ARTIKEL PKMP
JUDUL KEGIATAN
MATERIAL CERDAS SECRET INK BERBASIS MODIFIKASI Pr:Y2O3, SrTiO3/PVA
oleh:
NUR LAILA MAHMUDAH
EKO NUR PUJIANTO
ARYA DWI CAHYO U.
MASYRUHAN
4311411041/ 2011
4211409003/ 2009
4350408004/ 2008
4001410067/ 2010
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
SEMARANG
2013
PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA PENELITIAN (PKM-P)
1. Judul Kegiatan : MATERIAL CERDAS SECRET INK BERBASIS MODIFIKASI Pr:Y2O3, SrTiO3/PVA
2. Bidang Kegiatan : ( √ ) PKM-P ( ) PKM-M ( ) PKM-KC ( ) PKM-K ( ) PKM-T
3. Ketua Pelaksana Kegiatan
a. Nama Lengkap : Nur Laila Mahmudah
b. NIM : 4311411041
c. Jurusan : Kimia
d. Universitas : Universitas Negeri Semarang e. Alamat Rumah dan No. Tel/HP : Pekalongan RT 03 RW 02 Batealit
Jepara/ 085726703676
f. Alamat email : ellalaila_18@yahoo.com
4. Anggota Pelaksana Kegiatan/Penulis : 3 orang 5. Dosen Pendamping
a. Nama Lengkap dan Gelar : Dra. Latifah M.Si.
b. NIDN : 0007016110
c. Alamat Rumah dan No. Tel/HP : Semarang/081225851031
6. Biaya Kegiatan Total :
a. Dikti : Rp. 10.000.000,00
b. Sumber lain : Rp.
-7. Jangka Waktu Pelaksanaan : 4 bulan
Semarang, 01 Agustus 2013 Menyetujui
Ketua Jurusan Kimia Ketua Pelaksana Kegiatan
(Dra. Woro Sumarni , M.Si) (Nur Laila Mahmudah)
NIP. 196507231993032001 NIM. 4311411041
Pembantu Rektor Bidang Kemahasiswaaan Dosen Pendamping Universitas Negeri Semarang,
( Prof. Dr. Masrukhi, M.Pd) ( Dra. Latifah M.Si. )
NIP. 196205081988031002 NIDN.0007016110
Telah dilakukan sintesis material cerdas secret ink berbasis modifikasi Pr:Y2O3, SrTiO3/PVA.
Tujuan penelitian yaitu untuk mengetahui pengaruh variasi penambahan Pr terhadap aktivitas luminisens Pr:SrTiO3,Y2O3 dan hasil karakter kristal terbaik dari penambahan Pr terhadap
Pr:SrTiO3,Y2O3 untuk aplikasi sebagai secret ink. Sintesis SrTiO3:Pr dilakukan dengan metode
sonokimia dengan pelarut alkohol dan air. Suhu kalsinasi serbuk oksida pada 800°C selama 3 jam demi mendapatkan fasa perovskit. Karakter kristal yang didapatkan menggunakan analisis XRD berupa fasa anatase (TiO2) pada puncak tertinggi 2θ: 25,2607° sesuai referensi JCPDS No.
21-1272 (TiO2 anatase), Pr peak 2θ: 23,754° sesuai referensi JCPDS No. 82-0935, SrTiO3 peak
2θ: 32,424° standard JCPDS No. 05-0634 . Pengukuran energi gap oleh DR-UV sampel % mol SrTiO3:Pr dan optimum (40%) SrTiO3/Y:Pr0,2 memiliki nilai 3,84 eV dan 3,59 eV. Penambahan
% mol Pr dan penyisipan Yttrium berpengaruh terhadap sifat luminisens senyawa pada pengukuran oleh cahaya UV λ 254 dan 365 nm. Morfologi permukaan dengan analisa SEM terlihat seragam dan tidak terlalu signifikan. Pada SrTiO3:Pr distribusi molekul di permukaan
hampir merata, terjadi penggerombolan molekul TiO2. Hasil scanning menunjukkan bahwa
sintering mempengaruhi penumpukan dan homogenisasi kristal. Fasa kubik terlihat jelas dalam penyusunan kristal SrTiO3:Pr. Emisi warna orange terlihat sedikit pada sampel SrTiO3/Y:Pr0,2
pada penyinaran UV λ 254 nm. Hal ini dapat disebabkan sedikitnya luminisens yang dihasilkan.
