REVIEW : ANALISIS THERMAL DAN MORFOLOGI PERMUKAAN UNTUK KARAKTERISASI SERBUK Ba1-xSrxTiO3
Happy Bunga Nasyirahul Sajidah
Laboratorium Kimia Material dan Energi, Departemen Kimia Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya
ABSTRAK
Barium stronsium titanat (BST) merupakan material perovskit yang bersifat feroelektrik. BST memiliki potensi penting untuk digunakan sebagai sel penyimpan muatan dalam DRAM (Dynamic Random Access Memori) karena memiliki konstanta dielektrik tinggi. Konstanta dielektrik senyawa ini dapat mencapai 20.000 dalam keramik BST bulk. Ba1-xSrxTiO3 dapat digunakan dalam berbagai aplikasi industri seperti pembuatan film tipis, keramik dan lain sebagainya. Sintesis keramik dari material perovskit seperti Ba1-xSrxTiO3 memerlukan suhu kalsinasi yang sangat tinggi, sehingga dalam pembuatannya diperlukan suatu karakterisasi menggunakan Differential Thermal Analysis (DTA), Differential Scanning
Calorimetry (DSC), Thermal Gravimetric Analysis (TGA). Selain itu, untuk mengetahui
morfologi dan ukuran kristal dari material tersebut diperlukan suatu karakterisasi menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) dan Transmission Electron Microscopy
(TEM).
Kata Kunci : BST, Ba1-xSrxTiO3, Differential Thermal Analysis (DTA), Differential Scanning
Calorimetry (DSC), Thermal Gravimetric Analysis (TGA), Scanning Electron
Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM)
Konten :
1. Pendahuluan ... 1
2. Hasil dan Pembahasan ... 2
3. Kesimpulan ... 7
1
1. PENDAHULUAN
Barium stronsium titanat (BST) merupakan material perovskit yang bersifat feroelektrik dengan konstanta dielektrik yang tinggi dan resistivitas yang tinggi. BST memiliki potensi penting untuk digunakan sebagai sel penyimpan muatan dalam DRAM (Dynamic Random Access Memori) karena memiliki konstanta dielektrik tinggi [1]. Konstanta dielektrik senyawa ini dapat mencapai 20.000 dalam bulk keramik BST. Material Ba1-xSrxTiO3 dapat digunakan dalam berbagai aplikasi industri seperti pembuatan film tipis, keramik dan lain sebagainya. Konstanta dielektrik yang tinggi disebabkan oleh perpindahan ion Ti dari pusat oktahedral [2]. Karakterisasi serbuk Ba1-xSrxTiO3 banyak dilakukan menggunakan Thermal Analysis seperti TGA/DTA/DSC, selain itu juga dilakukan
karakterisasi permukaan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) dan
Transmission Electron Microscopy (TEM).
Analisis termal dilakukan untuk mempelajari perubahan sifat-sifat fisik materi terhadap kontrol temperatur terpogram. Terdapat beberapa teknik analisis termal yang biasa dilakukan untuk karakterisasi dalam sintesis keramik BST seperti Differential Thermal
analysis (DTA), Differential Scanning Calorimetry (DSC) dan Thermal Gravimetric Analysis
(TGA). DTA merupakan suatu teknik pengukuran perbedaan temperatur antara sampel dengan reference (material yang bersifat inert secara thermal) sebagai fungsi waktu atau temperatur. Data yang dihasilkan berupa kurva temperatur sampel terhadap waktu atau temperatur dan kurva temperatur reference terhadap waktu atau temperatur. Sedangkan DSC merupakan suatu teknik yang digunakan untuk menentukan temperatur dari transformasi material dengan mengkuantisasi panasnya. Data yang dihasilkan berupa kurva aliran panas ke sampel minus aliran panas ke reference terhadap waktu atau temperatur. TGA merupakan teknik pengukuran menggunakan variasi berat sebagai fungsi temperatur pemanasan. Karakterisasi ini digunakan untuk mengetahui berapa hilangnya berat (emisi uap) ataupun bertambahnya berat sampel materi (fiksasi gas). Teknik ini biasa digunakan untuk mengetahui kemurnian sampel, perilaku dekomposisi, degradasi thermal, reaksi kimia yang melibatkan perubahan berat materi akibat adsorpsi, desorpsi dan kinetika kimia. Data yang dihasilkan berupa kurva berat terhadap waktu maupun temperatur [3]. Analisis termal sering digunakan untuk mengetahui pengaruh analisis temperatur terhadap sampel, misalnya pada penelitian Ediati dkk [8] tentang sintesis MOF HKUST-1.
