis merupakan senyawa Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 dimana kedua senyawa memiliki kation A berupa Ca dan
dan kation B berupa Ta dengan indeks dua untuk
Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan TaNb dengan indeks
masing-masing satu untuk Aurivillius
CaBi2TaNbO9. Oksida Aurivillius tersusun atas lapisan bismut dan lapisan perovskit. Struktur perovskit yang diadopsi Aurivillius terkait erat dengan faktor toleransi perovskit, t. Kation-kation
yang digunakan sebagai substituen untuk senyawa Aurivillius harus mematuhi faktor toleransi perovskit sehingga bisa menghasilkan struktrur perovskit. Perhitungan terhadap jari-jari kation yang digunakan pada kedua senyawa yang disintesis, baik itu kation A berupa Ca dan kation B berupa Ta dan (Ta,Nb) menunjukkan jika kation-kation tersebut masih berada batas toleransi perovskit. Nilai faktor toleransi (t) untuk
Aurivillius CaBi2Ta2O9 sebesar 0,947 sementara untuk Aurivillius CaBi2TaNbO9 memiliki faktor toleransi yang hampir sama yakni 0,947. Perhitungan faktor toleransi tersebut dilakukan dengan menggunakan sistem jari-jari Shanon. Kedua nilai berada diantara faktor toleransi perovskit yang diijinkan untuk sistem Shanon, yakni 0,9<t<1. Hal ini menunjukkan jika
kation-Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
kation tersebut memungkinkan untuk membentuk struktur perovskit yang ideal.
3.2. Karakterisasi
Oksida Aurivillius hasil sintesis kemudian dikarakterisasi dengan XRD (X Ray Diffraction),
XRF (X Ray Fluorosence) dan SEM (Scanning Electron Microscopy) yang dilengkapi dengan
EDX (Energy Dispersion X Ray) untuk mengetahui
bahwa senyawa yang telah disintesis berupa Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9.
3.2.1 Analisa Difaksi Sinar-X
Analisa cuplikan dengan menggunakan difraksi sinar X bertujuan untuk mengetahui apakah senyawa yang disintesis telah berhasil terbentuk dengan membandingkannya dengan standar yang ada. Analisa ini didasarkan pada terdapatnya kristal di dalam cuplikan, yang memiliki bidang-bidang yang dibentuk oleh atom-atom yang tertata secara teratur. Difraksi sinar X disebabkan oleh bidang kristal tertentu ditandai dengan sudut difraksi (2θ) yang khas. Setiap material yang memiliki struktur kristal akan memiliki pola difraksi yang tertentu pula, sehingga berdasarkan hal tersebut, struktur suatu material dapat ditentukan berdasarkan pola difraksinya. Gambar 3.1 menunjukkan pola difraksi sinar X dari Aurivillius CaBi2Ta2O9, sementara standar CaBi2Ta2O9 ditunjukkan pada Gambar 3.2.
Gambar 3.1. Pola difraksi Oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 hasil sintesis( = fasa Aurivillius, = fasa Ta2O5)
Gambar 3.2. Pola difraksi Aurivillius CaBi2Ta2O9 standar
Pola difraksi Aurivillius CaBi2Ta2O9 pada Gambar 3.1 menunjukkan kesesuaian dengan pola standar Aurivillius CaBi2Ta2O9. Hal ini ditunjukkan oleh terdapatnya minimal empat puncak khas fasa Aurivillius CaBi2Ta2O9 yang sama dengan standarnya. Aurivillius CaBi2Ta2O9 standar memiliki struktur ortorombik dengan grup ruang Fm2m dimana parameter sel satuannya a=
5,435 Å, b= 5,468 Å dan c= 24,970 Å.
Gambar 3.1 dan Gambar 3.2 menunjukkan kesesuaian enam puncak karakteristik Aurivillius CaBi2Ta2O9 dengan intensitas tertinggi terhadap standarnya. Perbandingan puncak-puncak tersebut lebih lebih lanjut ditampilkan pada Tabel 3.1. Kesesuaian posisi puncak menunjukkan jika senyawa yang disintesis merupakan senyawa Aurivillius CaBi2Ta2O9. Selain puncak-puncak dengan intensitas tertinggi di atas, puncak-puncak lainnya pun juga menunjukkan kesesuaian posisi seperti ditunjukkan pada Lampiran C. Hal ini menegaskan jika Aurivillius CaBi2Ta2O9 telah benar-benar terbentuk dalam penelitian ini dimana struktur yang terbentuk adalah ortorombik dengan grup ruang Fm2m.