Kata Kunci: SrTiO3:Pr dan Y2O3, Tinta rahasia
Have performed the synthesis of smart materials-based modification of secret ink Pr: Y2O3,
SrTiO3/PVA. The research objective is to determine the effect of variations in addition to the
activity luminisens Pr Pr: SrTiO3, Y2O3 and crystalline character best result of the addition of Pr
to Pr: SrTiO3, Y2O3 for application as a secret ink. Synthesis of SrTiO3: Pr done by sonochemical
method with solvent alcohol and water. Oxide powder calcination temperature at 800 °C for 3 hours in order to obtain the perovskite phase. Character crystals obtained using XRD analysis in the form of anatase phase (TiO2) on the highest peak of 2θ: 25.2607° corresponding JCPDS No.
reference. 21-1272 (anatase TiO2), Pr peak 2θ: 23.754° corresponding JCPDS No. reference.
82-0935, SrTiO3 peak 2θ: 32.424° standard JCPDS No. 05-0634. Measurement of the energy gap by
DR-UV samples mol% SrTiO3: Pr and optimum (40%) SrTiO3/ Y: Pr0,2 has a value of 3.84 eV
and 3.59 eV. The addition of Pr and insertion mol % Yttrium effect on the properties of the compound luminisens measurements by UV light λ 254 and 365 nm. SEM analysis of the surface morphology with a uniform look and is not too significant. On SrTiO3: Pr distribution of
molecules at the surface are almost evenly, going TiO2 molecules clump. Scanning results
showed that the influence of sintering and homogenization crystal buildup. Cubic phase is evident in the preparation of crystalline SrTiO3: Pr. Emissions orange color looks a little on
SrTiO3 samples / Y: Pr0,2 at λ 254 nm UV irradiation. This could be due at least luminisens
generated.
Keywords: SrTiO3: Pr and Y2O3, Inks secret
Latar Belakang Masalah
Peranan tinta dewasa ini tidak dapat dilepaskan dari kehidupan manusia sehari hari mulai dari bidang seni, jurnalistik, sampai pada industri percetakan. Penyampaian informasi yang tepat dan aman disadari sangat penting, karena diantara informasi yang akan disampaikan ada yang bersifat rahasia, yang hanya boleh diketahui bagi orang-orang tertentu saja. Berdasarkan fenomena tersebut maka timbullah gagasan untuk membuat tinta nir-warna sebagai tinta rahasia, dimana untuk dapat membaca suatu informasi yang ditulis dengan menggunakan tinta ini diperlukan adanya bahan lain melalui perlakuan tertentu pula. Pada umumnya cara kerja tinta berdasarkan pada reaksi asam basa dan penyinaran UV maupun fluoresen. Pada pembuatan tinta Nirwarna digunakan bahan dasar yang sudah umum kita kenal yaitu kalium hidroksida, indikator phenolphthalein dan uap ammonia. Penggunaannya hingga dewasa ini terbatas pada kalangan tertentu saja, pada orang-orang yang ingin menyampaikan sesuatu yang rahasia melalui sebuah surat (Carrusella, 1997).
