Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No.

SINTESIS SUPERKONDUKTOR NdBa2Cu3O7-δ NANOKRISTAL DENGAN METODE KIMIA BASAH

Fajar Budiyanto 1*, Darminto 2

Jurusan Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember(ITS) Sukolilo, Surabaya 601111* Fajar09@mhs.physics.ac.id

Jurusan Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Sukolilo, Surabaya 601112

Abstrak

Sintesis superkonduktor NdBa2Cu3O7-δ nanokristal dari serbuk Nd2O3, BaCO3, dan CuO, sebagai material dasar, dengan metode kimia basah. Material yang diperoleh dikarakterisasi menggunakan X-Ray Difraction (XRD) untuk identifikasi fasa dan perangkat lunak PANalytical High Score Plus (HSP) untuk pencocokan kandungan fasa. Sampel dengan kalsinasi bertahap 400-500-600oC, dan suhu sinter 850oC didapatkan hasil terbaik pada waktu sinter 15 menit, dengan fraksi volume 66,01% dan ukuran butir 85,93 nm. KATA KUNCI : nanokristal, superkonduktor, kimia basah, kalsinasi, sinter

The synthesis of nanocrystalline NdBa2Cu3O7-δ superconductor using Nd2O3, BaCO3, dan CuO as starting materials by wet chemical methods is has been carried out. The resulted powders were characterized by using X-Ray Difraction (XRD), employing PANalytical High Score Plus (HSP) software for search-match of phase content. Sampels with step calcination of 400-500-600oC and sintering process at 850oC for 15 minutes yield 66.01% volume fraction of NdBa2Cu3O7-δ with crystal size of 85.95 nm. KEYWORDS : nanocrystal, superconductor, wet mixing, calcination, sinter

1. Pendahuluan Pada saat ini ilmuwan masih melakukan

penelitian untuk mendapatkan bahan superkonduktor yang berada dalam suhu kamar, karena temperatur kritis (Tc) superkonduktor yang baru ditemukan Tl2Ca2Ba2Cu3O10 masih rendah sekitar 125oK. Untuk merealisasikan rencana besar ini ilmuwan masih mengalami banyak kendala yang diantaranya membuat bahan superkonduktor yang memiliki suhu kritis mendekati suhu ruang, mempunyai fasa murni, densitas tinggi, homogenitas tinggi, ukuran butir yang kecil, rapat arus kritis tinggi (Tc), dan medan magnetik kritis tinggi (Hc), sehingga pengaplikasiannya tidak memerlukan biaya yang mahal (Cyrot, 1992).

Superkonduktor (RE)1Ba2Cu3O7-δ merupakan bahan pengembangan dari superkonduktor YBa2Cu3O7-δ. Tujuan penggantian unsur Y dengan unsur tanah jarang RE (rare earth) adalah untuk meningkatkan medan magnetik kritis (Hc) bahan, karena diketahui bahwa unsur-unsur tanah jarang Nd merupakan bahan magnetik dimana neodymium bersifat paramagnetik dan antiferromagnetik dibawah temperatur 20 K. Penelitian (RE)1Ba2Cu3O7-δ sudah banyak dilakukan, hanya saja konsentrasi penelitian masih berkisar pada pengamatan struktur mikro (microstructure). Penelitian terbaru adalah ditemukannya sifat

surface ferromagnetic, yang bisa ditemukan pada bahan dalam orde nano. Superkonduktor dalam orde nano memiliki nilai resistivitas nol, tetapi tidak dapat diuji dengan efek Meissner karena ukurannya yang terlampau kecil sehingga ditembus oleh medan magnet (Shipra, 2007).

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan superkonduktor NdBa2Cu3O7-δ (NBCO) dalam ukuran nano (ukuran < 100nm) dan memiliki fraksi volume yang besar dengan menggunakan metode pencampuran basah. Metode pencampuran basah pada dasarnya melarutkan sampel serbuk dalam HNO3 dengan dijaga derajat keasaman, suhu dan kecepatan pengadukan hingga larutan tersebut mengerak membentuk padatan. Padatan ini kemudian dikalsinasi, disinter dan dari hasil analisis diperoleh ukuran sampel nano. Metode ini nantinya juga digunakan dalam sintesis bahan superkonduktor NdBa2Cu3O7-δ (Putri, 2010). 2. Metodologi yang diterapkan

Penelitian ini menggunakan metode pencampuran kimia basah dengan membandingkan variasi waktu kalsinasi dan variasi waktu sinter, dengan suhu sinter yang digunakan adalah 850oC.

Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No.

