Prosidinl! Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 ISSN 1410 -2897
ANALISA STRUKTUR Ndz(Fel-xCoJI7 (X = 0,1; 0,2; 0,3) BERDASARKAN DATA
DIFRAKSI NEUTRON RESOLUSI TINGGr
Ridwan2 dan Mujamilah2
ABSTRAK
ANALISA STRUKTUR Ndz(Fe'_sCos),7 BERDASARKAN DATA DIFRAKSI NEUTRON RESOLUSI TINGGI. Analisa struktur bahan Ndz(Fe'_sCos)'7 dengan x= 0, I; 0,2; 0,3 telah dilakukan dengan menggunakan metoda Rietveld berdasarkan data hasil pengukuran menggunakan difraktometer neutron serbuk resolusi tinggi pada temperatur ruang. Efek substitusi sampai dengan konsentrasi cobalt x=O,3 tidak menyebabkan perubahan struktur kristal, namun ratio konstanta kisi cIa sedikit bertambah. Hal ini diperkirakan akan dapat mempengaruhi mekanisme interaksi antara momen magnet atom dalam sub-kisi logam transisi yang pada akhimya dapat berpengaruh pada temperatur transisi Curie bahan. Analisa struktur kristal menunjukkan bahwa atom Co tidak menempati posisi Fe secara acak, namun lebih cenderung menempati posisi-posisi atom Fe di 18f maupun 18h yang diikuti pada posisi 9d. Sedangkan di posisi 6c, 'dumbell' sepenuhnya masih ditempati oleh atom Fe untuk semua cuplikan yang dianalisa. Oikaitkan dengan peningkatan temperatur transisi Curie secara drastis sebagai efek substitusi Fe dengan Co dalam paduan RzFe'7' hal ini menunjukkan bahwa sangat mungkin atom di posisi 6c tidak berperan dalam perubahan temperatur Curie, melainkan atom-atom pada posisi 18f ataupun 18h.
ABSTRACT
THE STRUCTURAL ANALYSIS OF Nd2(Fe,-.Co.),7 BASED ON HIGH-RESOLUTION NEUTRON DIFFRACTION DATA. The structural analysis of Nd2(Fel-.Co,),7 with x = 0.1; 0.2; 0.3 have been carried out by using Rietveld method based on the neutron diffraction data collected by High-resolution Difractometer measured at room temperature. As the cobalt concentration increased up to x=O.3, the crystal structure remained the same but the cIa ratios were little bit expanded. These phenomenon will influence the interaction mechanism of magnetic moment atom in the sub-lattice transition metal which will change the Curie transition temperature of materials. Crystal structure analysis show that the Co atom were not distributed randomly occupied at Fe sites, but preferentially occupied the Fe sites at 18f and 18h followed the 9d sites. However, at 6c site 'dumbbell' position was still fully occupied by Fe atom at all analyzed samples. The drastically increas of Curie temperature as the effect of substitution the Fe atom by Co in the series of R2Fel7 compounds, it showed that the atom at 6c site was not play an important role in the variation mechanism of their Curie temperature, but the contribution of atom at 18f as well as 18h sites.
KEY WORD
Structural analysis, Neutron diffractometer, Rietveld-method
PENDAltULUAN
sendiri akibat perbedaan jari-jari atom pengganti ataupun yang lebih mikroskopik untuk atom bersifatmagnet adanya perubahan mekanisme interaksi
momen magnet atom-atom penyusunnya akibat adanya perubahan simetri awan elektron atom di suatu posisi tertentu dibawah pengaruh atom lain disekitamya. Perubahan mikroskopik tersebut akan sangat mempengaruhi sifat-sifat makroskopik, seperti sifat mekanik, listrik serta sifat magnet bahan. Berdasarkan hipotesa ini maka penelitian bahan terutama untuk meningkatkan unjuk kerjanya sesuai dengan sifat yang diinginkan sangat banyak dilakukan.