Metode pembuatan tinta yang sedang berkembang adalah tinta berbahan dasar nanopartikel yang berluminisens, yaitu teknologi memanfaatkan sifat luminisens dari suatu zat sehingga dapat memancarkan spektra khusus. Spektra tersebut terjadi akibat adanya absorbsi energi cahaya oleh suatu zat, yang kemudian menyebabkan elektron dari zat tersebut tereksitasi, dan ketika kembali ke keadaan ground state kelebihan energi dipancarkan bentuk cahaya. Bahan yang memiliki sifat luminisens salah satunya adalah SrTiO3, yang memiliki sifat luminisens pada
suhu kamar yaitu berupa blue emission yang teramati dengan irradiasi-Ar. Penambahan dopan Pr dapat dilakukan untuk merubah emisi SrTiO3 dengan hasil red emission, dan untuk
meningkatkan sifat luminisensnya diperlukan adanya penambahan dopan Al, Ga, dan In, sehingga dapat diamati dibawah eksitasi sinar UV. Ion Pr3+ akan mensubtitusi sebagian ion Sr2+
dan ion (Al3+, Ga3+ dan In3+) akan mensubtitusi sebagian ion Ti4+ (Wang et al. 2009). Beberapa
tahun terakhir, peneliti di dunia mengembangkan tinta luminisens yang menggunakan senyawa fosfor. Manfaatnya, tinta ini potensial untuk mendeteksi setiap pemalsuan, perubahan, dan perdagangan tidak sah. Tinta ini berguna untuk aplikasi tinta keamanan, yang merupakan sangat efektif hemat biaya metode dokumen perlindungan berharga dan produk terhadap penipuan. Tinta bercahaya juga memenuhi aplikasi di optoelektronik seperti untuk pengembangan LED, teknologi inject printing (Mauthner et al., 2008).
Penelitian mengenai sintesis SrTiO3 sudah banyak dilakukan dan menghasilkan partikel
ukuran nanometer. Penelitian Yu et al.(2003), melaporkan sintesis dilakukan dengan metode sonokimia variasi pelarut etanol dan pada suhu 100 °C teramati puncak perovskite oleh XRD. Intensitas puncak SrTiO3 dalam XRD naik seiring dengan kenaikan temperatur dan pengotor
SrCO3 yang berkurang pada sintesis SrTiO3:Al,Pr serta fasa terbentuk pada suhu 600 °C seperti
yang dilaporkan Park et al., (2001) oleh metode prekursor polimer kompleks. Sedangkan, sintesis Y2O3 dilakukan oleh Astuti et al., (2009) dengan doping Eu3+ didispersikan dalam PVA
untuk menghasilkan tinta luminisens.
Berdasarkan latar belakang di atas akan dilakukan penelitian tentang sintesis senyawa SrTiO3 yang didopan Pr (SrTiO3:Pr) dan Y2O3 didopan Pr untuk aplikasinya sebagai tinta
Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Mengetahui pengaruh variasi penambahan Pr terhadap aktivitas luminisens Pr:SrTiO3,Y2O3.
2. Mengetahui hasil karakter kristal terbaik dari penambahan Pr terhadap Pr:SrTiO3,Y2O3
untuk aplikasi sebagai secret ink.
METODE
Alat dan bahan yang digunakan
Alat yang digunakan adalah alat gelas (Pyrex), magnetik stirer (IKAMAG), oven pengering Memmert, Furnace Thermolyne 6000, neraca analitik (Ohaus), ultrasonik cleaning bath Branson 1510 (45kHz) 75 W, difraktometer sinar-X PANalytical PW3373, diffuse reflectance-UV (DR-UV), scanning electron microscoopy - energy dispersive x-ray spectroscopy (SEM-EDX), lampu UV 254 dan 365 nm, PL (Luminesence). Bahan yang digunakan Sr(OH)2.8H2O p.a (E. Merck), Pr(NO3)3.6H2O p.a (E.Merck), Y(NO3)3.6H2O, Ti[OCH(CH3)2]4, ,
etanol (Merck), HNO3, polietilen glikol 4000, polivinil alkohol (PVA), asam asetat glasial, etilen
glikol, aquades dan aqua demin, kertas whatman.
Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Penelitian ini dilaksanakan selama 4 bulan (Maret-Mei 2013). Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Kimia Fisik Jurusan Kimia FMIPA UNNES. Karakterisasi XRD,DR-UV di Laboratorium Kimia Jurusan Kimia Analitik dan Fisika FMIPA UGM dan Lembaga Penelitian Geologi Bandung untuk SEM.
