KAJIAN STRUKTUR KACA ZINC TELLURITE

(1)

PROSIDING

SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216

KAJIAN STRUKTUR KACA ZINC–TELLURITE

*

_{, M.R. Sahar , and M.S. Rohani}

** **

Sulhadi

) Jurusan Fisika, FMIPA,Universitas Negeri Semarang

*

) Jabatan Fizik, Fakulti Sains, Universiti Teknologi Malaysia

**

e-mail : [email protected]

Abstrak

Telah dapat difabrikasi kaca Zinc-Tellurite dengan melt–quenching technique. Doping Er2O3

ditambahkan pada kaca untuk membentuk struktur yang optimal. FTIR dan Raman Spectroscopy digunakan untuk mengkaji struktur kaca yang terbentuk. Dari hasil FTIR dan

Raman Spectroscopy menunjukan adanya pengaruh doping Erbium (Er3+) pada perubahan

struktur kaca. Perubahan yang teramati konsisten pada stretching vibration mode TeO4

trigonal bipyramid (tdp) dan TeO3 trigonal pyramid (tp), dan bending vibration mode Te-O-Te

(atau O-Te-O) yang terjadi pada semua komposisi. Pada saat doping Er2O3 ditambah,

intensitas Raman sekitar 640cm-1–670 cm-1 menurun, tetapi intensitas sekitar 720cm-1–740cm-1

naik. Dari hasil FTIR menunjukkan adanya pergeseran puncak absorpsi utama dari 650 cm-1

sampai 672 cm-1 sebanding dengan penambahan doping Er2O3.

Kata kunci : melt–quenching technique, FTIR Spectroscopy, Raman Spectroscopy

Pendahuluan

Telah banyak dilakukan penelitian teknologi pembuatan kaca untuk berbagai aplikasi dalam kehidupan sehari-hari. Kaca zinc–tellurite merupakan salah satu sistem kaca yang mempunyai safat optoelektronik yang khusus dan sangat baik untuk aplikasi modulator cahaya laser. Kelebilan lain kaca zinc–tellurite adalah suhu transisi kaca yang rendah dan daya transmisi yang tinggi (M.R. Sahar dkk, 1995; M.R. Sahar dkk, 1997). Kaca zinc–tellurite juga merupakan bahan dasar optik aktif (optically-active) jika didoping dengan ion lanthanide (rare earth) (D.L. Sidebottom dkk, 1997). Penggunaan doping erbium (Er3+_{) pada kaca zinc–}

tellurite menghasilkan kaca dengan sifat optik dan kimia yang sesuai untuk aplikasi optik (S. Marjanovic, dkk, 2003). Dilaporkan juga bahwa doping erbium (Er3+) pada kaca zinc–tellurite dapat menaikkan daya emisi karena hanya memerlukan energi phonon yang rendah (L.L. Neindre dkk, 1999).

Kajian struktur pada kaca tellurite yang telah dilakukan, menunjukkan adanya dua struktur unit yang dominan yaitu TeO4 trigonal bipyramid (tbp) dan TeO3 trigonal pyramid (tp) (K. Aida dkk, 2000). Narazaki

dkk (2001) melaporkan bahwa absropsi IR pada kaca zinc–tellurite sangat bergantung pada kosentrasi ZnO. Pada kosentrasi ZnO tinggi, intensitas absorpsi pada bending vibrasi Te-O menurun tetapi posisi puncak absorpsi bergeser pada nomer gelombang lebih tinggi (A. Narazaki dkk, 2001). Paper ini melaporkan kajian struktur dari kaca zinc–tellurite yang didoping erbium (Er3+_{) berdasarkan spectrum Raman dan FTIR yang}

terbentuk.

Metode Penelitian

Melt–quenching technique digunakan untuk fabrikasi kaca zinc–tellurite dengan komposisi

(80-x)TeO -20ZnO-(x)Er O system (0.5mol%≤x≤ 2.5mol%). Sampel 20 g dipreparasi dari powder TeO (99%), ZnO (99.%) dan Er O (99.9%). Campuran tersebut dipanaskan dalam furnace 400 C selama 1 jam, kemudian dileburkan dalam krusibel silica pada suhu 900 C selama 1 jam. Sample yang telah lebur itu dituang dalam plat stainless steel dan diannealing pada suhu 200 C selama 3 jam.

2 2 3 2

2 3 o

o o

Raman spectroscopy yang digunakan pada pengukuran spectrum dengan panjang gelombang 810 nm pada range pengukuran 100 cm-1_{– 2000 cm}-1_.