Tabel 3.1. Perbandingan difraktogram karakteristik oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 hasil sintesis terhadap standar CaBi2Ta2O9 Standar CaBi2Ta2O9 (2θ) Hasil Sintesis CaBi2Ta2O9 (2θ) 25,443 25,464 28,576 28,516 29,243 29,261 32,726 32,757 47,112 47,148 56,553 56,582
Puncak-puncak lain juga ditemukan pada difraktogram Aurivillius CaBi2Ta2O9 yakni puncak-puncak pada posisi (2θ) 57,31° dan 48,598°. Puncak-puncak tersebut bukan merupakan bagian dari puncak Aurivillius CaBi2Ta2O9, sehingga dipastikan puncak tersebut berasal dari fasa lain. Fasa tersebut teridentifikasi sebagai fasa dari Ta2O5, sehingga dalam hal ini senyawa Ta2O5 belum seluruhnya bereaksi membentuk Aurivillius dan hadir sebagai fasa pengotor. Keberadaan Ta2O5 menunjukkan jika ion Ta belum seluruhnya berdifusi ketika reaksi berlangsung. Hal ini bisa disebabkan oleh beberapa hal, suhu dan waktu pembakaran yang belum optimal untuk mendukung seluruh ion Ta berdifusi.
Suhu pembakaran tertinggi pada penelitian ini adalah 1100 °C, sementara menurut aturan Tamman, ion Ta akan berdifusi secara optimal pada suhu minimal 1248 °C. Akibatnya, sebagian ion Ta belum berdifusi dan masih terjebak pada kisis
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
kristalnya pada suhu 1100 °C. Penelitian yang dilakukan Prasad dan Varma. (2003) dengan melakukan sintesis Aurivillius lapis dua yang mengandung kation Ta yakni senyawa Sr1-xBaxBi2(Nb0,5Ta0,5)2O9 pada suhu pembakaran 700 °C selama 12 jam, 900 °C selama 12 jam dan suhu 1100 °C selama 10 jam serta suhu sintering 1150 °C pada krusibel platina tertutup selama 2 jam pada kenyataanya telah mampu membentuk senyawa Aurivillius yang diinginkan, padahal kondisi sintesis belum mencapai suhu tertinggi menurut aturan Tamman. Hal ini menunjukkan jika faktor lain yang juga berpengaruh pada kurang sempurnanya difusi ion pada sintesis Aurivillius CaBi2Ta2O9 adalah kurangnya waktu pembakaran.
Proses difusi yang kurang sempurna juga disebabkan karena adanya senyawa karbonat yang digunakan pada reaksi yakni dari senyawa CaCO3. Senyawa karbonat tersebut terjebak pada kisi kristalnya pada saat proses pembentukan oksida Aurivillius. Keberadaan senyawa karbonat menyebabkan ion Ta sulit berdifusi karena adanya halangan ruang.
Faktor lain yang juga memungkinkan sulitnya ion Ta berdifusi adalah tingkat homogenitas reaktan yang rendah. Homogenitas yang rendah menyebabkan ion logam tidak cukup berdekatan satu sama lain untuk terjadinya proses difusi. Namun faktor ini diatasi dengan melakukan penggerusan ulang di tiap kenaikan suhu pembakaran, selain itu secara umum semua reaktan juga telah bisa bereaksi secara sempurna sehingga faktor homogenitas ini kurang berpengaruh
terhadap keberadaan pengotor Ta2O5.
Pertimbangan-pertimbangan tersebut menegaskan jika faktor utama penyebab keberadaan Ta2O5 adalah karena kurang optimalnya suhu dan waktu pembakaran.
Pola difraksi Aurivillius CaBi2TaNbO9 ditampilkan pada Gambar 3.3. Pola tersebut menunjukkan pola yang mirip dengan senyawa Aurivillius CaBi2Ta2O9. Puncak-puncak utama Aurivillius CaBi2TaNbO9 juga memiliki posisi yang sesuai dengan standar Aurivillius CaBi2Ta2O9 pada Gambar 3.2. Tabel 3.2 menampilkan
perbandingan posisi puncak Aurivillius
CaBi2TaNbO9 terhadap standar CaBi2Ta2O9,
sementara Tabel 3.3 menampilkan perbandingan posisi puncak Aurivillius CaBi2TaNbO9 dan CaBi2Ta2O9 hasil sintesis terhadap standar CaBi2Ta2O9.
Pola difraksi Aurivillius CaBi2TaNbO9 yang memiliki kesesuaian dengan posisi-posisi puncak pada standar CaBi2Ta2O9 maupun CaBi2Ta2O9 hasil sintesis menunjukkan jika senyawa Aurivillius CaBi2TaNbO9 memiliki struktur yang sama dengan Aurivillius CaBi2Ta2O9. Hal ini mengindikasikan Aurivillius CaBi2TaNbO9 juga memiliki struktur ortorombik dengan grup ruang Fm2m.
