PENGARUH TEMPERATUR PERLAKUAN PANAS PADA SIFAT
MAGNETIK MATERIAL Bi
0,95Mg
0,05FeO
3DENGAN METODE SOL-GEL
AUTO COMBUSTION
Rissa
1, Bambang Soegijono
2, Arief Sudarmaji
1Departemen Fisika, FMIPA UI, Kampus UI Depok 164242Ilmu Fisika, Pascasarjana Universitas Indonesia Salemba 4 Jakarta 10430
Abstrak
Material Bi1-xMgxFeO3 dengan nilai x=0,05 dibuat melalui metode sol-gel autocombustion. Material
dibuat dari campuran larutan bismuth nitrat, ferit nitrat dan serbuk Magnesium. Material ini dikalsinasi pada temperatur 180oC selama 2 jam setelah diperoleh gel saat pembuatan. Setelah itu
material di kalsinasi kembali pada temperatur 450oC, 500oC dan 550oC pada waktu yang
berbeda-beda yaitu 2.4 dan 6 jam pada tekanan udara 1 atm. Pengaruh dari temperature perlakuan panas dan sifat magnetic material paduan Bi1-xMgxFeO3 ini menjadi focus yang akan dipelajari. Material ini akan
dikarakterisasi dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Permagraph, Differential Scanning
Calorymetry (DSC) dan Thermo Gravimetric Analysis (TGA). Hasil karakterisasi XRD menunjukkan
bahwa setelah material dikalsinasi pada waktu dan temperatur demikian, material menunjukkan 3 fasa yang berbeda. Secara umum hasil pengujian Permagrapf pada suhu ruang menunjukkan bahwa material tersebut bersifat paramagnetic dengan nilai medan magnet saturasi, ,koersifitas dan magnetisasi remanen yang berbeda. Namun, perlakuan panas yang dilakukan menyebabkan nilai remanen cenderung menurun seiring dengan bertambahnya waktu dan temperatur pemanasan.
Abstract
Bi1-xMgxFeO3 compound with x=0,05 has been made by sol-gel auto combustion method. Material
was obtained by aqueous mixtures of Bismuth Nitrate, Ferrite Nitrate and Magnesium powders. Sample was calcinated at temperature 180oC for 2 hours after the material become gel while
synthesized. Then the sample divided into three samples to be calcinated at temperature 450oC, 500oC
and 550oC for 2,4 and 6 hours in static air atmosphere. The effect of the calcinations temperature and
the magnetic properties of Bi1-xMgxFeO3 compounds are about to be the focus of the study. The
samples were characterized using X-Ray Diffraction (XRD), Permagraph, Differential Scanning
Calorymetry (DSC) and Thermo Gravimetric Analysis (TGA). The characterization using XRD shows
that the sample exhibit 3 different phases. Generally, Permagraph testing at room temperature shows that this material is paramagnetic material with different value for magnetic saturation, coersivity and remanence magnetization. With the increasing of temperature and the time of calcinations, the remanence magnetization tends to be decrease.
1. PENDAHULUAN
Belakangan ini penelitian menggunakan bahan multiferroik menarik untuk dikaji oleh para peneliti karena banyaknya aplikasi yang dapat diterapkan menggunakan bahan multiferroik terutama dalam dunia industri seperti penggunaannya untuk osilator, filter, memori, magnetoelektrik, sensor dll [1].
Sejauh ini ada sejumlah senyawa yang
menunjukan sifat multiferoik. Pertama kali bahan
multiferoik ditemukan adalah berupa bahan
feromagnetik Ni3B7O13I (Nickel Iodone Baracite).
Selanjutnya ditemukan bahan multiferoik seperti (1-x)Pb(Fe1/3W1/3)O xPb(Mg1/2W1/2)O3, Pb(CoW)O7,
BiFeO3, YMnO3 dan RMn2O5 serta RMn2O5.
Penelitian tentang bahan multiferoik akhir-akhir ini terfokus untuk aplikasi dalam rangkaian elektronika [12].