Parkin Elmer GX FTIR spectroscopy digunakan untuk menentukan spectrum absorpsi infrared. Teknik yang dipakai menggunakan pellet campuran sample kaca dan KBr dengan perbandingan 1 : 100. Spectrum IR direkam pada range 400 cm-1_{– 1500 cm}-1_.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK G-12-1

(2)

Hasil dan Pembahasan

Raman spectra dari kaca zinc–tellurite yang didoping dengan Er2O3 ditunjukan pada Gb.1 dan Tabel 1.

Dari Gb.1, dapat dilihat bahwa muncul puncak disekitar 410cm-1_–440cm-1_{pada semua komposisi kaca. Pada}

konsentrasi Er2O3 yang rendah (x = 0.5 %mol) ada kecenderungan Raman spectra yang sama dengan kaca

zinc–tellurite tanpa doping (80TeO2-20ZnO). Pada saat konsentrasi Er2O3 ditambah ( x>0.5mol%), intensitas

Raman disekitar 640cm-1_{– 670cm}-1_{mengalami penurunan, sedangkan intensitas puncak sekitar 720cm}-1_–

740cm-1_{mangalami kenaikan. Hasil lain yang dapat dilaporkan adalah munculnya puncak disekitar 280 cm}-1

pada saat konsentrasi Er2O3 antara 1.0 mol% sampai 2.5 mol%.

2000.0 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 100 Raman Shift / cm-1 S1 S2 S3 S4 S5 Int

Gambar 1. Spektrum Raman dari kaca (80-x)TeO2–20ZnO–(x)Er2O3

1500.0 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400. 0

S1

S2

S3

S4

S5

Transmitta nce (%) IR band (cm-1₎ Inten sity (a.u) Raman shift /cm-1

Gambar 2. Spektrum Transmisi IR dari kaca (80-x)TeO2–20ZnO–(x)Er2O3

(3)

Evolusi ini mengindikasikan adanya perubahan pada struktur unit dari kaca yang terbentuk. Evolusi ini kemungkinan terjadi adanya perturbasi struktur unit kaca zinc–tellurite dari TeO4 tbp menjadi TeO3 melalui

koordinasi intermediasi TeO3+1 (H. Li dkk, 2001; V. Nazabal dkk, 2003; P. Charton dkk, 2003). Ilustrasi

pertusbasi struktur unit kaca dari TeO4 tbp menjadi TeO3 dapat dilihat pada Gb.3. Keadaan tersebut

mengindikasikan penambahan jumlah struktur unit TeO3 terhadap penambahan konsentrasi Er2O3.

Table 1. Posisi puncak Raman dan FTIR dari kaca (80-x)TeO –20ZnO–(x)Er O 2 2 3

Komposisi Sampel

No TeO2 ZnO Er2O3 Raman shift / cm

-1 _{IR bands (cm )}-1 S1 80.0 20.0 0.0 S2 79.5 20.0 0.5 433; 651; 725 S3 79.0 20.0 1.0 293; 424; 651; 725 470; 661; 772; 1118 S4 78.0 20.0 2.0 280; 412; 671; 733 470; 665; 772; 1118 S5 77.5 20.0 2.5 260; 412; 671; 733 470; 672; 776; 1118 433; 642; 720 462; 650; 768; 1111 462; 658; 768; 1115

Gambar 3. Model perturbasi struktur unit kaca dari TeO4 tbp menjadi TeO3 (S. Sakida dkk, 1999)

Argumentasi dari kesimpulan diatas bahwa puncak antara 720cm-1_–740cm-1_{merupakan stretching}

vibration dari struktur unit TeO3 tp (H. Li dkk, 2001), dimana meningkat sebanding dengan penambahan

konsentrasi Er2O3. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa peningkatan kation Er3+ dapat menumbuhkan

struktur unit TeO3 tp. Ditunjukkan juga pada Gb.2, band absorpsi sekitar 650cm-1 dan 770cm-1 merupakan

stretching vibration pada equatorial dan axial ikatan Te–O dari struktur unit TeO4 tbp dan TeO3 tp.

Intensitas puncak antara 640cm – 670cm , yang mana merupakan stretching vibration dari struktur unit TeO4 menurun sebanding dengan penambahan konsentrasi Er2O3. Kecenderungan ini memang

diharapkan untuk mengkonversi struktur unit TeO4 tbp menjadi TeO3 tp, dimana kondisi ini bergantung

linier terhadap konsentrasi Er2O3 (H. Li dkk, 2001).

