SINTESIS, STRUKTUR KRISTAL DAN SIFAT
MAGNETIK SUPERKONDUKTOR REBa
2Cu
3O
7-∂(RE=Nd,Eu,Gd)
Mahasiswa : Wayan Gede Suharta
Promotor : Prof. Dr. Suasmoro
Co-Promotor : Prof. Dr. Darminto
Co-Promotor : Suminar Pratapa, Ph.D.
Latar Belakang
Aplikasi Superkonduktor Kabel transmisi daya MAGLEV Efek Meissner T= 4,2 KHc Tipe I
Tipe Superkonduktor
- M - M Hc1 Hc2 2 1 < =ξ
λ
κ
2 1 > =ξ
λ
κ
Tipe IIMeissner Normal Meissner Normal
Tipe I Tipe II
Logam Campuran Logam Keramik Oksida
Unsur Tc (K) Senyawa Tc (K) Senyawa Fasa Tc (K)
Al 1,2 V3Ga 16,5 Y-Ba-Cu-O Y-123 90,0 Hg 4,3 Nb3Ge 23,2 Bi-Sr-Ca-Cu-O Bi-2101 30,0 Bi-2212 80,0 Bi-2223 110,0 Vorteks/ Fluksoid
Metode Sintesis
Oxygen-controlled Melt Growth (OCMG)
Top-Seeded Melt Growth (TSMG)
Melt Textured Ag, Ce, Pt, Zr, Zn
RE tunggal Doping / Substitusi Kombinasi 2 RE dengan komposisi molar sama belum pernah dilaporkan Kombinasi 3 RE, Wet-mixing Method
YBa
2Cu
3O
7-∂REBa
2Cu
3O
7-∂Latar Belakang
Nano-Partikel REBa2Cu3O7-∂ belum pernah dilaporkan Mengetahui pengaruh substitusi RE pada YBCO terhadapstruktur kristal, sifat listrik dan magnetik
Mengetahui sifat magnetik
pada suhu ruang
Pencampuran dan pengadukan T <100oC Oven T = 100oC, t =1 jam Kalsinasi Tc = 600oC, t c = 3 jam Re-Kalsinasi Trc= 650 – 970oC, t rc= 1 jam Karakterisasi XRD, HRPD, SRD, SEM, TEM, VSM, SQUID Penimbangan
(RE2O3, BaCO3, CuO) RE = Nd, Eu, Gd Bahan awal dicampur
dengan asam nitrat (HNO3)
Diagram alir sintesis superkonduktor
REBa2Cu3O7-δ dengan wet-mixing method
Karakterisasi DTA-TGA
200 400 600 800 -20 -10 0 10 20 30 40 Temperature (oC) DT A-signal (s m oot ed) [µ V] 5 10 15 20 Del ta-M (c or rec ted) [m g] 200 400 600 800 -10 0 10 20 30 40 50 Temperature (oC) DT A-signal (s m oot ed) [µ V] 5 10 15 20 Del ta-M (c or rec ted) [m g] Analisis Termal
Hasil karakterisasi DTA-TGA sampel NdBa2Cu3O7-δ Hasil karakterisasi DTA-TGA sampel GdBa2Cu3O7-δ
a (19,24%) b c d e a (5,57%) b c d e (20,25%) (19,45%) (31,45%) (23,68%)
Ba(NO3)2, CuO, Nd2CuO4, BaCO3, BaNd2O4, BaCuO2, Nd2O3, (Nd0.925Ba0.075---)2CuO4-x Fasa –fasa yang terbentuk :
Pola difraksi sinar-X sampel NdBa2Cu3O7-δ (Tcal = 600oC, t cal = 3 jam)
Identifikasi Fasa
10 20 30 40 50 60 0 100 200 300 400 500 600 Int ens itas (a. u.) 2θ (derajat)10 20 30 40 50 60 70 80 90
*
* *
*
ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο Int ens itas (a. u. ) 2θ (derajat) 650oC 700oC 750oC 800oC 850oC 900oCPola difraksi sinar-X sampel NdBa2Cu3O7-δ (Trc = 650-900oC, t
rc= 1 jam)
Pola Difraksi Sinar-X Nd-123
Pencocokan puncak difraksi menggunakan program Match!