Pada penelitian kali ini, peneliti lebih memfokuskan kepada bahan multiferroik BiFeO3
yang didopping dengan Magnesium dengan
perumusan Bi1-xMgxFeO3 dengan nilai x=0,05 dan
melihat bagaimana karakteristik material multiferroik tersebut. Peneliti juga akan melihat bagaimana pengaruh subtitusi Magnesium terhadap sifat kemagnetan material multiferroik tersebut.
Adapun tujuan penelitian ini yaitu:
1. Mempelajari cara dan tahapan pembuatan Bismut Ferrite (BiFeO3) dengan substrat Mg
dengan metode Sol-Gel Auto Combustion 2. Melakukan karakterisasi sampel BiFeO3
didoping oleh Mg yang sudah dibuat dengan
menggunakan XRD,DSC,TGA, dan
Permagraph
3. Menganalisis sifat magnetic dan sifat termal dari BiFeO3 dengan substrat Mg yang sudah
dibuat berdasarkan hasil karakterisasi.
2. METODE PENELITIAN
Pada penelitian ini material multiferoik yang digunakan adalah BiFeO3 atau Bismuth Ferrite yang
didopping dengan Magnesium (Mg) dengan
komposisi bahan Bi0,95Mg0,05FeO3 yang disintesis
menggunakan metode sol-gel. Dalam pembuatan Bi0,95Mg0,05FeO3 diperlukan beberapa senyawa awal
atau precursor yaitu padatan Mg, Bi5O(OH)8(NO3)4 dan Fe(NO3)3.9H2O. Namun dalam proses sol-gel diperlukan senyawa fuel yang dalam penelitian kali ini menggunakan asam sitrat atau Citric Acid (C6H8O7). Perhitungan stoikiometri bahan-bahan yang digunakan dihitung menggunakan Ms.Excel.
Tahap awal pembuatan material sampel
Bi0,95Mg0,05FeO3 yaitu dengan melarutkan semua
precursor dengan asam sitrat dan aqua bidestilata
sesuai dengan perhitungan stoikiometri yang sebelumnya telah dihitung.
Setelah terbentuk larutan, kemudian dipanaskan dengan meletakkan gelas beaker berisi larutan tersebut diatas hot-plate yang sebelumnya telah diletakkan stirrer didalam gelas tersebut sebagai alat pengaduk saat proses pemanasan berjalan. Hot-plate harus selalu dijaga temperature pemanasannya dengan menaikkan atau menurunkan temperature pemanasan agar temperature sample kontan berkisar di suhu 80o hingga 90o dari awal pemanasan hingga
senyawa campuran tersebut membentuk gel.
Setelah terbentuknya gel kemudian diberi perlakuan panas selama 2 jam pada temperatur 180oC. Proses pemanasan ini dilakukan agar
menghilangkan impuritas yang masih terkandung dalam sampel seperti kadar air, oksigen ataupun karbon, sehingga hasil akhir yang diharapkan adalah sampel tersebut tidak lagi menjadi gel namun menjadi padatan karena hilangnya kadar air yang terkandung dalam sampel akibat perlakuan panas.
Tabel 1. Nama bahan, rumus kimia, massa material yang dibutuhkan, merek dagang dan kemurnian bahan
penyusun material Bi0,95Mg0,05FeO3 sebanyak 20 gram
No Nama Rumus Kimia Produk Mr Kemurnian
Massa Material
(gr)
1 Fer(III) Nitrate
Nonahydrate Fe(NO3)3.9H2O Merck 403,847 99% 27,3265
2 Bismuth (III)
Nitrate Bi5O(OH)9(NO3)4 Merck 1461,9 99% 18,7890
3 Citric Acid
Monohydrate C6H8O7 Merck 192,123 99 % 25,9906
4 Padatan
Magnesium Mg 24,305 99,99% 0,0822
Hasil dari pemanasan pada temperatur 180o selama 2
jam tersebut selanjutnya akan digunakan untuk kalsinasi pada suhu 450o,500o dan 550o untuk
kemudian digunakan untuk karakterisasi permagraf dan XRD.