Selain analisis termal, karakterisasi morfologi dari material sampel juga diperlukan untuk mengetahui tekstur atau sifat, ukuran dan susunan partikel penyusun obyek yang berada pada permukaan mauapun detil struktur internal sel. Instrumen yang biasa digunakan
2
dalam karakterisasi morfologi permukaan sampel adalah Scanning Electron Microscopy
(SEM) dan Transmission Electron Microscopy (TEM). SEM merupakan mikroskop elektron yang dapat digunakan untuk mengamati morfologi permukaan dalam skala mikro dan nano dalam suatu sampel. Teknik analisis SEM menggunakan elektron sebagai sumber pencitraan dan medan elektromagnetik sebagai lensanya. Elektron berinteraksi dengan atom-atom pada sampel sehingga membuat sampel menghasilkan sinyal yang memberikan informasi mengenai permukaan topografi sampel, komposisi, dan sifat-sifat lainnya seperti konduktivitas listrik [4]. Sedangkan TEM merupakan suatu instrumen untuk karakterisasi morfologi permukaan bagian internal sel dengan prinsip serupa dengan SEM. Perbedaan yang mendasar dari TEM dan SEM adalah pada cara bagaimana elektron yang ditembakkan oleh penembak elektron yang mengenai sampel. Pada TEM, sampel yang disiapkan sangat tipis sehingga elektron dapat menembusnya kemudian hasil dari tembusan elektron tersebut yang diolah menjadi gambar. Sedangkan pada SEM sampel tidak ditembus oleh elektron sehingga hanya pendaran hasil dari tumbukan elektron dengan sampel yang ditangkap oleh detektor dan diolah [2].
2. HASIL DAN PEMBAHASAN
Suasmoro dkk [1] telah melakukan penelitian tentang pembuatan Ba1-xSrxTiO3 menggunakan prekursor oksalat dengan metode kopresipitasi. Hasil karaktersasi yang didapatkan dari karakterisasi menggunakan TGA/DTA dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Analisis TGA/DTA dengan Prekursor Ba1-xSrxTiO(C2O4)2.4H2O dengan Laju Pemanasan 10 °C/menit.
3
Pada suhu 250 °C, untuk x = 0 mengalami penurunan berat hingga 31% sedangkan pada x = 0,3 mengalami penurunan berat hingga 35%. Hal tersebut dikarenakan terjadinya fenomena endotermik-eksotermik. Fenomena endotermik dikarenakan adanya pemutusan ikatan pada oksalat yang menghasilkan gas CO, dan gas CO tersebut bereaksi dengan udara dan menyebabkan fenomena eksotermik. Sedangkan untuk hasil karakterisasi menggunakan SEM dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. SEM sampel Ba1-xSrxTiO3 yang telah dikalsinasi (a) Kalsinasi T= 700 °C, 2 jam, x = 0; (b) Kalsinasi T= 700 °C, 2 jam, x = 0,2; (c) Kalsinasi T= 1100 °C, 6 jam, x = 0.
Pada hasil karakterisasi menggunakan SEM tersebut, sampel dengan kalsinasi pada suhu 700 °C selama 2 jam mempunyai ukuran kristal sebesar 0,2-2 µm pada aglomerasi dengan ukuran 5 µm. Dari Gambar 2(a) dan (b) dapat dilihat bahwa tidak ada efek substitusi Sr2+ kedalam Ba2+ secara signifikan. Pada temperatur kalsinasi yang tinggi yaitu pada suhu 1100 °C selama 6 jam, didapatkan hasil pertumbuhan kristal yang meningkat.