Fraksi berat sampel Nd-123 (Trc= 650-900oC, t
rc= 1 jam)
Fraksi berat (FB) dihitung menggunakan program Rietica
Trc (oC) Fraksi Berat (%)
Nd-123 BaCO3 BaCuO2 CuO Nd2CuO4 Nd2BaCuO5 BaNd2O4
650 84,3 13,2 0,4 1,7 0,4 - -700 86,2 10,4 0,9 1,5 0,2 - 0,8 750 87,6 8,4 1,6 1,2 0,1 - 1,1 800 89,2 5,9 2,4 0,7 - 0,6 1,2 850 90,8 4,2 3,1 0,3 - 0,5 1,1 900 92,4 2,0 4,2 0,1 - 0,2 1,1
Fraksi Berat Nd-123
Semakin tinggi suhu re-kalsinasi, fraksi berat Nd-123 semakin besar
10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο Int ens itas (a. u. ) 2θ (derajat) 920oC 940oC 960oC 970oC
Pola difraksi sinar-X sampel NdBa2Cu3O7-δ (Trc= 920-970oC, t
rc= 1 jam)
Fraksi berat sampel Nd-123 (Trc= 920-970oC, t rc= 1 jam) Trc(oC) Fraksi Berat (%) Nd-123 BaCuO2 BaNd2O4 920 94,2 4,1 1,7 940 94,7 3,8 1,5 960 95,2 3,1 1,7 970 95,9 2,5 1,6
Fraksi Berat Nd-123
Trc = 970oCdigunakan sebagaiacuan untuk sintesis sampel berikutnya
10 20 30 40 50 60 70 80 90 ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο Nd-123 Nd0.75Y0.25-123 Nd0.5Y0.5-123 Nd0.25Y0.75-123 Int ens itas (a. u. ) 2θ (derajat) Y-123
Pola difraksi sinar-X sampel NdxY(1-x)Ba2Cu3O7-δ (x=0-1) (Trc= 970oC, t
rc= 10 jam)
Fraksi berat sampel NY-123 (Trc= 970oC, t
rc= 10 jam)
Sampel Fraksi Berat (%)
NY-123 BaCuO2 BaNd2O4 /
BaY2O4 Nd-123 97,8 1,7 0,5 Nd0.75Y0.25-123 96,7 2,1 1,2 Nd0.5Y0.5-123 96,8 1,9 1,3 Nd0.25Y0.75-123 97,0 2,2 0,8 Y-123 96,6 2,1 1,3
10 20 30 40 50 60 70 80 90 ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο EG - 123 NG - 123 NEG - 123 NE - 123 Gd - 123 Eu - 123 Int ens it as ( a. u. ) 2 θ (derajat) Nd-123
Pola difraksi sinar-X sampel REBa2Cu3O7-δ (RE=Nd,Eu,Gd)
(Trc= 970oC, t
rc= 10 jam)
Fraksi berat sampel RE-123 (Trc= 970oC, t
rc= 10 jam)
Sampel Fraksi Berat (%)
RE-123 BaCuO2 BaRE2O4
Nd-123 97,8 1,7 0,5 Eu-123 98,4 0,9 0,7 Gd-123 99,1 0,7 0,2 NE-123 97,5 1,8 0,7 NG-123 98,0 1,2 0,8 EG-123 98,8 0,9 0,3 NEG-123 98,1 1,4 0,5
Gambar TEM sampel Nd-123 ( Trc = 700oC, t
rc= 1 jam)
Morfologi (TEM, SEM) Nd-123
1 μm
Gambar SEM sampel Nd-123 (Trc = 970oC, t
22 24 26 28 30 Int ens itas (a. u. ) 2θ 920oC 940oC 960oC 970oC (010) (100) 22 24 26 28 30 In tens itas (a. u. ) 2θ (derajat) 650oC 700oC 750oC 800oC 850oC 900oC (010) (100) No 2θ (derajat) d (Ȧ) (hkl) 1 22,72 3,91 (010) 2 22,91 3,88 (100)
Antipov, E., Abakumov, A., Moscow State Univ., Russia, ICDD Grant-in-Aid, (1994)
Gambar SEM sampel NY-123 (x=0) (Trc = 970oC, t
rc= 10 jam)
3 μm
Morfologi (SEM) NY-123
3 μm
Gambar SEM sampel NY-123 (x=1) (Trc = 970oC, t
20 40 60 80 100 120 140 Int ens itas (a. u. ) 2θ (derajat) Y-123 Nd0.25Y0.75-123 Nd0.5Y0.5-123 Nd0.75Y0.25-123 Nd-123
Pola difraksi netron (HRPD) sampel NdxY(1-x)Ba2Cu3O7-δ (x=0-1) (Trc= 970oC, t
rc= 10 jam)
Pola difraksi netrom (HRPD)
HRPD dilakukan di PTBIN BATAN