Identifikasi pola difraksi material diamati menggunakan teknik difraksi sinar-X. Dalam penelitian ini digunakan Difraktometer Sinar-X Philips, tipe PW 2256~20, radiasi CoKα , panjang
gelombang λ = 1.788965 Å dengan sudut difraksi awal 20° sampai 90° dengan pergeseran sudut difraksi 0.002°. Fasa-fasa yang terbentuk didalam kurva XRD kemudian diamati dengan software
Match. Penentuan sifat magnetic material dilakukan
dengan melakukan pengujian material dengan
Permagraf dimana output yang dihasilkan
menunjukkan kurva histerisis yaitu kuat medan magnet terhadap kerapatan fluks.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengukuran material Bi0,95Mg0,05FeO3
menggunakan alat DSC menghasilkan grafik yang menunjukkan bagaimana energi yang diberikan atau
sebanyak 102.703 mg dan temperature pemanasan mulai dari 30oC hingga 1000oC dimana terjadi rentan
kenaikan sebesar 10oC per menit. Pada gambar 1
menunjukkan dua reaksi energi yang terjadi yaitu reaksi endoterm dan reaksi eksoterm. Pada awal perlakuan diberikan panas pada saat pengujian, terlihat pada grafik bahwa aliran panas diatas 0 mW yang merupakan reaksi endoterm yang artinya material mendapatkan panas. Pada temperatur 130.04oC dengan aliran energy sebesar 55.46 mW
terjadi penurunan energi namun sempat turun kembali tidak lama hingga pada temperature 148.23oC dengan aliran energi sebesar 54.40 mW.
Gambar 1. Gabungan hasil pengujian material
Namun pada saat temperature tersebut, energi berkurang secara cukup signifikan dimana tidak lama setelah pemanasan pada temperature tersebut, reaksinya menjadi reaksi eksoterm atau terjadi peristiwa pelepasan panas. Pada rentan suhu tersebut merupakan proses terjadinya auto-combustion ditandai dengan mulai terbentuknya material BiFeO3.
Reaksi eksoterm dengan energy terendah terjadi pada temperature 161.96oC dengan aliran energi sebesar
-391.18 mW namun kembali naik energinya hingga pada temperature 174.49oC dengan aliran energy
sebesar -12.16 mW. Lalu aliran energy cenderung menurun hingga aliran energy paling minimum tercapai pada temperature 603.46oC dengan heat flow
sebesar -100.70oC. Pada akhir pengujian yaitu pada
temperature 999.98oC diperoleh aliran energy sebesar
122.13 mW. Adapun hasil pengujian dengan DSC dapat dilihat pada Gambar 1 dan beberapa titik pengukuran aliran energy yang diberikan terhadap temperature pemanasan pada saat pengujian dapat dilihat pada Tabel 2.
Hasil pengukuran material BiMgFeO3 dengan menggunakan TGA menunjukkan bagaimana massa material terhadap temperature kalsinasi. Pada awal pemanasan hingga pada suhu pemanasan sekitar 120o
terjadi penurunan massa yang cukup signifikan, namun pada suhu sekitar 180o penurunan massa yang
terjadi cenderung lebih stabil walaupun terjadi
penurunan massa seiring dengan besarnya
temperature pemanasan.
Grafik gabungan hasil pengujian material DSC dan TGA menunjukkan mengapa terjadi penurunan massa secara drastic pada suhu sekitar 120o dimana
menunjukkan bahwa karena terjadi proses auto
combustion atau proses pembakaran untuk menjadi material BiFeO3 sehingga terjadi penurunan massa
yang cukup signifikan. Terlihat bahwa tidak ada proses kristalisasi yang terjadi pada kurva TGA yang juga ditandai dengan tidak adanya energi yang diberikan yang ditunjukkan oleh kurva DSC.