-1 -1

Posisi puncak antara 410cm –440cm sedikit bergeser terhadap perubahan konsentrasi Er2O3.

Penurunan intensitas puncak tersebut diharapkan merupakan destruksi struktur Te–O–Te (atau O–Te–O) pada semua ikatan. Hal tersebut memungkinkan penurunan ikatan Te–O–Te secara kontinu pada network TeOn (n=4,3+1,dan atau 3), yang mana ini sesuai dengan yang dilakukan oleh Nazabal dkk (2003).

-1 -1

Analisis lain yang dapat diperoleh dari spectrum Raman adalah munculnya puncak antara 250cm – 300cm , dimana dapat diasumsikan (dimungkinkan) adanya bonding dari TeO3 dan Er–O. Terbentuknya

puncak yang semakin tajam, dapat dikatakan bahwa adanya peningkatan struktur unit TeO3 tp terhadap

bertambahnya konsentrasi Er2O3 (T. Komatsu dkk, 1991). Argumentasi lain yang dapat dikemukakan bahwa

doping Er2O3 dalam kaca zinc–tellurite dapat memodifikasi struktur Te–O.

-1 -1

Puncak absropsi sekitar 650cm dan 770cm (Gb.2) pada kaca zinc–tellurite mungkin merupakan mixing dari beberapa struktur unit TeO3 group, symmetric TeO4 group dan depormed TeO4 group. Pada saat

konsentrasi Er2O3 ditambah, puncak absorpsi utama bergeser dari 650cm sampai 672cm . Pada saat

konsentrasi Er2O3 antara 0.5 mol% sampai 1.0 mol%, puncak absorpsinya dikatakan slightly blue shift

(L. Hu dkk, 1996). Ini merupakan mixing struktur unit dari symmetric dan deformed TeO4 group pada kaca.

Pergeseran posisi puncak utama ke daerah momer gelombang (wave-number) panjang, menunjukkan besarnya energi ikatan (energi vibrasi) pada struktur TeO3 tp. Sehingga dapat dikatakan bahwa ikatan

tersebut semakin kuat. Pada saat yang sama, tengkuk (shoulder) antara 768cm dan 776cm mulai muncul dan diasumsikan sebagai struktur unit TeO3 tp dari ZnTeO3 (M.R. Sahar dkk, 1995).

-1 -1

(4)

Hasil lain menunjukkan bahwa adanya pergeseran puncak absorpsi dari 462cm-1_{sampai 470cm}-1

konsisten terhadap penambahan konsentrasi Er2O3, dimana ini diasumsikan merupakan ikatan Zn–O

tetrahedral (H.S. Liu dkk, 1997). Dapat pula dicatat disini yaitu adanya peningkatan intensitas puncak meskipun hanya kecil pada spektrum kaca yang terbentuk pada range 462cm samapi 470cm sebanding dengan penambahan konsentrasi Er2O3. Kecilnya puncak yang terjadi tersebut karena deformasi dari vibrasi

ikatan Te–O (H. Xia dkk, 2003; H. Bǘrger dkk, 1992).

UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

-1 -1

Sebagai tambahan, munculnya puncak absorpsi sekitar 1115cm-1_{yang merupakan ikatan Te–O–Zn}

(H.S. Liu dkk, 1997). Akan tetapi ini tidak merupakan pengaruh dari vibrasi pada komposisi tertentu.

Kesimpulan

FTIR dan Raman Spectroscopy digunakan untuk mengkaji struktur kaca Zinc-Tellurite difabrikasi dengan quench-melting technique. Doping Er2O3 ditambahkan pada kaca untuk membentuk struktur yang

optimal. Pada saat konsentrasi Er2O3 ditambah (x>0.5mol%), intensitas Raman disekitar 640cm-1–670cm-1

mengalami penurunan, sedangkan intensitas puncak sekitar 720cm-1_–740cm-1_{mangalami kenaikan. Evolusi}

ini mengindikasikan adanya perubahan pada struktur unit dari kaca yang terbentuk. Perubahan ini dimungkinkan adanya konversi dari struktur unit TeO4 tbp menjadi TeO3 tp.

Dari kajian IR spectroscopy, puncak absorpsi utama bergeser linear dari 650cm-1 _{sampai 672cm}-1

terhadap penambahan konsentrasi Er2O3. Pada saat yang sama mulai muncul tengkuk (shoulder) antara

768cm-1_{dan 776cm}-1_{dan diasumsikan sebagai struktur unit TeO} 3 tp.