Gambar 1. Diagram alir penelitian

Bahan pertama masing-masing Nd2O3, BaCO3, dan CuO dilarutkan dengan HNO3 yang telah diencerkan, setelah masing-masing bahan berwarna jernih kemudian dicampurkan dan diaduk pada magnetic stirrer dengan suhu pemanasan 70oC. Prekursor kemudian dikeringkan pada suhu 150oC selama 1 jam. Bahan pertama hasil pengeringan kemudian dilakukan kalsinasi pada suhu 600oC selama 1 jam, kemudian dilakukan sinter pada suhu 850oC dengan variasi waktu 1, 3, dan 5 jam. Bahan kedua hasil pengeringan kemudian dilakukan kalsinasi secara bertahap pada suhu 400oC selama 1 jam, 500oC selama 1 jam, dan 600oC selama 1 jam, kemudian dilakukan sinter pada suhu 850oC dengan variasi waktu 15, 30, dan 60 menit. Setelah bahan disinter kemudian dilakukan karakterisasi dengan XRD. Hasil dari XRD dilakukan pencocokan profil dengan menggunakan perangkat lunak HSP, dari pencocokan ini dapat dihitung besarnya fraksi volume dan ukuran kristal dari bahan.

Ukuran kristal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

bBD

θλ

cos≈ (1)

Dengan : D adalah ukuran (diameter) kristal

λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan θb adalah sudut Bragg B adalah lebar dari setengah tinggi puncak difraksi yang dipilih (Abdullah, 2008). 3. Hasil dan Pembahasan

Pada penelitian bahan superkonduktor NdBa2Cu3O7-δ dengan kalsinasi tunggal 600oC selama 1 jam dan variasi waktu sinter, dilakukan karakterisasi dengan XRD sehingga didapatkan grafik seperti gambar 2. Hasil dari XRD ini kemudian dilakukan search match menggunakan software High Scrore Plus (HSP) untuk mengetahui fasa yang terbentuk. Kemudian hasil dari search match ini digunakan untuk mendapatkan fraksi volume dan ukuran kristal seperti pada tabel 1.

Gambar 2. Hasil XRD sampel kalsinasi suhu tunggal dengan variasi waktu sinter 1, 3, dan 5 jam.

Hasil perhitungan fraksi volume dan ukuran butir NBCO dengan kalsinasi 600oC selama 1 jam ditabelkan seperti di bawah : Tabel 1: fraksi volume dan ukuran butir NdBa2Cu3O7-δ pada suhu kalsinasi tunggal dan variasi waktu sinter

No Waktu sinter (jam)

Fraksi volume (%)

Ukuran butir (nm)

2θ int (100%)

1 1 45,7 116,32 32,418 2 3 46,6 139,99 32,435 3 5 55,9 174,32 32,434

Dari analisis perhitungan, komposisi

fasa untuk superkonduktor NdBa2Cu3O7-δ dengan suhu sinter 1 dan 3 jam belum terdapat fasa Nd123 yang diinginkan karena fraksi volumenya masih di bawah 50%, fasa BaCuO2 dan Ba2Cu3O5+x ditemukan sebagai impuritas pada sampel. Saat waktu sinter ditambahkan, fraksi volume naik menjadi 55,9%. Bahan dengan kalsinasi 600oC selama 1 jam menghasilkan ukuran butir di atas 100 nm, pada kalsinasi selama 1 jam, oksida keramik masih belum

+ Nd2O3+BaCO3+CuO HNO3+H2O

diaduk pada suhu 70oC

PREKURSOR

KERAK BIRU (dikeringkan)

suhu 150oC, 1 jam

KALSINASI

600oC, 1 jam

SINTER 850oC

1, 3, dan 5 jam

400-500-600oC, 3 jam

KALSINASI

SINTER 850oC

15, 30, dan 60 menit

KARAKTERISASI

KESIMPULAN

Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No.

terbentuk, sehingga fraksi volume NdBa2Cu3O7-δ masih sangat kecil.

Penelitian kedua, dilakukan kalsinasi secara bertahap, dari suhu 400-500-600oC selama 3 jam. Tujuan dari kalsinasi bertahap ini agar oksida keramik NdBa2Cu3O7-δ sudah mulai terbentuk pada saat kalsinasi, sehingga pada saat sinter memudahkan terjadinya difusi antar permukaan dan meningkatkan fraksi volume.

Gambar 3. Hasil XRD sampel kalsinasi suhu bertahap 400-500-600oC dengan variasi waktu sinter 15, 30, dan 60 menit.