Gambar 3.3. Pola difraksi Oksida Aurivillius CaBi2TaNbO9 hasil sintesis ( = fasa Aurivillius, = fasa Ta2O5)
Tabel 3.2. Perbandingan difraktogram karakteristik oksida Aurivillius CaBi2TaNbO9 hasil sintesis terhadap standar CaBi2Ta2O9 Standar CaBi2Ta2O9 (2θ) Hasil Sintesis CaBi2TaNbO9 (2θ) 25,443 25,461 28,576 28,653 29,243 29,277 32,726 32,699 47,112 47,113 56,553 56,563
Tabel 3.3. Perbandingan difraktogram karakteristik oksida Aurivillius CaBi2TaNbO9 dan CaBi2Ta2O9 hasil sintesis terhadap standar CaBi2Ta2O9 Standar CaBi2Ta2O9 (2θ) Hasil Sintesis CaBi2Ta2O9 (2θ) CaBi2(2θ) TaNbO9 25,443 25,464 25,461 28,576 28,516 28,653 29,243 29,261 29,277 32,726 32,757 32,699 47,112 47,148 47,113 56,553 56,582 56,563
Grup ruang Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 yang terbentuk pada penelitian ini yakni Fm2m berbeda dengan grup ruang yang
ditemukan pada beberapa penelitian sebelumnya pada senyawa Aurivillius CaBi2Ta2O9. Macquart dkk. (2001) menemukan pada penelitiannya jika grup ruang CaBi2Ta2O9 adalah struktur ortorombik
A21am, begitu pula dengan Li dkk. (2008).
Perbedaan ini disebabkan oleh kondisi sintesis yang berbeda, dimana pada penelitian kali ini dilakukan
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
variasi suhu dan waktu pembakaran yang berbeda dari penelitian-penelitian sebelumnya. Suhu dan waktu pembakaran ini sangat berpengaruh terhadap laju difusi ion-ion sehingga mempengaruhi pula struktur kristal Aurivillius yang terbentuk.
Perbedaan substituen kation B pada Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 dimana kation B untuk Aurivillius CaBi2Ta2O9 seluruhnya ditempati oleh ion Ta sementara Aurivillius CaBi2TaNbO9 dengan kation B yang ditempati ion Ta dan Nb dengan okupansi yang sama tidak menyebabkan terjadinya perubahan struktur kristal. Kedua senyawa Aurivillius mengkristal pada struktur ortorombik. Hal ini menunjukkan penambahan dopan Nb pada sisi kation B tidak menyebabkan terjadinya perubahan struktur Aurivillius secara signifikan. Gambar 3.4
menunjukkan perbandingan pola difraksi
Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9.
Gambar 3.4. Perbandingan pola difraksi Aurivillius CaBi2Ta2O9dan
CaBi2TaNbO9 ( = fasa Ta2O5)
Perubahan struktur pada oksida Aurivillius
utamanya disebabkan oleh jari-jari ion
penyusunnya. Jari-jari ion yang berbeda akan dapat menyebabkan distorsi pada struktur Aurivillius atau bahkan perubahan struktur kristal. Ion yang ditambahkan sebagai dopan pada penelitian ini yakni Nb memiliki jari-jari 0,64 Å. Jari-jari ini sangat mirip dengan jari-jari ion Ta yakni 0,64 Å. Kemiripan nilai jari-jari inilah yang menyebabkan penambahan ion Nb tidak terlalu berpengaruh pada struktur yang terbentuk. Struktur terkait erat dengan faktor toleransi perovskit, dimana nilai faktor toleransi yang bergeser dari nilai satu menunjukkan jika senyawa tersebut lebih mengalami distorsi (Ismunandar, 2006).
Faktor toleransi perovskit Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 bernilai
~0,947. Nilai faktor toleransi yang yang jauh bergeser dari nilai satu ini menunjukkan
kemungkinan kedua senyawa tersebut mengalami distorsi. Namun nilai yang sama ini tidak bisa memberikan informasi terhadap perbedaan distorsi yang terjadi pada struktur Aurivillius akibat pengaruh penambahan Nb. Berdasarkan literatur yang ada, penambahan dopan Nb pada sisi kation B pada senyawa Aurivillius CaBi2TaNbO9 menyebabkan
terjadinya okupansi pada sisi kation B, dimana sisi kation B ditempati oleh Ta dan Nb, sehingga pusat oktahedralnya menjadi
(Ta,Nb)O6. Substitusi Nb pada Ta
menyebabkan ikatan yang terbentuk menjadi lebih kovalen. Interaksi kovalen yang kuat pada ikatan (Ta,Nb)-O meningkatkan distorsi struktural pada Aurivillius CaBi2TaNbO9,
yang pada akhirnya bisa meningkatkan suhu Curie dan berpengaruh pula pada polarisasi spontan (Shimakawa dkk, 2000b). Hal ini
menyebabkan Aurivillius CaBi2TaNbO9
menjadi lebih terdistorsi daripada CaBi2Ta2O9.
Persamaan lain yang tampak pada senyawa Aurivillius CaBi2TaNbO9 dengan
Aurivillius CaBi2Ta2O9 adalah masih
munculnya fasa pengotor Ta2O5. Pengotor ini
disebabkan oleh kurang optimalnya suhu dan waktu pembakaran layaknya seperti yang terjadi pada Aurivillius CaBi2Ta2O9 karena
kedua senyawa ini disintesis pada suhu dan waktu pembakaran yang sama.