Keterbatasan bahan seri R2Fel7 untuk digunakan sebagai bahan magnet permanen sejauh ini adalah rendahnya temperatur transisi Curie magnetnya T c' serta arab magnetisasi yang sejajar bidang. Adanya kedua sifat yang sangat merugikan ini membatasi penggunaan bahan tersebut sebagai bahan magnet permanen di bidang industri. Beberapa penelitian sebelumnya[2,3] menun jukkan bahwa penggantian sebagian dari Fe dengan Co dapat meningkatkan temperatur transisi Curie yang cukup tinggi. Neutron walaupun tidak bermuatan namun masih mempunyai momen magnet, sangat
menguntungkan untuk digunakan sebagai probe
Bahan paduan interrnetalik unsur logam tanah jarang (R) clan logam transisi (TM) dengan komposisi Rz TMI7 diketahui mempunyai 'energi product' yang paling tinggi dalam seri bahan yang
digunakan sebagai magnet perrnanen [1]. 'Energi
product' yang tinggi ini sangat berguna dalam aplikasi bahan ini untuk keperluan statik ataupun sebagai sumber energi, seperti yang ditemui dalam dinamo ataupun motor. Oleh sebab itu bahan ini sangat menarik apabila ditinjau daTi sudut aplikasi teknologinya. Paduan Samarium clan Cobalt, Smz(Feo.5CoO.5h7 merupakan salah satu contoh dalam seri bahan ini yang telah banyak digunakan di industri. Namun demikian mengingat keberadaan bahan Sm di alam sangat terbatas clan harga cobalt yang tinggi, maka usaha untuk menggantikan unsur-un sur tersebut dengan unsur-unsur lain yang relatif lebih murah menjadi cukup beralasan untuk
dipertimbangkan.
Efek substitusi terhadap elemen elemen
utama dalam suatu paduan jelas akan dapat
mengubah mekanisme interaksi antara atom-atom yang ada di dalam struktur kristal bahan. Perubahan
ini dapat melibatkan perubahan struktur kristal itu 1 Dipresentasikan pada Pertemuan lImiah Sains Materi 1997 2 Pusat Penelitian Sains Materi -BAT AN
ProsidinJ! Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; J 997 ISSN J 4 J 0 -2897
dalam penentuan struktur magnet suatu bahan. Dengan menggunakan data difraksi nutron yang diukur dengan difraktometer bubuk resolusi tinggi (HRPD), maka momen magnet atom di posisi tertentu dalam struktur kristalnya secara semi-kuantitatif dapat ditentukan.
Penelitian efek substitusi pada bahan Nd2(Fel-xCox)17 dengan x = 0,1; 0,2; clan 0,3 menggunakan teknik difraksi neutron sangat memungkinkan, mengingat faktor absorbsi neutron untuk elemen Nd yang cukup kecil sehingga dengan demikian faktor atenuasi akibat absorbsi oleh elemen dalam bahan hanya mungkin dipengaruhi Co. Namun mengingat jumlah konsentrasi Co dalam komposisi paduan yang cukup kecil, maka dalam proses analisa struktur yang dilakukan sebegitu jauh dapat diabaikan. Dalam penelitian ini data difraksi neutron diambil pada temperatur ruang. Pembahasan dari basil analisa struktur yang telah dilakukan dititik beratkan pada perubahan dari struktur bahan yang dikaitkan dengan perubahan temperatur transisi Curie serta kecenderungan elemen Co dalam menempati posisi-posisi tertentu di dalam struktur kristalnya.
gelombang neutron tunggal basil seleksi menggunakan kristal tunggal Ge (311) yakni A. = 1.82150 A telah digunakan dalam penelitian ini. Sejumlah 32 detektor berfungsi secara simultan dengan selang antara titik pengukuran 0,050 daD dalam total selang pengukuran data 29 = 2,500 -164,250 atau setara 3200 titik pengukuran sekitar dua hari telah dicacah, daD kemudian digunakal1 sebagai data intensitas dalam proses penentuan struktur kristallebih lanjut.