Hasil perhitungan fraksi volume dan ukuran butir NBCO dengan kalsinasi 400oC selama 1 jam, 500oC selama 1 jam, dan 600oC selama 1 jam ditabelkan seperti di bawah : Tabel 2: fraksi volume dan ukuran butir NdBa2Cu3O7-δ pada suhu kalsinasi bertahap dan variasi waktu sinter

No Waktu sinter (menit)

Fraksi volume (%)

Ukuran butir (nm)

2θ int (100%)

1 15 66,0 85,93 32,429 2 30 68,8 93,29 32,440 3 60 71,9 114,33 32,484

Untuk NdBa2Cu3O7-δ dengan kalsinasi

bertahap pada suhu 400-500-600oC didapatkan fraksi volume yang lebih baik jika dibandingkan kalsinasi suhu tunggal. Pada variasi waktu sinter, 15 dan 30 menit, ukuran kristal masih berorde nano, yaitu antara 1 hingga 100 nm seperti terlihat pada tabel 2. Saat waktu sinter dinaikkan menjadi 1 jam, ukuran kristal naik menjadi 114,33 nm. Dari membandingkan tabel 1 dan 2 untuk waktu sinter yang sama, yaitu 1 jam. Kedua sampel memiliki ukuran kristal yang hampir sama, tetapi memiliki fraksi volume yang berbeda jauh. Hal ini menunjukkan bahwa variasi waktu kalsinasi memberikan pengaruh pada faksi volume sampel pada proses sinter. Pada kalsinasi bertahap, NdBa2Cu3O7-δ sudah terbentuk dari kalsinasi, sinter berfungsi untuk meningkatkan fasa Nd123 yang terbentuk. (Putri, 2010)

Ukuran kristal secara fisis sangat dipengaruhi oleh perlakuan awal saat

pengadukan bahan di atas hot plate stirrer, suhu sinter dan lamanya suhu penahanan (holding time). Semakin lama dan semakin cepat putaran pengadukan dari magnetic stirrer menyebabkan partikel bahan terpecah menjadi atom-atom dengan ukuran yang semakin kecil, bahkan menjadi nanoskopis.

Pelarutan BaCO3 dengan HNO3 yang telah diencerkan dengan akuades juga memberikan pengaruh pada pemecahan molekul-molekul senyawa pada bahan tersebut sehingga memungkinkan terbentuknya ion-ion yang lebih mikroskopis bahkan nanoskopis dibandingkan dengan pelarutan tanpa pengenceran. Hal ini karena BaCO3 lebih mudah bereaksi, sehingga dari proses ini diharapkan dapat dihasilkan ukuran sampel yang jauh lebih kecil dan memungkinkan memiliki ukuran di bawah 100 nm.

Proses kalsinasi yang dilakukan akan memberikan pengaruh pada ukuran kristal yang, karena pada proses ini akan menentukan apakah fasa yang diharapkan bisa terbentuk. Apabila pada saat kalsinasi sudah terbentuk fasa yang diinginkan, maka pada saat sinter, proses aglomerasi akan berjalan lebih lambat. Hal ini bisa dilihat dengan membandingkan data dari dengan variasi kalsinasi dengan waktu yang sama, yaitu 1 jam, kalsinasi sampel NBCO secara bertahap menghasilkan ukuran yang lebih kecil dan fraksi volume yang lebih besar. Hal ini karena sebagian fasa BaCuO2 sudah mulai terdekomposisi, sehingga sudah mulai muncul fasa NdBa2Cu3O7-δ. Suhu dekomposisi dari BaCuO2 berada pada 838,21oC, sehingga saat sampel NdBa2Cu3O7-δ dipanaskan hingga suhu 850oC, masih terdapat fasa BaCuO2 (Park, 1993). Ukuran kristal akan tumbuh lebih lambat pada saat sinter, karena adanya perubahan fasa yang telah terjadi.

Suhu sinter dan lamanya waktu penahanan juga mempengaruhi ukuran kristal yang terbentuk. Karena saat disinter, butir kristal mengalami proses pertumbuhan butir (grain growth) dimana ukuran butir menjadi lebih besar dari sebelumnya. Bila suhu sinter yang digunakan ternyata bukan suhu optimumnya, maka dapat diperkirakan ukuran kristalnya menjadi lebih atau bahkan sangat besar sehingga mencapai satuan mikrometer. Dan pada saat holding time, butir mengalami masa pemulihan (recovery) untuk menyusun diri dan menghindari terbentuknya cacat kristal dengan membentuk struktur yang lebih rapat, dan pada saat itu pula, batas-batas butir saling berdekatan dan tidak menutup kemungkinan untuk berpadu satu sama lain. Sehingga, lamanya waktu penahanan ini juga dapat mempengaruhi besar kecilnya ukuran kristal.

Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 27 Juli 2011 ISBN No.

Saat material dilakukan proses sinter, yang besarnya sepertiga dari titik leleh, pada proses ini terjadi terjadi necking, difusi antar permukaan, dan transformasi fasa. Pada pemanasan ini digunakan krusibel alumina yang tahan pada suhu tinggi, sebab saat digunakan krusibel biasa, sebagian material krusibel akan menyerap bahan uji ke dalam krusibel. Jenis furnace juga akan memberikan pengaruh pada karakteristik bahan, karena akan mempengaruhi proses terjadinya pertukaran oksigen pada sampel dan menguapkan karbonat. Proses perlakuan panas juga akan memberikan pengaruh terhadap kuantitas senyawa karbonat pada sampel, sebab senyawa ini akan terus muncul hingga suhu 920oC. Pada bahan sampel ini tidak terdeteksi senyawa karbonat, meskipun dilakukan proses perlakuan panas pada suhu di bawah 920oC, namun waktu perlakuan juga memberikan pengaruh terhadap kuantitas senyawa tersebut (Deptuka, 1995).

Pada analisis hasil dari XRD hanya digunakan software HSP untuk melakukan search match dan mendapatkan FWHM. Hasil dari FWHM ini akan dimasukkan pada persamaan 1, yang kemudian akan didapatkan ukuran kristal yang diharapkan. Sedangkan untuk mendapatkan fraksi volume dari bahan, dilakukan pencocokan fasa difraksi kristal superkonduktor NdBa2Cu3O7-δ. Setelah didapatkan puncak yang sesuai, maka untuk mendapatkan fraksi volume dilakukan dengan menjumlah luas daerah fasa profil, dibagi dengan luas keseluruhan.

Berdasarkan hasil perhitungan dan analisa kualitatif serta kuantitatif terhadap ukuran kristal dan fraksi volume fasa superkonduktor Nd123, diperoleh dua sampel yang memiliki fraksi volume yang tinggi dan ukuran kristal di bawah 100 nm, yaitu sampel dengan kalsinasi bertahap dan suhu sinter 15 dan 30 menit.

4. Kesimpulan

Sampel NdBa2Cu3O7-δ yang terbentuk dari kalsinasi tunggal tidak dapat menghasilkan superkonduktor dengan fraksi volume yang besar dan berorde nano. Sampel NdBa2Cu3O7-δ dengan kalsinasi bertahap 400-500-600oC, didapatkan hasil terbaik pada waktu sinter 15 menit, dengan fraksi volume 66,0% dan ukuran butir 85,93 nm. 5. Pustaka Abdullah, M. (2008), “Review: Karakterisasi

Nano Material”, Jurnal nanosains dan nanoteknologi. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, ITB, Bandung.

Cyrot, M, and Pavuna, D. (1992). Introduction To Superconductivity and Hight-Tc Material. World scientific, Singapore.

Deptuka, A., Olczak, T., Kada, W., Bartolomeo, A., Brignocchi, A., (1995), “Some Aspects of Thermal Conversion of Gels to YBCO and BSCCO Superconductors. Removal of Carbonates From Intermediete Phase”, Applied Superconductivity, Vol. 2, No 9, pp. 613-619, Geat Britain.

Hardiyasa, I., (2010). Difraksi Kristal Superkonduktor NdBa2Cu3O7-δ, YBa2Cu3O7-δ, dan (Nd0,5Gd0,5)Ba2Cu3O7-δ, Tugas Akhir., Jurusan Fisika FMIPA ITS, Surabaya,: p. 71-74

Park, H., Sinha, S., (1993), “YBa2Cu3O7-x Superconductors Via Oxide Precursor Containing BaCuO2.5”, Applied Superconductivity Vol 1, no 1/2, pp.157-163, Great Britain.

Putri, F., (2010), Sintesis Superkonduktor Nanokristal NdBa2Cu3O7-δ Dengan Metode Pencampuran Basah Dan Variasi Suhu Sinter, Tugas Akhir., Jurusan Fisika FMIPA ITS, Surabaya,: p 36-37.

Shipra, A. Gomathi, A. Sundaresan , C.N.R. (2007). “Room-temperature ferromagnetism in nanoparticles of superconducting materials”, Jawaharlal Nehru Centrefor Advanced Scientific Research, Jakkur P.O., Bangalore 560064, India.