Pengaruh lain yang mencolok akibat penambahan Nb adalah pada intensitas puncak yang dihasilkan oleh kedua Aurivillius. Aurivillius CaBi2TaNbO9 secara umum
memiliki intensitas yang lebih tinggi dari pada Aurivillius CaBi2Ta2O9, terutama tampak pada
puncak-puncak utamanya. Intensitas puncak pada difraktogram XRD menunjukkan tingkat kristalinitas dari cuplikan yang dianalisa. Semakin tinggi intensitas puncak maka tingkat kristalinitasnya juga semakin tinggi, dengan demikian bisa dikatakan jika Aurivillius CaBi2TaNbO9 memiliki tingkat kristalinitas
lebih tinggi daripada Aurivillius CaBi2Ta2O9.
Penambahan ion Nb telah meningkatkan tingkat kristalinitas senyawa Aurivillius yang disintesis. Tingginya tingkat kristalinitas Aurivillius CaBi2TaNbO9 dibandingkan
dengan CaBi2Ta2O9 berhubungan dengan
proses sintesisnya. Kedua senyawa disintesis pada kondisi suhu pembakaran yang sama, dimana suhu tertingginya adalah 1100 °C. Ion Nb pada Aurivillius CaBi2TaNbO9 telah bisa
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
dan membentuk kristal Aurivillius. Hal ini menyebabkan proses pembentukan kristal Aurivillius CaBi2TaNbO9 mejadi lebih cepat
daripada CaBi2Ta2O9 sehingga menyebabkan
kristalinitas Aurivillius CaBi2TaNbO9 lebih
baik daripada Aurivillius CaBi2Ta2O9.
Perbedaan substituen B pada Aurivillius yakni Ta pada Aurivillius CaBi2Ta2O9 serta
(Ta,Nb) pada Aurivillius CaBi2TaNbO9 pada
kenyataanya tidak menyebabkan perubahan struktur kristal secara signifikan. Kedua senyawa mengkristal pada struktur ortorombik dengan grup ruang Fm2m. Adanya ion Nb
pada Aurivillius CaBi2TaNbO9 meningkatkan
distorsi yang terjadi pada oktahedral Aurivillius dan kristalinitas senyawa yang terbentuk.
Analisa selanjutnya dilakukan dengan XRF untuk mengetahui mengetahui komposisi unsur-unsur Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan
CaBi2TaNbO9.
3.2.2. Analisa X Ray Flouresence (XRF)
Karakterisasi oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 dengan menggunakan XRF bertujuan untuk mengetahui komposisi kimia oksida Aurivillius yang terbentuk. Informasi komposisi yang diperoleh dapat digunakan untuk mengetahui kemunculan fasa-fasa lain atau hilangnya unsur pada saat proses sintesis. Komposisi unsur-unsur reaktan yang terdapat dalam Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 ditunjukkan pada Tabel 3.4.
Tabel 3.4 Komposisi oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 dengan metode XRF
Aurivillius Kadar Unsur dalam % (b/b) Ca Bi Ta Nb
CaBi2Ta2O9 1,76 65 32,6 -
CaBi2TaNbO9 3,34 56,7 25,1 14,8
Tabel 3.4 menunjukkan komposisi unsur-unsur penyusun oksida Aurivillius yang dihitung dalam persen massa. Hasil pengujian dengan XRF terhadap Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 menunjukkan jika kedua senyawa Aurivillius tersebut benar-benar terdiri dari unsur-unsur yang digunakan sebagai reaktannya, yakni unsur Ca, Bi dan Ta untuk senyawa Aurivillius CaBi2Ta2O9 serta unsur Ca, Bi, Ta dan Nb untuk Aurivillius CaBi2TaNbO9. Hal ini mengindikasikan jika tidak ada unsur yang hilang selama proses sintesis. Kadar tiap-tiap unsur dari kedua senyawa Aurivillius selanjutnya dikonversikan ke dalam rasio mol untuk mengetahui perbandingannya dengan jumlah mol tiap unsur secara teoritis. Perhitungan
konversinya disajikan pada lampiran C. Hasil konversi kadar tiap unsur dari oksida Aurivillius dalam rasio mol beserta kadar teoritisnya disajikan dalam Tabel 3.5.
Tabel 3.5 Hasil perbandingan mol secara teoritis dan menurut perhitungan dari hasil karakterisasi dengan XRF
Aurivillius Unsur Teoritis XRF
CaBi2Ta2O9 Ca Bi 1 2 7,04 1 Ta 2 4,00 CaBi2TaNbO9 Ca 1 1 Bi 2 3,34 Ta 1 1,66 Nb 1 1,91
Perbandingan mol komposisi oksida
Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 pada Tabel 3.5 di atas menunjukkan komposisi yang berbeda dari komposisinya secara teoritis. Namun secara secara umum perbadingan rasio mol dari XRF menunjukkan nilai yang lebih besar daripada
perbandingan secara teoritis. Perbedaan
perbandingan komposisi ini disebabkan oleh beberapa hal yakni masih rendahnya homogenitas bahan reaktan selama proses pembakaran pada waktu sintesis atau pada saat proses karakterisasi dengan XRF. Faktor lain adalah kurang optimalnya suhu pembakaran yang mempengaruhi laju difusi.