Berdasarkan pola difraksi sinar-X yang diperoleh nampak bahwa rasa cuplikan bersesuaian dengan struktur kristal Th2Fe'7 dengan simetri grup ruang R-3m (No. 166). Oleh sebab itu dalam proses refinement cuplikan Nd2(Fel-xCox)17 ; x= 0,1; 0,2; 0,3 simetri grup ruang tersebut telah dipakai dalam proses analisa struktur kristal bahan. Struktur kristal dianalisa menggunakan metoda analisa Rietveld yang telah diimplimentasikan dalam program komputer Rietan'94 [4,5]. Seperti layaknya dalam analisa struktur kristal menggunakan program ini, maka parameter yang bersifat 'umum' seperti faktor pergeseran (shift), cacah latar belakang, faktor skala serta parameter pola difraksi (Gaussian, Lorenzt) termasuk konstan ta kisi kristal diikutsertakan dalam tahap iterasi awal. Dalam langkah ini parameter kristal yang digunakan sebagai masukkan awal sangat menentukan. Parameter-parameter kristal seperti faktor keberadaan atom, koordinat posisi atom, serta parameter termal juga kemudian diikutseTtakan setelah basil iterasi awal sudah dianggap cukup baik. Karena struktur kristal yang dianalisa berkaitan dengan substitusi atom Fe dengan Co, maka dalam proses iterasi yang dilakukan telah digunakan fungsi pembatas yang menyatakan bahwa jumlah faktor keberadaan atom Fe dan Co adalah tetap sarna dengan satu. Dalam proses awal iterasi diasumsikan atom Cobalt yang disubstitusikan menempati posisi atom-atom Fe secara acak. Mengingat paduan Nd2(Fel-xCox),7 bersifat magnet, maka dalam proses iterasi akhir parameter momen magnet untuk setiap posisi atom ikut pula diiterasi. Untuk itu faktor hamburan magnet atom yang digunakan mengikuti persamaan Brown yang terdapat dalam 'International Tables' Vol. C, bal. 391-399 [6]. Proses iterasi dianggap selesai apabila basil yang dicapai telah mencapai tingkat konvergensi tertentu yang ditandai oleh rendahnya nilai faktor R yang menyatakan tingkat probabilitas hasil pencocokan antara data pengamatan daD perhitungan.
PROSEDUR EKSPERIMENT AL DAN
ANALI-SA STRUKTUR KRISTAL
Paduan Nd2(Fel-xCox)17; x= 0,1; 0,2 daD 0,3 yang digunakan dalam penelitian ini telah dibuat dengan melalui proses pelelehan dari unsur-unsur dasar Nd, Fe, Co dengan kemumian yang cukup tinggi (99,9%) dengan menggunakan 'Arc-meltfurnace'
sesuai kom posisi yang diinginkan. Proses pelelehan diulangi beberapa kali untuk memperoleh paduan yang homogen dalam suasana gas argon guna menghindari proses oksidasi. Paduan yang terbentuk kemudian di anil pada temperatur sekitar 1 100°C selama beberapa hari, guna mendapatkan struktur rasa tunggal yang juga dilakukan dalam kondisi gas argon. Fasa cuplikan yang terbentuk diverifikasi dengan menggunakan teknik difraksi sinar-X.
Beberapa bongkahan yang terbentuk
kemudian dihaluskan secara manual untuk menghindari efek kristalit yang mungkin ada. Cuplikan bubuk yang diperoleh seberat kira-kira 5 gram kemudian ditempatkan dalam suatu wadah cuplikan yang terbuat dari Vanadium untuk menghindari adanya efek hamburan dari wadah cuplikan. Selanjutnya pengukuran data difraksi neutron menggunakan difraktometer bubuk resolusi tinggi yang tersedia di Pusat Penelitian Sains Materi,
ISSN 1410.2897
Hasil pencocokan antara data intensitas difraksi neutron hasil pengamatan (dinyatakan dengan titik) clan hasil perhitungan (garis penuh) untuk masing-masing konsentrasi Co yang berbeda dapat di lihat pada gambar la-c. Dalam gambar tersebut garis tegak menyatakan posisi puncak-puncak Bragg yang ditentukan berdasarkan parameter kisi kristal serta selisih antara data pengamatan clan perhitungan terlihat pada grafik bagian bawah. Dalam pola difraksi hasil pengamatan
nampak adanya puncak-puncak tambahan yang
setelah diidentifikasi berasal dari rasa oc Fe. Namun demikian jumlah rasa kedua ini sangat kecil yakni kurang dari 3%. Pada akhir iterasi untuk masing-masing paduan mencapai konvergensi dengan faktor R adalah ; Rwp(x=O, 1)= 11,0% , Rwp(x=0,2) = 10,51% dan Rwp(x=O,3) = 9,94%. Parameter kristal bahan paduan NdAFel-xCox)17 pada temperatur ruang basil iterasi dapat di lihat secara lengkap dalam tabel
a).