30 31 32 33 34 35 Nd-123 Nd0.75Y0.25-123 Nd0.5Y0.5-123 Nd0.25Y0.75-123 Int ens itas ( a. u. ) 2θ (derajat) Y-123 (013) (103) 37 38 39 40 41 42 Int ens itas ( a. u. ) 2θ (derajat) Y-123 Nd0.25Y0.75-123 Nd0.5Y0.5-123 Nd0.75Y0.25-123 Nd-123 (013) (103) HRPD Sampel NdxY(1-x)Ba2Cu3O7-δ (x=0-1) (Trc= 970oC, t rc= 10 jam) pada sudut 37-42o XRD Sampel NdxY(1-x)Ba2Cu3O7-δ (x=0-1) (Trc= 970oC, t rc= 10 jam) Pada sudut 30-35o
Pergeseran sudut
2 2 2 2 2 2
1
c
l
b
k
a
h
d
hkl=
+
+
θ
λ
2d
sin
n
=
Pergeseran sudut disebabkan oleh
perbedaan jari-jari ion Nd
3+dan Y
3+Y
3+(104 pm) < Nd
3+(112.3 pm)
Parameter kisi (a, b, c) berubah
Ortorombik :
Bragg :
20 40 60 80 100 120 140 Int ens it as ( a. u. ) 2θ (derajat) Nd-123 Eu-123 Gd-123 NE-123 NG-123 EG-123 NEG-123
Pola difraksi sinkrotron Sampel REBa2Cu3O7-δ (RE=Nd,Eu,Gd)
(Trc= 970oC, t
rc= 10 jam)
Pola difraksi sinkrotron (SRD)
SRD dilakukan di KEK (The High Energy Accelerator
Research Organization)
43.8 44.0 44.2 44.4 44.6 44.8 45.0 45.2 45.4 Int ens itas ( a. u. ) 2θ (derajat) Nd-123 Nd0.5Eu0.5-123 Nd0.5Gd0.5-123 Nd0.33Eu0.33Gd0.33-123 Eu-123 Eu0.5Gd0.5-123 Gd-123 (116) (213) XRD sampel REBa2Cu3O7-δ (RE=Nd,Eu,Gd) (Trc= 970oC, t rc= 10 jam) pada sudut 56-61o SRD sampel REBa2Cu3O7-δ (RE=Nd,Eu,Gd) (Trc= 970oC, t rc= 10 jam) pada sudut 43,8-45,50
Pergeseran sudut
56 57 58 59 60 61 (116) (213) Int ens itas (a. u. ) 2θ (derajat) Nd-123 Nd0.5Eu0.5-123 Nd0.5Gd0.5-123 Nd0.33Eu0.33Gd0.33-123 Eu-123 Eu0.5Gd0.5-123 Gd-123XRD SRD HRPD Hasil refinement XRD, SRD dan HRPD
Harga parameter kisi a, b dan c, faktor releability (Rp, Rwp, Re, RB, RF)
dan χ2 sampel Nd-123 hasil karakterisasi XRD, SRD dan HRPD
-- Nd-123 (XRD) Nd-123 (SRD) Nd-123 (HRPD) a ( A) 3,872(6) 3,9008(5) 3,868(9) b ( A) 3,922(1) 3,9113(6) 3,920(3) c ( A) 11,775(4) 11,74(8) 11,767(9) χ2 1,1 1,2 1,3 Rp (%) 9,4 16,6 6,9 Rwp (%) 12,3 22,5 8,7 Re (%) 11,6 20,3 7,7 RB (%) 11,2 15,7 11,8 RF (%) 11,3 9,6 9,1
Hasil Refinement XRD, SRD, HRPD
Nama PDF No. Senyawa a (Ȧ) b (Ȧ) c (Ȧ)
650 700 750 800 850 900 950 3.86 3.87 3.88 3.89 3.90 3.91 3.92 3.93 3.94 a b c/3 P ar am et er k is i ( A o ) Suhu re-kalsinasi (oC)
Parameter kisi sampel Nd-123 (Trc= 650-970oC, t
rc= 1 jam)
Parameter Kisi Nd-123
Nama PDF No. Senyawa a (Ȧ) b (Ȧ) c/3 (Ȧ)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 3.82 3.83 3.84 3.85 3.86 3.87 3.88 3.89 3.90 3.91 3.92 a b c/3 P ar am et er k is i ( A o ) x pada NdxY1-xBa2Cu3O7-δ
Parameter kisi sampel NY-123 (Trc= 970oC, t
rc= 10 jam)
Parameter Kisi NY-123 dan RE-123
Nd Nd-Eu Nd-Gd Nd-Eu-Gd Eu Eu-Gd Gd 3.80 3.82 3.84 3.86 3.88 3.90 3.92 3.94 P ar am et er k is i ( A o )
Kombinasi satu, dua dan tiga rare earth
a b c/3
Parameter kisi sampel RE-123 (Trc= 970oC, t
600 650 700 750 800 850 900 950 1000 0.985 0.990 0.995 1.000 1.005 1.010 1.015 1.020 O rtor om bi si tas Suhu re-kalsinasi ( oC) Ortorombisitas sampel Nd-123 (Trc = 650-970oC, t rc= 1 jam)
Ortorombisitas