Homogenitas ini memiliki dua kemungkinan untuk proses karakterisasi dengan XRF, yakni homogenitas reaktan selama proses sintesis dan
homogenitas material Aurivillius saat
dikarakterisasi dengan XRF. Rendahnya
homogenitas reaktan selama proses pembakaran akan berpengaruh pada kesempurnaan reaksi yang terjadi, yakni kesempurnaan difusi ion-ion dari bidang kristalnya ke bidang kristal yang lain. Homogenitas yang rendah tentunya akan menghambat terjadinya difusi ion untuk bereaksi dengan ion dari unsur lain. Akibatnya adalah produk terbentuk dalam kuantitas yang sedikit. Masalah ini telah berusaha untuk diatasi selama proses sintesis dengan melakukan penggerusan ulang di tiap kenaikan suhu pembakaran. Penggerusan bertujuan untuk membentuk bidang kristal baru serta meningkatkan kembali homogenitas material. Hal ini disebabkan karena selama proses pembakaran awal, telah terbentuk bidang-bidang kristal Aurivillius sementara belum seluruh ion reaktan berdifusi. Akibatnya bidang kristal Aurivillius akan menghambat difusi ion-ion reaktan tersebut. Pembentukan bidang kristal baru antara kristal-kristal reaktan diharapkan dapat memperlancar laju difusi sehingga terbentuk produk yang diinginkan. Hasil dari usaha ini bisa dilihat dari difraktogram XRD. Pola XRD
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
menunjukkan jika senyawa Aurivillius telah terbentuk, sehingga dapat disimpulkan jika homogenitas bahan reaktan telah cukup untuk membentuk Aurivillius yang diinginkan.
Analisa dengan XRF menggunakan sinar X dengan energi tertentu yang ditembakkan pada suatu bagian cuplikan, dan bukan keseluruhan dari cuplikan yang dianalisa. Sehingga homogenitas material Aurivillius pada saat pada saat preparasi cuplikan sebelum dikarakterisasi dengan XRF juga berpengaruh terhadap kadar unsur yang teridentifikasi. Perkiraan awal, faktor inilah yang berpengaruh besar pada perbedaan rasio mol teoritis dengan hasil XRF
Analisa Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan
CaBi2TaNbO9 dengan menggunakan XRF
menunjukkan unsur-unsur yang terdeteksi
mempunyai karakteristik energi sinar X seperti ditampilkan pada Tabel 3.7. Energi sinar X karakteristik tiap unsur adalah energi sinar X yang dipancarkan oleh atom disebabkan terjadinya perbedaan energi dari dua kulit atom akibat adanya transisi elektron. Setiap unsur akan menunjukkan puncak yang khas yang menjadi landasan bagi uji kualitatif untuk unsur-unsur yang terdapat dalam material. Contoh untuk memperjelas pernyataan di atas misalnya pada atom niobium. Sinar X karakteristik niobium Kα artinya sinar X yang dihasilkan oleh transisi elektron dari kulit L ke kulit K, sedangkan Kβ adalah sinar X yang dihasilkan oleh transisi elektron dari kulit M ke kulit K atom niobium. Mekanisme serupa terjadi pada atom-atom yang lain, termasuk pada atom-atom-atom-atom yang
menyusun Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan
CaBi2TaNbO9 yakni kalsium, bismut, tantalum dan niobium.
Tabel 3.6 Energi sinar X karakteristik unsur- unsur yang terdeteksi untuk Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9.
Un
sur Kα Kβ X-Ray Line Lα Lβ1 Lβ2 Lγ keV Ca 3,69 0 4,012 0,3421 - - 0,349 Bi 76,3 16 87,328 10,837 13,021 12,978 15,245 Ta 57,0 98 65,212 8,145 9,342 9,650 10,893 Nb 16,5 81 18,729 2,166 2,257 - 2,37 Grafik antara intensitas (cps) dengan energi sinar X karakteristik (keV) unsur-unsur komponen Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 ditampilkan pada Gambar 3.5.
(a)
(b)
Gambar 3.5.Intensitas dan energi sinar X karakteristik unsur-unsur komponen oksida Aurivillius (a) CaBi2Ta2O9 dan (b) CaBi2TaNbO9 Spektrum XRF pada Gambar 3.5 diatas menunjukkan puncak-puncak yang terpisah antara unsur Ca, Bi dan Ta untuk Aurivillius CaBi2Ta2O9. Kecenderungan serupa juga ditemukan pada Aurivillius CaBi2TaNbO9 dimana puncak dari
unsur-unsur penyusunnya juga terpisah.