Sedangkan Wang dkk [5] telah mensintesis nanopowder BST menggunakan
kompleks logam-sitrat sebagai prekursor dengan metode sol-gel. Kalsinasi dilakukan pada berbagai variasi temperatur selama 2 jam dengan laju pemanasan 10 °C per menit dibawah aliran udara untuk mendapatkan serbuk BST. Analisis termal digunakan untuk mengetahui dekomposisi dari prekursor BST (x = 0,3). Kurva TGA menunjukkan adanya penurunan berat
4
yang drastis sebesar 27,6% pada temperatur 162-219 °C, diikuti dengan sejumlah penurunan berat yang kecil pada 219-305 °C dan 305-462 °C. Penurunan berat yang signifikan terjadi pada 462-491 °C disebabkan oleh dekomposisi termal dari kompleks sitrat. Puncak endotermis kurva DSC pada 187,4 oC timbul akibat adanya penguapan komponen yang bersifat volatile. Dua puncak eksotermis muncul pada 252,9 dan 292,2 °C dikarenakan hilangnya beberapa spesi organik akibat pemanasan. Puncak terakhir pada 479,1 oC disebabkan oleh kompleks sitrat yang telah terdekomposisi secara termal. Kurva TGA/DSC hasil termal analisis tersaji pada Gambar 3. Sedangkan hasil karaktersasi SEM nanopowder
Ba1-xSrxTiO3 (x=0.3) dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 3. Kurva TGA-DSC prekursor uncalcined BST (X=0,3)
Gambar 4. SEM serbuk BST yang dikalsinasi pada 950 °C selama 2 jam
Attar dkk [6] juga melakukan penelitian tentang pembuatan keramik nanopowder
Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan melakukan substitasi Bi menggunakan metode sol gel untuk mengetahui sifat struktur dan dielektriknya. Prekursor yang digunakan berupa [Ba(CH3COO)2], [Sr(CH3COO)2], titanium tetraisopropoxide (TTIP) dan [Bi(NO3)3.5H2O. Hasil karakterisasi dari TGA/DSC menunjukkan bahwa endotermik terjadi pada suhu 91 °C
5
dengan ±6% berat yang hilang pada suhu 180 °C. Pada shu antara 250 °C hingga 400 °C berat hilang sebanyak 27% dan muncul puncak eksotermik pada 379 °C akibat adanya dekomposisi organik dan formasi dari BaCO3. Puncak eksotermik yang terjadi pada 476 °C merupakan pembakaran dari sneyawa organik lain., sedangkan pada puncak 585 °C dengan hilangnya berat sebanyak 7% serta pada 642 °C merupakan puncak penggabungan BSTS. Sementara pada suhu 800 °C terbentuk puncak yang menandakan bahwa terjadi transformasi polimorfik dari BST. Hasil TGA/DSC dapat dilihat pada Gambar 5. Sedangkan untuk hasil karakterisasi menggunakan TEM dapat dilihat pada Gambar 6. Hasil tersebut menunjukkan bahwa serbuk yang diamati berupa bentuk gumpalan dalam larutan terdispersi. Seperti yang terlihat, serbuk tersebut menunjukkan morfologi yang seragam dalam ukuran partikel dan bentuknya. Untuk menentukan ukuran partikel rata-rata serbuk, pengukuran dilakukan pada diameter partikel dari beberapa bagian dan rata-rata pengukuran ini dihitung dengan tepat. Berdasarkan metode ini, ukuran partikel rata-rata nanopowder BSTB2 yang disintesis dengan metode sol-gel adalah sekitar 38 nm.
6
Gambar 6. TEM dari Serbuk BSTS2 kalsinasi pada 850 °C selama 2 jam
Sedangkan Zeng dan Fan [7] melakukan penelitian sintesis keramik Ba1-xSrxTiO3 menggunakan metode hidrotermal dengan laju 10 °C/menit dari suhu 30 hingga 1200 °C menggunakan prekursor Ba(OH)2, Sr(OH)2 dan P25-TiO2 untuk mengetahui tentang sifat dari barium stronsium titanat (Ba1-xSrxTiO3) dengan x = 0≤x≤1. Hasil karakterisasi menggunakan TGA/DTA yang didapatkan dapat dilihat pada Gambar 7. Ba0,5Sr0,5TiO3 yang telah disintesis pada suhu 180 °C selama 24 jam didapatkan kehilangan air pada suhu 200 °C sebanyak 1,5% dengan didukung munculnya puncak fenomena endotermik pada DTA. Pada suhu 200 °C hingga 1200 °C tidak terdapat perubahan berat yang melebihi 3 %, hal ini menunjukkan bahwa serbuk prekursor telah membentuk kristal kubik yang baik.