Ucapan Terima Kasih

Penulis menyampaikan terikma kasih kepada Kementrian Sains, Teknologi dan Alam Sekitar (MOSTE) Malaysia atas bantuannya melalui Vot 74532. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada UTM dan Unnes atas dukungannya pada project ini.

Daftar pustaka

1. M.R. Sahar, N. Noordin, (1995), “Oxychloride Glasses Based on The TeO2-ZnO-ZnCl2 System”, J.

Non-Cryst. Solids 184, hal. 137-140.

2. M.R. Sahar, A.K. Jehbu, M.M. Karim, (1997), “TeO2-ZnO-ZnCl2 Glasses for IR Transission”, J.

Non-Cryst. Solids 213&214, hal. 164-167.

3. D.L. Sidebottom, M.A. Hruschka, B.G. Rotter, R.K. Brown, (1997), “Structure and Optical Properties

of Rare Earth – doped Zinc Oxyhalide Tellurite Glasses”, J. Non-Cryst. Solids 222, hal. 282-289.

4. S. Marjanovic, J. Toulouse, H. Jain, C. Sandmann, V. Dierolf, A.R, Kortan, N. Kopylov, R.G. Ahrens, (2003), “Characterization of New Erbium-doped Tellurite Glasses and Fiber”, J. Non-Cryst. Solids 322, hal. 311-318.

5. L.L. Neindre, S. Jiang, B.C. Hwan, T. Luo, J. Watson, N. Peyghambarian, J. Non-Cryst. Solids 255 (1999) 97.

6. K. Aida, Y. Benino, V. Dimitrov, T. Komatsu, R. Sato, (2000), Kinetics of Enthalpy Relaxation at the

Glass Transition in The Ternary Tellurite Glasses”, J. Am. Ceram. Soc. 83 [5], hal. 1192-1198.

7. A. Narazaki, K. Tanaka, (2001), “IR and XPS Studies on The surface Structure of Poled ZnO-TeO2

Glasses with Second-Order Nonlinearity”, J. Am. Ceram. Soc. 84 [1], hal. 214-217.

8. H.S. Liu, T.S. Chin, S.W. Yung, (1997), “FTIR and XPS Studies of Low-Melting PbO-ZnO-P2O5

Glasses”, Mater. Chem & Phys 50, hal. 1-10.

9. H. Li, Y. Su, S.K. Sundaram, (2001), “Raman Spectroscopy Study of Nd-doped 10Na2O-90TeO2

Glasses”, J. Non-Cryst. Solids 293-295, hal. 402-409.

10. V. Nazabal, S. Todoroki, A. Nukui, T. Matsumoto, S. Suehara, T. Hondo, T. Araki, S. Inoue, C. Rivero, T. Cardinal, (2003), “Oxyfluoride Tellurite Glasses Doped by Erbium: Thermal Analysis, Structural

Organization and Spectral Properties”, J. Non-Cryst. Solids 325, hal. 85-102.

11. P. Charton, P. Thomas, P. Armand, (2003), “Raman and Crystallization Behavior of TeO2 – Sb2O4

Glasses”, J. Non-Cryst. Solids 321, hal. 81-88.

12. T. Komatsu, H.Tawarayama, H.Mohri, K.Matusita, (1991), “Properties and Crystallization Behavior of

TeO2 – LiNbO3 Glasses”, J. Non-Cryst. Solids 135, hal.105-113.

13. L. Hu, Z. Jiang, (1996), “Properties and Structure of TeO2 Based Glasses Containing Ferroelectric

Components”, Phys. Chem. Glasses 37 [1], hal. 19-21.

14. H. Xia, Q. Nie, J. Zhang, J. Wang, (2003), “Preparation and Optical Spectroscopy of Na2O-TeO2-ZnO

Glasses Containing divalent europium Ions”, Mater. Lett 57, hal. 3895-3898.

15. H. Bǘrger, K. Kneipp, H. Hobert, W. Vogel, (1992), “Glass Formation, Properties and Structure of

(5)

16. S. Sakida, S. Hayakawa, T. Yoko, (1999), “125_{Te NMR Study of (M=Li, Na, K, Rb and Cs) Glasses”, J.} Non-Cryst. Solids 243, hal. 13-15.

KAJIAN STRUKTUR KACA ZINC TELLURITE