Terpisahnya puncak unsur-unsur tersebut
disebabkan karena energi sinar X karakterisitik untuk masing-masing unsur jauh berbeda, sehingga pembelahan puncak mudah diamati. Hal tersebut mengindikasikan jika kadar unsur yang dihasilkan dari XRF tidak terlalu dipengaruhi oleh nilai energi yang hampir sama dari suatu unsur (tidak terganggu oleh matriks energi). Hal ini menguatkan perkiraan sebelumnya jika faktor utama penyebab perbedaan rasio mol teoritis dan dari data XRF adalah rendahnya tingkat homogenitas material pada saat preparasi sampel untuk proses karakterisasi.
Analisa XRF menunjukkan jika senyawa Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 terdiri dari komponen-komponen utama penyusunnya. Analisa SEM EDX selanjutnya dilakukan untuk mendukung data komposisi, distribusi unsur-unsur dan morfologi oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9.
3.2.3 Analisa Scanning Electron Microscopy -Energy Dispertion X Ray (SEM-EDX)
Karakterisasi dengan SEM bertujuan untuk mengetahui morfologi permukaan cuplikan
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9. Hasil karakterisasi SEM untuk kedua senyawa Aurivillius dengan perbesaran 25.000 kali ditunjukkan pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6. Morfologi permukaan oksida Aurivillius a) CaBi2Ta2O9 dan b) CaBi2TaNbO9
Gambar 3.6 menunjukkan jika partikel Aurivillius CaBi2Ta2O9 memiliki bentuk yang tidak beraturan, sementara Aurivillius CaBi2TaNbO9 berbentuk batang. Hasil SEM tidak bisa digunakan untuk mengetahui bentuk struktur kristalnya, namun hanya melihat morfologi permukaannya saja. Morfologi bisa berbeda dari bentuk kristal penyusunnya. Partikel yang tampak pada kedua senyawa tersebut menunjukkan bentuk serbuk polikristalin yang di dalamnya terdapat banyak unit sel.
SEM yang dilengkapi dengan EDX dapat digunakan untuk mengetahui komposisi kimia unsur-unsur dalam cuplikan yang diamati SEM. EDX mengukur pancaran sinar X selama penembakan elektron pada SEM untuk menentukan komposisi kimia suatu material dalam skala mikro dan nano. Setiap unsur akan menunjukkan puncak karakteristik yang merupakan landasan bagi uji kualitatif unsur-unsur yang terdapat di dalam cuplikan. Hasil spektrum EDX untuk Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 ditunjukkan pada Gambar 3.7.
Analisa EDX memberikan data tentang komposisi unsur-unsur yang terdapat dalam suatu senyawa Aurivillius. Komposisi unsur (%) dalam senyawa berdasarkan analisa SEM EDX ditampilkan pada Tabel 3.7. Konversi kadar unsur menjadi rasio mol berdasarkan perhitungan pada Lampiran C diunjukkan pada Tabel 3.8.
Komposisi kimia hasil EDX dalam perbandingan mol pada dasarnya memiliki nilai yang hampir sama dengan nilai perbandingan mol secara teoritis. Persamaan dari data yang dihasilkan oleh XRF dan XRD adalah bahwa Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 tersusun dari komponen utama penyusunnya.
(a)
(b)
Gambar 3.7 Intensitas dan energi sinar X
karakteristik unsur-unsur komponen Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan
CaBi2TaNbO9
Tabel 3.7. Komposisi oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9
dengan metode EDX
Aurivillius Kadar Unsur dalam % (b/b) Ca Bi Ta Nb
CaBi2Ta2O9 4,85 50,95 40,20 -
CaBi2TaNbO9 5,93 54,97 25,29 13,82
Tabel 3.8. Perbandingan mol komposisi oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan
CaBi2TaNbO9 secara teoritis serta
dengan metode EDX
Aurivillius Unsur Teoritis EDX
CaBi2Ta2O9 Ca Bi 1 2 2,01 1 Ta 2 1,83 CaBi2TaNbO9 Ca 1 1 Bi 2 1,78 Ta 1 0,94 Nb 1 1,00
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
Oksida Aurivillius CaBi2Ta2O9 tersusun atas unsur Ca, Bi dan Ta, sementara Aurivillius CaBi2TaNbO9 tersusun dari unsur Ca, Bi, Ta dan Nb.Data ini mendukung data dari XRD dimana tidak ditemukan puncak-puncak lain sebagai pengotor di luar reaktan yang digunakan. Namun, masalah utama yang masih dihadapi adalah pada tingkat homogenitas material. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode kimia padat yang memiliki kelemahan dalam hal pengontrolan ion-ion yang berdifusi untuk membentuk struktur baru, sehingga perlu kajian lebih lanjut tentang pengontrolan terhadap suhu reaksi sifat dari bahan reaktan.