Adapun massa yang hilang dalam pengujian ini dihitung dalam per 10 menit dapat dilihat pada tabel 3. Terlihat pada tabel bahwa massa yang hilang dalam jumlah signifikan terjadi pada menit sekitar 10 menit hingga 20 menit. Oleh karena itu perlu diteliti kembali pada rentan waktu tersebut bagaimana massa yang tersedia yang ditunjukkan pada Tabel 4. Terlihat pada Tabel 4, massa yang hilang secara signifikan terjadi pada menit ke-13 hingga menit ke 14. Adapun menurut perhitungan, penurunan massa pada menit ke 14 terjadi hingga mencapai 44.35% dari massa awal pada menit ke 13.
Dilakukan karakterisasi dengan menggunakan X-Ray Diffractometer untuk menentukan bagaimana fase yang terbentuk setelah perlakuan-perlakuan yang diberikan. Setelah dilakukan kalsinasi pada beberapa temperature dan waktu tertentu, ternyata hasil XRDnya menunjukkan bahwa terdapat 3 fase yang terbentuk, yaitu fase BiFeO3, Bi2O3 dan Fe2O3.
Namun presentase fase pada tiap waktu dan temperature kalsinasi berbeda.
Pada pemanasan dengan temperature 450oC,
500oC dan 550oC masih terdapat 3 fasa yang
terbentuk yaitu fase BiFeO3, Bi2O3 dan Fe2O3
walaupun telah diberikan perlakuan panas dalam variasi waktu yaitu untuk waktu 2 hingga 6 jam. Namun terjadi perbedaan intensitas yang ditandai
Tabel 2. Beberapa titik aliran energi terhadap temperature hasil uji DSC
No Temperatur (oC) Heat Flow (mW)
1 33.03 17.23 2 130.04 55.46 3 148.23 54.40 4 161.96 -391.18 5 174.49 -12.16 6 603.46 -100.70 7 999.98 122.12
Tabel 3. Massa sampel pengujian per 10 menit
Waktu (menit) Massa sampel (mg)
0 102.2323 10 99.6019 20 37.5241 30 34.9891 40 33.0109 50 32.4423 60 31.9715 70 31.2081 80 29.5358 90 26.4846
Perbedaan waktu kalsinasi yang tidak terlalu besar mengakibatkan perbedaan yang terlihat tidak terlihat begitu signifikan.
Parameter yang digunakan dalam penentuan ukuran Kristal adalah nilai FWHM yang merupakan singkatan dari Full Width Half Maximum. FWHM merupakan lebar puncak antara dua titik yang berdekatan dari sebuah kurva yang memiliki setengan nilai maksimal intesitas kurva.
Tabel 4. Massa yang tersedia pada menit ke 10
hingga 20 pada uji TGA Waktu (menit) Massa sampel (mg) 10 99.6019 11 97.1077 12 91.5610 13 83.4085 14 39.0596 15 37.9709 16 37.8950 17 37.7927 18 37.6926 19 37.6013 20 37.5241
Sudut difraksi yang digunakan berada pada sudut sekitar 30o lalu diperoleh nilai FWHM dengan
bantuan software Bella.
Namun dalam perhitungan selanjutnya sudut tersebut harus dibagi dua karena masih dalam 2tetha juga satuan dari sudut tersebut diubah kedalam bentuk radian dengan mengalikannya dengan pi/180.
Gambar 2. Hasil XRD gabungan
Pada Tabel 5 dicantumkan nilai B dimana B merupakan nilai FWHM. Nilai B tersebut didapat dari nilai B eksperimen dikurangi nilai Bo atau nilai instrument berupa nilai FWHM dari silicon. Adapun formula yang digunakan dalam perhitungan ukuran kristalit rata-rata menggunakan Scherrer Formula dimana,
݀ = ݇ߣ ܤܿݏߠ
d = ukuran kristalit rata-rata
k = konstanta yang bernilai antara 0.7 hingga 1.7 ߣ = panjang gelombang sumber difraksi sinar-x yang digunakan
ߠ = sudut difraksi
Nilai k yang digunakan pada perhitungan ini yaitu 0.9 dan panjang gelombang sumber difraksi sinar-x yang digunakan yaitu berupa Cobalt sebagai sumber dengan panjang gelombang sebesar 1.7903 Å. Setelah dilakukan pengukuran nilai FWHM pada setiap temperatur dan waktu kalsinasi, maka akan didapatkan nilai ukuran kristalit rata-rata.