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.9835 0.9840 0.9845 0.9850 0.9855 0.9860 0.9865 0.9870 XRD HRPD O rtor om bi si tas x NdxY1-xBa2Cu3O7-δ Ortorombisitas sampel NdxY(1-x)-123 (Trc = 970oC, t rc= 10 jam) hasil karakterisasi XRD dan HRPD0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.120 0.121 0.122 0.123 Fak tor huni an O (4) x in NdxY1-xBa2Cu3O7-δ
Faktor hunian (Occupancy) oksigen pada posisi O(4)
dengan penambahan x dalam sampel NdxY1-xBa2Cu3O7-δ
(Trc = 970oC, t
rc= 10 jam)
Kandungan oksigen sampel NY-123 (Trc = 970oC, t
rc= 10 jam)
Sampel Kandungan Oksigen
NdxY1-xBa2Cu3O7-δ (x = 0) YBa2Cu3O6,97 NdxY1-xBa2Cu3O7-δ (x = 0,25) Nd0.25Y0.75Ba2Cu3O6,96 NdxY1-xBa2Cu3O7-δ (x = 0,5) Nd0.5Y0.5Ba2Cu3O6,95 NdxY1-xBa2Cu3O7-δ (x = 0,75) Nd0.75Y0.25Ba2Cu3O6,94 NdxY1-xBa2Cu3O7-δ (x = 1) NdBa2Cu3O6,93
Kandungan Oksigen
Occupancy (faktor hunian) oksigen pada posisi O1, O2, dan O3 dianggap penuh, sehingga jumlah oksigen pada posisi O1, O2 dan O3 adalah 6
Pergeseran Atom
Pergeseran atom-atom penyusun senyawa NY-123 (Trc = 970oC, t
rc= 10 jam)
YBa2Cu3O7-δ
Atom Jarak antar atom ( ) sampel NdxY1-xBa2Cu3O7-∂ x = 0 x = 0,25 x = 0,5 x = 0,75 x = 1 Y/Nd-Ba 3,654 3,660 3,725 3,734 3,748 Y/Nd-O2 2,368 2,398 2,451 2,483 2,501 Y/Nd-O3 2,370 2,386 2,429 2,450 2,489 Y/Nd-Cu2 3,190 3,198 3,237 3,261 3,283 Ba-O1 2,739 2,748 2,749 2,756 2,764 Cu2-O2 1,935 1,939 1,941 1,943 1,947 Cu2-O3 1,959 1,967 1,970 1,975 1,983 Cu1-O4 1,911 1,916 1,923 1,934 1,947
Jarak Antar Atom
Jarak antar atom sampel NY-123 (Trc = 970oC, t
er c Tcint−0ra Tcint−0er Tcint−0ra Tcint−0er Tcint−0er Tint−0
Kurva M-T sampel NY-123 (Trc = 970oC, t rc= 10 jam) 20 40 60 80 100 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 χ(T )/ χ( 10 K ) T (K) Nd0.25Y0.75-123 Nd0.5Y0.5-123 FC ZFC
Suhu Kritis (T
c) NY-123
Tc (Nd0.25Y0.75-123) ≈ 91 K Tc (Nd0.5Y0.5-123) ≈ 92 K
M-T SQUID dilakukan di RIKEN (Issao Watanabe
dan Yasuyuki Ishii) dan Chiba university (Hideto Fukazawa dan Prof. Yoh
20 40 60 80 100 120 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 Eu Gd M (T )/ M (1 0 K ) T (K) 20 40 60 80 100 120 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 NdGd GdEu NdEuGd M (T )/ M (1 0 K ) T (K) Kurva M-T sampel
Eu-123 dan Gd-123 NdGd-123, GdEu-123 danKurva M-T sampel
NdEuGd-123
Suhu Kritis (T
c) RE-123
-60000 -40000 -20000 0 20000 40000 60000 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 χ( em u/ cm 3 ) H (Oe) Nd0.25Y0.75-123 Nd0.5Y0.5-123
Kurva M-H sampel NY-123 (Trc = 970oC, t rc= 10 jam) er c Tcint−0ra Tcint−0er Tcint−0ra Tcint−0er Tcint−0er Tint−0
Rapat Arus Kritis (J
c)
Sampel Jc (A/cm2)
Nd0.25Y0.75-123 4 x 104
Nd0.5Y0.5-123 1 x 105
Harga rapat arus kritis sampel NY-123 (Trc = 970oC, t rc= 10 jam)
rV
m
J
c2
3∆
=
Dengan menggunakan model Bean M-H SQUID dilakukan di RIKEN (Issao Watanabe-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 900oC 800oC Medan magnetik (T) M agnet is as i ( em u/ gr ) 750oC Karakterisasi VSM sampel Nd-123 (Mixing 30 menit, Trc = 750oC, 800oC, 900oC, t rc = 1 jam)