Penelitian ini dilakukan dalam satu kali proses sintesis dan karakterisasi tanpa melakukan replikasi atau pengulangan proses sintesis. Replikasi tidak dilakukan karena Aurivillius CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 yang dihasilkan dari satu kali proses sintesis telah dapat memberikan informasi tentang pengaruh perbedaan substituen kation B pada kedua senyawa serta tingkat kemurnian yang terbentuk. Keberadaan dopan Nb pada Aurivillius
CaBi2TaNbO9 meningkatkan tingkat
kristalinitasnya, walaupun pada kedua senyawa masih tampak keberadaan pengotor Ta2O5. Hal ini menunjukkan jika dengan satu kali proses sintesis tujuan penelitian ini telah tercapai sehingga tidak diperlukan replikasi.
IV. Kesimpulan
Aurivillius lapis dua CaBi2Ta2O9 dan CaBi2TaNbO9 telah berhasil disintesis dengan menggunakan metode kimia padat. Kedua senyawa memiliki struktur kristal ortorombik dengan grup
ruang Fm2m. Pengaruh yang tampak dari
penambahan dopan Nb adalah pada intensitas puncak yang dihasilkan dimana intensitas Aurivillius CaBi2TaNbO9 lebih tinggi daripada Aurivillius CaBi2Ta2O9. Hal ini menunjukkan CaBi2TaNbO9 lebih kristalin daripada CaBi2Ta2O9. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan
hidayahNYA.
2. Orang tua tercinta dan seluruh keluarga atas segala doa dan dukungannya baik berupa material maupun spiritual.
3. Ibu Dr. Afifah Rosyidah, M.Si selaku dosen pembimbing dan dosen wali yang telah memberikan waktu, arahan, pemahaman dan segala diskusi serta semua ilmu yang bermanfaat selama penyusunan tugas akhir. 4. Dra. Yulfi Zetra, MS. Sebagai koordinator
kolokium.
5. Teman-teman dan seperjuangan tugas akhir sahabat- sahabat tercinta atas bantuan, semangat dan kerjasamanya.
DAFTAR PUSTAKA
Cullity, B.D., 1956. Elements of X ray diffraction.
Addison-Wesley Publishing Company,
Massachusetts, 84.
Dhak, D., Biswas, S.K. dan Pramanik, K., 2006.
Synthesis and characterization of nanocrystalline SrBi2Nb2O9 ferroelectric ceramics using TEA as the polymeric matrix.
Journal of European Ceramics Society, 26, 3717-3723.
Das, R.R., Bhattacharya, P., Perez, W. dan Katiyar, R.S., 2004. Effect of Ca on structural and ferroelectric properties of SrBi2Ta2O9 and SrBi2Nb2O9 thin films., Ceramics
International, 30, 1175-1179.
Gaikwad, S.P., Dhesphande, S.B., Khollam, Y.B., Samuel, V. dan Ravi, V., 2004.
Coprecipitation method for the preparation of nanocrystalline ferroelectric CaBi2Ta2O9.Material Letters, 58, 3474-3476
Gaikwad, S.P., Pesricha, R. dan Ravi, V., 2005a.
Preparation of nanocrystalline ferroelectric CaBi2Ta2O9 by citrate gel method. Material
Science and Engineering B, 117,159-161 Gaikwad, S.P., Pesricha, R. dan Ravi, V., 2005b.
Preparation of nanocrystalline ferroelectric CaBi2Ta2O9 by urea method. Ceramics
International, 31, 773-775.
Haluska, M.S. dan Misture, S.T., 2004. Crystal structure refinements of the three-layer Aurivillius ceramics Bi2Sr2-xAxNb2TiO12 (A=Ca; Ba; x ¼ 0; 0:5; 1) using combined X-ray and neutron powder diffraction. Journal
of Solid State Chemistry, 17, 1965-1975. Hyatt, N.C., Hriljact, J.A. dan Comyn, T.P., 2003.
Cation disorder in Bi2Ln2Ti3O12 Aurivillius phases (Ln=La, Pr, Nd and Sm.) Material
Research Bulletin, 38, 837-846.
Insyani, L.D., 2011. Sintesis dan karakterisasi aurivillius lapis dua BaBi2Nb2O9 dan BaBi2Ta2O9 dengan metode solid-state.
Skripsi. Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Ismunandar, 2006. Padatan oksida logam :
struktur, sintesis, dan sifat-sifatnya. ITB,
Bandung.
Ismunandar., Hunter, B.A. dan Kennedy, B.J., 1998. Cation disorder in the ferroelectric
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
Aurivillius phase PbBi2Nb2O9: an anamolous dispersion X-ray diffraction study. Solid State
Ion, 112, 281-289.
Ismunandar., Kamiyama, T., Kennedy, B.J. dan Howshikawa, A., 2004. Structural studies of five layer Aurivillius oxides: A2Bi4Ti5O18 (A=Ca, Sr, Ba dan Pb). J.Neutron Res, 13,
183-187.