Gambar 3. Hasil Permagraf Bi0,95Mg0,05FeO3 setelah
kalsinasi selama 2 jam
Hasil uji dengan permagraf pada sampel yang telah dikalsinasi selama 2 jam pada temperatur
Tabel 5. Ukuran kristalit rata-rata
Temp (˚C) Time (Hrs) FWHM 2θ(˚) D (nm) 450 2 0.3982 38.78 62 450 4 0.3676 37.92 77 450 6 0.3458 38.64 93 500 2 0.684 37.3 22 500 4 0.6278 37.2 25 500 6 0.5948 37.6 28 550 2 0.6921 38.3 22 550 4 0.6468 39.4 24 550 6 0.6214 37.56 26
Gambar 4. Hasil Permagraf Bi0,95Mg0,05FeO3 setelah
kalsinasi selama 4 jam
450oC, 500oCdan 550oC menghasilkan bahwa pada
temperatur 450oC memiliki nilai remanen sebesar
0.017 T, nilai koersivitas sebesar 14.53 kA/m dan nilai saturasi sebesar 0.05 T.
Sementara pada temperature 500oC, nilai
remanennya sebesar -0.003 T, nilai koersivitas sebesar 44.44 kA/m dan nilai saturasi sebesar 0.01 T. Pada temperature 550oC, nilai remanennya sebesar
0.005 T, besar koersivitas 11.54 kA/m dan nilai saturasi sebesar 0.02 T.
Hasil uji dengan permagraf pada sampel yang telah dikalsinasi selama 4 jam pada temperatur 450oC, 500o C dan 550oC menghasilkan bahwa pada
temperatur 450oC memiliki nilai remanen sebesar
0.008 T , nilai koersivitas sebesar 10.37 kA/m dan nilai saturasi sebesar 0.04 T. Sementara pada temperature 500oC, nilai remanennya sebesar 0.012
T, nilai koersivitas sebesar 10.12 kA/m dan nilai saturasi sebesar 0.05 T. Pada temperature 550oC, nilai
remanennya sebesar 0.003 T, besar koersivitas 8.83 kA/m dan nilai saturasi sebesar 0.02 T.
Gambar 5. Hasil Permagraf Bi0,95Mg0,05FeO3 setelah
kalsinasi selama 6 jam
Hasil uji dengan permagraf pada sampel yang telah dikalsinasi selama 6 jam pada temperatur 450oC, 500o C dan 550oC menghasilkan bahwa pada
temperatur 450oC memiliki nilai remanen sebesar
0.02 T , nilai koersivitas sebesar 8.70 kA/m dan nilai saturasi sebesar 0.07 T. Sementara pada temperature 500oC, nilai remanennya sebesar 0.013 T, nilai
koersivitas sebesar 9.10 kA/m dan nilai saturasi sebesar 0.05 T. Pada temperature 550oC, nilai
remanennya sebesar 0.005 T, besar koersivitas 10.01 kA/m dan nilai saturasi sebesar 0.02 T.
Nilai koersivitas dilihat dari nilai Hc(J) yang ditunjukkan pada hasil pengujian permagraf. Koersifitas merupakan besar medan magnet yang diperlukan untuk mengembalikan kerapatan fluks magnetik menjadi nol. Adapun nilai koersivitas tersebut ditujukkan pada tabel 6.
Berdasarkan tabel 6 terlihat bahwa nilai koersivitas terbesar berada pada material yang telah di kalsinasi selama 2 jam pada suhu 500oC sebesar
44.44 kA/m. Sementara nilai koersivitas terendah berada pada material yang telah dikalsinasi selama 6 jam pada suhu 450oC.