Gambar 7. TGA/DTA Prekursor Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan Metode Hidrotermal pada 180 °C Selama 24 Jam.
Hasil karakterisasi menggunakan SEM dan TEM dapat dilihat pada Gambar 8. Kristal yang dihasilkan berukuran 50-80 nm, dan pada SEM menunjukkan bahwa kristalinitas pada kristal perovskit tersebut tinggi. Hal tersebut menunjukkan bahwa metode hidrotermal tersebut menghasilkan sifat yang baik pada pembuatan barium titanat.
7
Gambar 8. (a) SEM sampel Ba0,5Sr0,5TiO3, (b) TEM sampel Ba0,5Sr0,5TiO3
3. KESIMPULAN
Barium stronsium titanat (BST) merupakan material feroelektrik yang dapat disintesis dengan berbagai metode menjadi serbuk keramik maupun serbuk berukuran nano. Sintesis serbuk dari material perovskit seperti Ba1-xSrxTiO3 memerlukan suhu kalsinasi yang sangat tinggi, sehingga dalam pembuatannya diperlukan suatu karakterisasi menggunakan thermal
analysis seperti TGA/DTA/DSC. Dari karakterisasi menggunakan TGA dapat diketahui berat
yang menghilang atau yang bertambah terhadap temperatur sehingga bisa diketahui kemurnian sampel, perilaku dekomposisi, degradasi thermal, reaksi kimia yang melibatkan perubahan berat materi akibat adsorpsi, desorpsi dan kinetika kimia dari sampel. Sedangkan dari karakterisasi menggunaka DTA dan DSC dapat diketahui kemurnian sampel, temperatur transisi, derajat kristalisasi dan kristalinitas dari sampel. Selain itu, dari karakterisasi menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) dan Transmission Electron Microscopy
(TEM) dapat diketahui morfologi permukaan, tekstrur dan sifat, serta ukuran kristal dari sampel.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Suasmoro, S., Pratapa, S., Hartanto, D., Setyoko, D., dan Dani, U. M., (2000), “The Caracterization of Mixed Titanate Ba1-xSrxTiO3 Phase Formation From Oxalate Coprecipitated Precursor”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 20, hal. 309-314.
[2] Atmasari, R. N., (2013), “Sintesis Senyawa Perovskit Ba1-xSrxTiO3 (x = 0,0; 0,3) Melalui Sintering dan Karakterisasi Struktur dan Dielektrisitas”, Jurusan Fisika, Universitas Negeri Malang.
8
[3] Prasetyoko, D., Fansuri, H., Ni’mah, Y. L., dan Fadlan, A., (2016), “Karakterisasi
Struktur Padatan”, Edisi 1, Deepublish, Yogyakarta.
[4] Voutou, B., dan Stefanaki, E. C., (2008), “Electron Microscopy The Basics”, Physics of
Advanced Material Winter School, hal. 7-8.
[5] Wang, Z., Jiang, S., Li, G., Xi, M., dan Li, T., (2007) “Synthesis and Characterization of Ba1-xSrxTiO3 Nanopowders by Citric Acid Gel Method”, Ceramics International, Vol. 33, hal. 1105-1109.
[6] Attar, A. S., Sichani, E. S., dan Sharafi, S., (2017) “Structural and Dielectric Properties of Bi-doped Barium Strontium Titanate Nanopowders Synthesized by Sol-gel Method”,
J Matter Res Technol, Vol. 6(2), hal. 108-115.
[7] Zeng, M., dan Fan, W., (2014), “Properties of Barium Strontium Titanate (Ba1xSrxTiO3, 0 x 1) Ceramics Prepared by Hydrothermal Process”, Asian Journal of Chemistry, Vol. 26, hal. 2593-2596.
[8] Ediati, R., M. Kahardina, D. Hartanto, (2016), “Pengaruh perbandingan pelarut etanol dan dimetilformamida pada sintesis Metal Organic Framework HKUST-1,”Akta Kimindo, Vol. 1(1), hal. 25-33.