paduan Nd2(Fel-xCox)17: (a). x = 0.1
c).
Gambar I. Pola difraksi neutron ,basil pengamatan (.) dan basil perbitungan (-; (b). x = 0.2(-; c). x ~ 0.3
Pros;d;ni! Pertemuan Ilm;ah Sa;ns Mater; 1997 ISSN 1410 -2897
Parameter kristal paduan Nd2(Fel-xCox)17 (x = neutron
,2,3 ) pada temperatur ruang hasil iterasi data difraksi
c = 1~.4991(3) A Nd2(Feo9CoO1)17
a = b = 8.5910(2) A
atom/site
Nd(6c)
Fel(6c)
Fe2(9d)
Fe3(18t)
Fe4(18h)
Col(6c)
Co2(18t)
Co3(18h)
Rwo= 11.00%~
1.773 1.108 0.446 0.9741.163
].]08 0.974 ].163occupation
1.000 0.986(66) 1.000 0.877(69) 0.834(66) 0.014(66) 0.123(69) 0.166(66) xy
z
0.000 0.000 0.5000.2879(8)
0.1683(6) 0.0000.2879(8)
0.1683(6)
0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 -0.1683(6) 0.0000 0.0000 -0. 1 683{6} --0.3441(12) 0.0969(9) 0.5000 0.0000 0.4893(6) 0.0969(9) 0.0000 0.4893(6) Nd2(FeosCOoJ17 a_= b = 8.5685(2)_A ; c = 12.4~JJ(2) A~
2.575 2.110 1.447 2.013 1.781 1.4472.013
1.781occupation
1.000 1.000 0.9000 0.7400 0.7500 0.10000.260
0.250atom/site
Nd(6c)
Fel(6c)
Fe2(9d)
Fe3(18t)
Fe4(18h)
Col(9d)
Co2(18t)
Co3(18h)
x
v
z 0.000 0.000 0.500 0.2889(7) 0.1678(6) 0.500 0.2889(7) 0.1678(6) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 -0.1678(6) 0.0000 0.0000 -0.1678(6) --0.3432 0.0959(8) 0.5000 0.0000 0.4901 0.500 0.0000 0.4901 Rwi' 10.51 % ---Nd2(Feo7CoO.3)17a = b = 8.5571(7) A ; c = 12.4872@)A
1.581 0.496 1.406 1.667 1.307 1.406 1.667 1.307atom/site
Nd(6c)
Fel(6c)
Fe2(9d)
Fe3(18f)
Fe4(18h)
Col(9d)
Co2(18f)
Co3(18h)
occupation
1.000 1.000 0.5916 0.5719 0.5631 0.4084 0.4281 0.4369x
y
z
0.000 0.000 0.500 0.2890(8)0.1683(8)
0.500 0.2890(8)0.1683(8)
~ 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 -0.1683(8) 0.0000 0.0000 -0.1683(8)~--0.3430(12)
0.0958(9) 0.5000 0.0000 0.4896 0.500 0.0000 0.48969.94%
iterasi diasumsikan bahwa atom cobalt terdistribusi secara acak clan menempati semua posisi atom Fe di dalam struktur kristalnya (lihat gambar 2), maka pada akhir iterasi temyata sampai dengan konsentrasi Co mencapai x = 0,3 posisi 6c sepenuhnya masih ditempati oleh atom Fe. Posisi 6c ini dikenal dengan 'dumbell" dengan jarak antar Oisini dapat pula di lihat bahwa dengan
pertambahan konsentrasi cobalt hingga x= 0,3 tidak diikuti dengan perubahan simetri grup ruang Namun demikian semakin bertambah konsentrasi cobalt terlihat adanya kecenderungan untuk pengurangan volume sel satuan dengan diikuti peningkatan ratio antara cia. (Iihat tabel 1). Mengingat pada awal
atom paling pendek dibandingkan dengan jarak antar atom diposisi lainnya. Sebaliknya untuk posisi 181 dan 18h kecendrungan atom-atom Co menempati posisi tersebut meningkat dengan pertambahan konsentrasi cobalt. Sedangkan di posisi 9d substitusi terjadi cukup lambat pada konsentrasi rendah. Dalam analisa stTUktur magnet bahan momen magnet baik Fe maupun Co dianggap sarna mengingat 'magnetic form factor' kedua elemen tersebut relatif hampir sarna.