Langkah Kerja Preparasi SrTiO3:Pr
Sebanyak Titanium isoproksida (TiIPP) 0,02 mol dilarutkan dalam etanol yang kemudian tambahkan 0,01996 mol Sr(OH)2.8H2O dan 0,2% mol Pr(NO3)3.6H2O dalam air deionisasi
dengan jumlah yang cukup untuk menghidrolisis TiIPP. Total volume etanol : air dijaga tetap yaitu 40 mL (2:1). Lalu dilakukan sonikasi selama 30 menit. Selama sonikasi, temperatur penangas yang digunakan adalah temperatur kamar (25oC). Endapan putih SrTiO
3:Pr yang
didapat disaring dan dicuci dengan CH3COOH 0,1M untuk menetralkan sisa hidroksida yang
mungkin masih terdapat dalam endapan. Pencucian berikutnya dilakukan dengan etanol untuk melarutkan kelebihan TiIPP. Sampel dikeringkan pada temperatur 100 oC dalam oven, dan post
annealing dilakukan pada suhu 100, 600, 800 oC untuk mencari suhu optimum pertumbuhan
kristal SrTiO3:Pr. Annealing dilakukan selama 3 jam.
Preparasi Pr:SrTiO3,Y2O3 :
Sebanyak PEG, Sr(OH)2.8H2O dan Y(NO3)3.6H2O dicampur jadi satu dengan dilarutkan
dalam air destilasi. Campuran diaduk pada suhu 100 oC selama 2 jam. Produk dikeringkan dalam
Pembuatan tinta rahasia (modifikasi penelitian Mighfar,2010 dan Astuti, 2009)
0,15 gr kristal SrTiO3 dopan Pr, Y2O3 dopan Pr dan Pr:SrTiO3, Y2O3 hasil preparasi di
haluskan sehingga diperoleh luas permukaan yang besar, kemudian ditambah PVA 5% sebanyak 2 mL, 10 mL etanol, dan disonikasi selama 30 menit sehingga homogen.
Aplikasi
Pengujian dilakukan terhadap sampel Pr:SrTiO3, Y2O3:Pr dengan menggunakan lampu
UV dan diamati spektra luminisensnya. Untuk pengujian tinta dapat dilakukan dengan melapiskan tinta pada suatu kertas atau dengan mencetak suatu tulisan, dan dilihat bagaimana hasilnya jika dilihat dengan cahaya visibel dan lampu UV.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sintesis SrTiO3:Pr
Sintesis senyawa dilakukan dengan metode sonokimia yaitu aplikasi gelombang suara (ultrasonik) dalam proses dan reaksi kimia. Penambahan TiIPP dalam larutan menyebabkan terjadinya kenaikan viskositas, maka diperlukan etanol untuk mengurangi kekentalan dan mencegah hidrolisis TiO2 lebih lanjut.Hasil terlihat suspensi berwarna putih. Suspensi tersebut di
oven untuk menghilangkan sisa-sisa alkohol. Doping Pr akan menambah sifat luminisens pada senyawa SrTiO3, karena SrTiO3 tidak memancarkan luminisens pada suhu kamar. Menghasilkan
sampel berwarna merah kecoklatan yang diakibatkan senyawa SrCO3 yang tersisip saat kalsinasi.
Karakterisasi X-Ray Diffraction (Difraksi Sinar-X)
Sampel hasil sintesis dengan perlakuan annealing pada suhu 8000C selama 3 jam. Suhu
ini adalah suhu optimum yang dipakai untuk mengetahui fasa kristal perovskit. Semakin tinggi suhu akan mempengaruhi kristalinitas senyawa. Pola difraksi pada pemanasan 800 0C
ditunjukkan oleh Gambar 4.
Gambar 4. Pola difraksi seluruh sampel dipanaskan pada suhu 800 0C selama 3 jam
Pola di atas menggambarkan bahwa kristalinitas Pr menurun dengan semakin bertambahnya % mol dalam SrTiO3/Y:Pr. Gambar 1 memperlihatkan bahwa setiap sampel
terbentuk fasa sesuai standard JCPDS. Pada suhu 8000C, fasa anatase (2θ: 25,31) JCPDS
84-1286 TiO2 masih terlihat dan pergeseran ke fasa rutil (2θ: 27,43) JCPDS 78-2485 tidak terlalu
signifikan. Pengotor TiO2 fasa anatase dan rutil (material non luminisens) juga menyebabkan
penurunan sifat luminisens pada pengamatan di bawah eksitasi sinar UV (Mighfar, 2010). Terdapat banyak pengotor dalam sintesis material tersebut.