Paramagnetik
Ukuran partikel > 100 nmGambar TEM sampel Nd-123 (Mixing 30 menit, Trc = 800oC,
Ukuran partikel < 50 nm
Feromagnetik
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 M agnet iz at ion (em u/ gr ) Medan magnetik (T) 700oC Medan magnetik (T) M agnet iz at ion (em u/ gr ) 900oC 850oC 800oCGambar TEM sampel NEG-123 (mixing 24 jam, Trc = 800oC,
t rc= 30 menit)
Hasil VSM sampel NEG-123
(Mixing = 24 jam, Trc = 800oC, 850oC, 900oC, t
1. Proses sintesis superkonduktor REBa2Cu3O7-δ(RE=Y, Nd, Eu, Gd) dengan wet-mixing method telah berhasil
memperoleh kristal REBa2Cu3O7-δdengan prosentase berat tertinggi sekitar 99,1 % (mendekati fasa tunggal). 2. Penambahan unsur Nd pada superkonduktor NdxY(1-x)Ba2Cu3O7-δdengan x = 0, 0,25, 0,5, 0,75 dan 1
menunjukkan bertambahnya nilai parameter kisi, volume sel satuan dan ortorombisitas. Urutan nilai parameter kisi, volume sel satuan dan ortorombisitas dari yang terkecil sampai terbesar adalah Y-123, Nd0.25Y0.75-123,
Nd0.5Y0.5-123, Nd0.75Y0.25-123 dan Nd-123. Penambahan unsur Nd juga mengakibatkan migrasi oksigen yang diperlihatkan dengan berkurangnya faktor hunian oksigen (occupancy) pada posisi O(4). Penambahan unsur Nd pada superkonduktor NdxY(1-x)-123 dapat meningkatkan nilai suhu kritis, rapat arus kritis dan sifat ketahanan
superkonduktor terhadap medan magnet. Suhu kritis dan rapat arus kritis sampel Nd0.25Y0.75-123 masing-masing adalah 90,5 K dan 4 × 104A/cm2, sedangkan suhu kritis dan rapat arus kritis sampel Nd
0.5Y0.5-123
masing-masing adalah adalah 91,5 K dan 1 × 105 A/cm2.
3. Kombinasi satu, dua dan tiga unsur RE (Nd, Eu, Gd) pada superkonduktor REBa2Cu3O7-δmenghasilkan
perubahan nilai parameter kisi serta volume sel satuan, dengan urutan dari terbesar sampai terkecil, yaitu Nd-123, Nd0.5Eu0.5-123, Nd0.5Gd0.5-123, Nd0.33Eu0.33Gd0.33-123, Eu-123, Eu0.5Gd0.5-123 dan Gd-123. Urutan
tersebut merupakan kebalikan dari pergeseran sudut 2θ yang diakibatkan oleh perubahan nilai parameter kisi. Suhu kritis dan sifat ketahanan superkonduktor terhadap medan magnet superkonduktor Gd-123 (93,6 K) lebih besar dibandingkan superkonduktor Eu-123 (92,5 K). Penambahan Nd pada kombinasi dua dan tiga RE dapat menurunkan suhu kritis dan sifat ketahanan superkonduktor pada medan magnet dengan urutan dari terbesar sampai terkecil adalah Eu0.5Gd0.5-123 (93,1 K), Nd0.33Eu0.33Gd0.33-123 (92 K) dan Nd0.5Gd0.5-123 (88,5 K).
4. Proses sintesis dengan wet-mixing method, serta perlakuan mixing selama 24 jam telah menghasilkan nano partikel REBa2Cu3O7-δ. Sampel REBa2Cu3O7-δ dengan ukuran partikel lebih kecil dari 50 nm memperlihatkan
sifat feromagnetik pada suhu ruang, sedangkan sampel dengan ukuran partikel lebih besar dari 100 nm memperlihatkan sifat paramagnetik.