Disini telah diasumsikan bahwa spin magnet atom co-Ii near satu sarna lain serta dalam arab tegak IUTUS sumbu-c seperti basil yang telah diperoleh oleh Kirchmayr dan Poldy [I] sebelumnya.
untuk Co yang sedikit lebih pendek apabila dibandingkan dengan Fe. Hasil ini ekivalen dengan yang diperoleh oleh Steiner dkk.[3] untuk bahan y 2(Fel-xCox),7 namun berbeda dengan hasil yang diperoleh oleh Herbs dkk[7]. ldentifikasi terhadap perubahan konstanta kisi kristal terhadap efek substitusi menunjukkan bahwa terjadi konstraksi
baik searah sumbu-c maupun sumbu-a. Walaupun
begitIJ ratio cia meningkat dengan rata-rata sekitar 1,457 yang apabila dibandingkan dengan kondisi sistem heksagonal yakni (8/3)1/2 = 1,633. Perubahan harga cia ini dapat mempengaruhi tingkat 'overlap' antara fungsi gelombang orbital 3d dari atom logam transisi yang ada, yang pada akhirnya dapat mengubah mekanisme interaksi antara momen magnet atom [7].
Satu hal yang menarik dari basil analisa struktur kristal yang diperoleh adalah pada posisi 6c sampai dengan konsentrasi cobalt x = 0,3 masih sepenuhnya diisi oleh atom Fe. Sedangkan apabila atom yang disubstitusikan mempunyai jari-jari ionik lebih besar daTi Fe seperti AI daD Ga pada posisi tersebut Fe hampir seluruhnya dapat digantikan [8,9]. lni diperkirakan mengingat volume Wigner-Seitz sel di posisi ini terbesar dibandingkan lainnya. Posisi 'dumbell' ini menjadi penting mengingat jarak antar atom Fe di posisi ini merupakan jarak terpendek, sehingga kemungkinan terjadi 'antifero magnetic coupling' antara spin momen magnet atom Fe. Namun demikian berdasarkan pengamatan pada beberapa seri bahan R2Fel7 yang disubstitusi dengan Co menunjukkan adanya peningkatan T c yang cukup tinggi [2,10]. Dari sini nampak bahwa atom di posisi 'dumbell' tidak banyak berpengaruh terhadap perubahan temperatur transisi bahan. Sebaliknya proses substitusi dalam bahan seri R2Fel7 yang menyebabkan sebagian besar alan seluruhnya atom pada posisi 6c memperlihatkan adanya perubahari anisotropi magnet ke arab sejajar sumbu-c [11,12]. Namun demikian karena dalam analisa struktur kristal ini roomeD magnet atom diiterasi hanya dengan anggapan bahwa spin momen magnet co-linear daD tegak lurus sumbu-c, maka akan sangat sulit melihat peran atom di posisi 6c terhadap orientasi magnet bahan. Sehingga daTi basil penelitian ini secara umum hanya dapat dikatakan bahwa atom-atom di posisi J 8f dan J 8h sangat
berpengaruh dalam
mekanisme perubahan
temperatur transisi bahan. Untuk membahas lebih jauh peningkatan temperatur transisi bahan sebagai efek substitusi Fe dengan Co dalam seri bahan maka perhitungan yang lebih mendetail mengenai struktur elektronik pita energi terutama dalam sistem Fe-Co masih s:L'lgat dibutuhkan.