Pengukuran DR-UV SrTiO3:Pr dan SrTiO3/Y:Pr3+
Hasil pengukuran menggunakan UV 1700 Pharmaspec UV-Vis Spektrofotometer Specular Reflektansi menandakan bahwa penyerapan maksimum absorbansi pada sampel penambahan Pr 0,2% mol memiliki absorbansi lebih tinggi. Energi gap yang dihasilkan sekitar 3,84 dan 3,59 eV masih berada pada rentang UV dan semikonduktor yang ditampilkan pada Gambar 5. Bertambahnya Pr dapat mempengaruhi loncatan elektron dari ground state dengan kecilnya band gap 3,59 eV yang diharapkan kembali dari kondisi eksitasi ke kondisi ground dan memancarkan spectra emisi.
Gambar 5. Kurva Energi gap SrTiO3:Pr (kiri) dan SrTiO3/Y:Pr0,2 (kanan)
Terlihat dari spektum absorbansi kristal Gambar 5, populasi terbesar elektron ditunjukkan
dengan terbentukya peak dengan intensitas absorbansi tertinggi pada SrTiO3/Y:Pr0,2. Namun
dalam kristal SrTiO3:Pr menunjukkan adanya 1 peak dengan suatu peak bahu yang terbentuk
pada 268 nm, dimungkinkan terjadi transfer eksitasi dari atom Sr-Ti-Pr dimana atom Sr merupakan senyawa host lattice yang mengabsorbsi energi kemudian didistribusikan ke orbital kosong yang dimiliki atom Ti dan selanjutnya diteruskan ke aktivator ion Pr3+, sehingga dengan
sejumlah energi yang cukup untuk mengeksitasi elektron. Penelitian Mighfar (2010), melaporkan bahwa kristal SrTiO3:Pr hasil sintesis menunjukkan serapan absorbansi sebesar 346 nm. Hal ini
mungkin pengaruh pencampuran larutan dan kalsinasi yang berbeda. Penelitian Mighfar (2010), menggunakan suhu kalsinasi 1000°C sehingga intensitas serapan absorbansinya lebih tinggi dan pergeseran λ jauh lebih panjang. Sedangkan penelitian ini, suhu yang dipakai 800°C.
Hasil scanning electron microscopic (SEM) SrTiO3:Pr
Morfologi dengan scanning electron microscopic menunjukkan bahwa susunan kristal yang seragam yang tidak terlalu signifikan permukaannya. Pada SrTiO3:Pr distribusi molekul di
permukaan hampir merata, terjadi penggerombolan molekul TiO2. Tanda panah hasil foto
Gambar 6 menunjukkan bahwa sintering mempengaruhi penumpukan dan homogenisasi kristal. Fasa kubik terlihat jelas dalam penyusunan kristal SrTiO3:Pr.
Gambar 6. Scanning SrTiO3:Pr
Hasil Penyinaran UV 254 dan 365 nm
Pembuatan tinta atau koloid tinta, menggunakan proses sonikasi selama 30 menit untuk menjadikan larutan tinta menjadi stabil. Penelitian ini menggunakan PVA untuk dispersi larutan tinta. Selain itu juga ada hal lain yang dapat mempengaruhi kestabilan koloid yaitu penambahan etilen glikol seperti yang dilaporkan Mighfar (2010). Penambahan etilen glikol dilakukan sebagai bahan penstabil agar koloid kristal SrTiO3:Pr, Al tidak mengendap dengan cepat. Penambahan
PVA sama halnya dengan penelitian Astuti (2009), untuk dispersi larutan menjadi cairan putih kental. Penelitian tersebut menggunakan suhu 30-40°C dan 50°C untuk dispersi larutan supaya menjadi putih kental. Hanya sampel yang dipakai berbeda dengan penelitian ini yaitu, Y2O3:Eu3+.
Hasil koloid sampel SrTiO3:Pr ditunjukkan pada gambar 8.