Tabel 6. Nilai koersivitas
4. KESIMPULAN
Metode solution-gel dilakukan dalam pembuatan material BiMgFeO3. Pola difraksi yang terukur pada
material menunjukkan adanya 3 fasa pada suhu dan waktu yang telah ditentukan. Terbentuknya fasa lain selain fase BiFeO3 dapat dianalisis berdasarkan hasil
uji DSC dan TGA dimana pada kurva TGA, terlihat bahwa pada suhu kalsinasi berapapun, material BiMgFeO3 tidak menunjukkan material akan satu fasa.
Ukuran kristalit rata-rata fase BiFeO3 dipengaruhi
waktu dan suhu kalsinasi yang dilakukan. Semakin lama waktu pemanasan, maka nilai FWHM akan semakin kecil sehingga ukuran kristalit rata-rata akan semakin besar. Material ini merupakan material soft
magnetic yang dapat dilihat dari koersifitasnya yang
sangat kecil.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih saya sampaikan kepada Departemen Fisika Universitas Indonesia, Dr. Bambang Soegijono M.Si dan Drs. Arief Sudarmaji, M.T selaku pembimbing sekaligus teman berdiskusi sehingga diselesaikannya penelitian ini.
DAFTAR ACUAN
[1]
Hua et al.,(2010),”Factors ControllingPure-phase Multiferroic BiFeO3 Powders
Synthesized by Chemical Co-precipitation”,
Journal of Alloys and Compounds
Vol.509,p.2192–2197.
[2] Spaldin N.A,Fiebig, ”The Renaissance of Magnetoelectric Multiferroics”, Science ,Vol.309, p.391,2005.
[3] Bibes,Stone Braker A., Nature Materials ,Vol.7, p.425, ( http : // physics.aps.org / articles/ v2/20),2009.
[4] J. F. Scott, “Data storage: multiferroic memories,” Nature Materials, vol. 6, no. 4, pp. 256–257, 2007.
[5] Carvalho, P.B. Tavares,(2008),"Synthesis
and Thermodynamic Stability of Multiferroic BiFeO3",Materials Letters 62 (2008) 3984–
3986.
[6] J. F. Scott and C. A. Paz De Araujo, “Ferroelectric memories,” Science, vol. 246, no. 4936, pp. 1400–1405, 1989.
[7] G. A. Prinz, “Magnetoelectronics,” Science, vol. 282, no. 5394, pp. 1660–1663, 1998. [8] C. Chappert, A. Fert, and F. N. Van Dau,
“The emergence of spin electronics in data storage,” Nature Materials, vol. 6, no. 11, pp. 813–823, 2007.
[9] S. X.Wang and A. M. Taratorin, Magnetic Information Storage Technology, Academic Press, San Diego, Calif, USA, 1999.
[10] Z. Shi, C.Wang, X. Liu, and C. Nan, “A
four-state memory cell based
onmagnetoelectric composite,” Chinese
Suhu 4500C 5000C 5500C
Jam Koersifitas (kA/m)
2 14.53 44.44 11.54
4 10.37 10.12 8.83
Science Bulletin, vol. 53, no. 14, pp. 2135– 2138, 2008.
[11] F. Yang, Y. C. Zhou, M. H. Tang et al.,
“Eight-logic memory cell based on
multiferroic junctions,” Journal of Physics D, vol. 42, no. 7, Article ID 072004, 2009. [12] Hill A., Nicola,(2004), “First Principles
Study of Multiferroic Magnetoelectric Manganites”, University of California Santa Barbara, Materials Department: California. [13] Schmid H., Ferroelectrics 162, 317 (1994). [14] M. Gajek et al., Nature Materials 6, 296-302
(2007)
[15] Hua Dai,Zhong, Yukikuni Akhisige.
2011.”BiFeO3 ceramics synthesized by
spark plasma sintering”. http://