Junior, N.L.A., Simoes, A.Z., Pianno, R.F.C., Zanetti, S.M., Longo, E. dan Varela, J.A., 2008. Structural and electrical properties of SrBi2(Ta0,5Nb0,5)2O9 thin films., Journal of
Alloys and Compounds, 458, 500-503. Kong, L.B., Zhang, T.S., Ma, J. dan Boey, F.,
2008. Progress in synthesis of ferroelectric ceramic material via high-energy mechanocemical technique. Progress in
Material Sciences, 53, 207-322.
Kumar, S. dan Varma, K.B.R., 2010. Structural, dielectric and ferroelectric properties of four-layer Aurivillius phase Na0.5La0.5Bi4Ti4O15.
Material Science and Engineering B, 172, 177-182.
Li, B., Li. Dan wang, X., 2003. Sintering behavior of bulk SrBi2Ta2O9 prepared by solid state reaction. Ceramics International, 29, 351-353.
Li, Y., Zhang, H., Li, Z. dan Sun, J., 2008.
Electronic structure and photocatalytic properties of ABi2Ta2O9 (A=Ca, Sr dan Ba).,
Journal of Solid State Chemistry, 181, 2653-2659.
Liang, Z., Tang, K., Zheng, S., Wang, D., Li, T.W.
dan Zheng, H., 2008. Synthesis and
characterization of a new four-layer Aurivillius phase Bi2SrNa2Nb4O15 and its protonated form. Journal of Solid State
Chemistry, 181, 1565-2571.
Lu, C.H. dan Wen, C.Y., 2000. Strontium barium bismuth tantalate layered perovskites: thin film preparation and ferroelectric characteristic., Journal of the European
Ceramic society, 20, 739-745.
Macquart, R., Kennedy, B.J. dan Shimakawa, Y., 2001. Cation disorder in the ferroelectric oxide ABi2Ta2O9, A=Ca, Sr, Ba., Journal of
Solid State Chemistry, 160, 174-177.
Mandal, T.K., Sivakumar, T., Augustine, S. dan Gopalaksrishnan, J., 2005. Heterovalent cation-substituted Aurivillius phases, Bi2SrNaNb2TaO12 and Bi2SrNb3-xMxO12
(M=Zr, Hf, Fe, Zn). Material Sciences and
Engineering, 121, 112-119.
Patnaik, P., 2003. Handbook of inorganic chemical compounds, McGraw-Hill, New York, 235.
Peterson, M.S., 2003. Synthesis optimation of Aurivillius phases. Thesis. Alfred University,
USA.
Prasad, N.S. dan Varma, K.B.R., 2003. Structural and dielectric properties of ferroelectric Sr1-xBaxBi2(Nb0,5Ta0,5)2O9 and Sr0,5Ba0,5Bi2(Nb1-yTay)2O9 ceramics., Material Research
Bulletin, 38, 195-206.
Rosyidah, A., 2008. Defek pada oksida Aurivillius dan pengaruhnya terhadap sifat feroelektrik.
Disertasi. Jurusan Kimia, Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung.
Rouessac, F. dan Rouessac, A., 2007. Chemical analysis modern instrumentation methods and technique. Second Edition, John Wiley &
Sons, Chichester, West Sussex, 167.
Schwarzkopf, J. dan Fornari, R., 2006. Epitaxial growth of ferroelectric oxide films. Progress
in Crystal Growth and Characterization of Material, 52, 159-212.
Sibilia, P., 1996. Guide to material
characterization and chemical analysis, 2th
Edition, John Willey-VCH, New York, 265. Shimakawa, Y., Kubo, Y., Nakagawa, Y., Goto, S.,
Kamiyama, T., dan Asano, H., 2000a.
Crystal strucutre and ferroelectric properties of ABi2Ta2O9 (A=Ca, Sr dan Ba)., Physical
Review B, 61, 6559-6564.
Shimakawa,Y., Kubo, Y., Tauchi, Y., Kamiyama, T., Asano, H. dan Izumi, F., 2000b. Structural
distortion and ferroelectric properties of SrBi2(Ta1-xNbx)O.9, Applied Pyysics Letter,
77, 2749-2751.
Smart, L. dan Moore, E., 2005. Solid state chemistry : an introduction, Chapman & Hall
University and Professional Division, London.
Wang, D., Tang, K., Liang, Z. dan Zheng, H., 2010. Synthesis, crystal structure and photocatalytic activity of the new three-layer aurivillius phases, Bi2ASrTi2TaO12 (A=Bi,La).
Journal of Solid State Chemistry, 183, 361-366.
Prosiding KIMIA FMIPA - ITS
Wyantuti, S., 2008. Sintesis Fasa aurivillius Ba2Bi4Ti5O18 dengan Menggunakan Metode Penggilingan Sederhana. Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjajaran.