Gambar 8. Koloid sampel SrTiO3:Pr/PVA
Gambar 9. Kertas terlapis luminisens SrTiO3/Y:Pr0,2 pada pemaparan sinar visible 254 (kiri) dan
365 nm (kanan)
Gambar 9. Kertas terlapis tinta luminisens semua sampel pada pemaparan UV 254 (kiri) dan SrTiO3/Y:Pr0,2 365 nm (kanan)
Gambar 10. Kertas terlapis bijih serbuk tinta SrTiO3/Y:Pr0,2 pada pemaparan UV 365 nm
KESIMPULAN
1. Penambahan % mol Pr dapat mempengaruhi penumbuhan kristal dan luminisens yang dihasilkan dengan adanya penyisipan material yttrium ke dalam SrTiO3/Y:Pr.
2. Hasil Kristal terbaik terdapat pada sampel SrTiO3/Y:Pr0,2 yang ditunjukkan oleh difraktogram
XRD di atas.
DAFTAR PUSTAKA
Astuti, Mikrajudin Abdullah dan Khairrijal. 2009. Synthesis of Luminescent Ink fromEuropium-Doped Y2O3 Dispersed in Polyvinyl Alcohol Solution. Hindawi Publishing Corporation
Advances in OptoElectronics. Article ID 918351,8pages\\doi:10.1155/2009/918351. Bandung: Department of Physics, Bandung Institute of Technology.
Carrusella, B., 1997, Ink and Secret Messages, Bizarre stuff, New York.
Kulwawik, J, D. Szwagierczak, & B. Gröger. 2007. Investigations of properties of ceramic materials with perovskite structure in chosen electronic applications. Bulletin of The Polish Academy of Science. Vol. 55, No. 3, 2007.
Longo, V. M. A.T. de Figueiredo, S. delazaro, M. F. Gurgel, M.G.S. Cosata, C.O. Paiva Santos, J. A. Varela, E. longo, V.R. Mastelaro, F.S. DE Vicente, A.C. Hernandes, dan R.W.A. Franco. 2008. Structural Condition that Leads to Photoluminescence Emission in SrTiO3: An Experimental and Theoretical Approach. Journal of Applied Physics 104
Mhlongo, Hlengiwe G. 2011. Luminescence investigation of trivalent rare earth ions in sol-gel derived SiO2 and ZnO co-doped SiO2:Pr3+. Thesis. Faculty of Natural and Agricultural
Sciences Department of Physics, University of Free State.
Mauthner, K. Landfester, A. Kock, et al. 2008. Inkjet printedsurface cell light-emitting devices froma water-based polymerdispersion. Organic Electronics, vol. 9, no. 2, pp. 164–170. Mighfar, S. 2010. Sintesis SrTiO3:Pr,Al Dengan Metode Sonokimia Serta Aplikasi Sifat
Luminisensnya Sebagai Tinta Rahasia. Tugas Akhir II. Jurusan Kimia, FMIPA UNNES. Okamura, H, M. Matsubara, T. Nanba, K. Tanaka. 2005. Far-infrared Revlectivity Measurement
of SrTiO3. Graduate School of Science Kyoto Unyversity, Japan
Park, Joung Kyu, Hojin Ryu, Hee Dong Park, Se-Young Choi. 2001. Synthesis of SrTiO3: Al,Pr
phosphorus from a complex precursor polymer and their luminenscent propertis. Journal of the European Ceramic Society. 21 (535-532).
Shimakawa,Yuici, Daisuke Kan, & Osami Sataka. 2007. Structural Charactherization of Ar+
-Irradiated SrTiO3 Showing Room-temperature Blue Luminescence. Material science.
62-63
Sole, J. Gracia, L. E. Bausa and D. Jaque. 2005. An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Soilds. Universidad Autonoma de Madrid: John Willey & Sons Ltd
Wang, Wei. Chunge Jiang, Mingrong Shen, Liang Fang, Fengang Zheng, Xinglong Wu, & Jiancang Shen. 2009. Effect Oxygen Vacancies on The Red Emission of SrTiO3: Pr3+
Phospor Films. Applied Physics Latter 94 081904. American Institute of Physics.
Wolfram, T dan S. Ellialtioglu. 2006. Electronic and Optical Properties of d-band Perovskite. New York: Cambrigde University.