z
,.dI.y
.R (6c) .Fe2 (9d) .Fe I (6c) .Fe3 (18t) .fe4 (J8h) Gambar 2. Struktur kristal sistem R2Fe17 tipe strukturTh2Zn17 (rhombohedral)
DISKUSI
Hasil analisa struktur magnet bahan yang telah diperoleh secara umum dapat dikatakan sebanding dengan basil yang telah diperoleh oleh Herbs dkk.[7]. Namun demikian apabila dibandingkan dengan faktor keakuratan peralatan yang digunakan, maka basil yang diperoleh disini dapat dikatakan lebih teliti dari yang diperoleh sebelumnya. Ini mengingat peralatan yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai resolusi tinggi, sedangkan Herbs dkk. masih menggunakan detektor tunggal dengan selang titik pengukuran yang lebih lebar, sehingga sulit menghindari adanya puncak-puncak Bragg yang berimpit satu sarna lain clan juga total selang pengukuran 29 yang lebih sempit (10° -90°).
Perubahan volume gel sawall dengan pertambahan jumlah kandungan Co di dalam struktur kristal bahan yang cenderung sedikit berkurang sangat beralasan, mengingat radius ionik
Pros;d;nJ! Perlemuan I/m;ah Sa;ns Maler; 1997 ISSN 1410 -2897
M.Sc selaku Ka. ISN yang memungkinkan pengambilan data difraksi neutron dapat dilakukan dan bantuan Sdr. Heri Mugirahardjo dalam pengumpulan data dengan HRPD serta Dr. Van Qi Wei dkk. yang telah menyiapkan cuplikan sehingga penelitian dapat berjalan dengan baik
KESIMPULAN
DAI'TARPUSTAKA
Hasil analisa stuktur kristal Nd2(Fe'-xCox),7 dengan x= 0,1 ;0,2;0,3 secara umum tidak jauh berbeda dengan yang telah diperoleh oleh peneliti sebelumnya. Namum basil dalam penelitian ini lebih akurat mengingat fasilitas yang digunakan adalah difraktometer bubuk resolusi tinggi.
Substitusi atom Fe dengan Co sampai dengan x = 0,3 tidak menyebabkan adanya perubahan struktur kristal maupun operasi simetri grup ruang dari master ingot. Kecenderungan volume sel satuan kristal yang mengecil sangat mungkin berkaitan dengan jari -jari atom Co yang relatif lebih kecil dari atom Fe. Perubahan antara ratio cia yang membesar sebanding dengan peningkatan temperatur Curie yang ditemukan dalam bahan seri R2Fe'7 dengan substitusi Fe dengan Co, diperkirakan akibat adanya perubahan mekanisme struktur pita elektronik (band electronic structure) Fe-Co pada posisi-posisi ! dan h .Hasil analisa menunjukkan bahwa populasi atom Co hingga konsentrasi substitusi mencapai x = 0,3 tidak menempati posisi-posisi atom Fe secara acak seperti yang diperkirakan, melainkan hanya cenderung menempati posisi ! dan h diikuti dengan d. Sedangkan diposisi 6c sepenuhnya masih ditempati oleh atom Fe. Hal ini berbeda dengan substitusi Fe dengan atom dengan AI ataupun atom lain yang cenderung menempati posisi 6c yang kemudian disertai dengan perubahan arab orientasi magnet. Sehingga dalam penelitian ini hanya dapat dikatakan bahwa atom pada posisi 6c tidak mempunyai peranan yang penting dalam perubahan suhu transisi Curie, melainkan hanya atom-atom di posisi 18! dan J 8h yang mungkin sangat berpengaruh.
UCAP AN TERIMA KASIH
