EFEK DOPING Ni DALAM SINTESIS MATERIAL MULTIFERROIK BiFeO3 BERBASIS PASIR BESI DENGAN METODE KOPRESIPITASI Hariyanto 1108 100 016 Pembimbing: Prof.Dr. Darminto, M.Sc Malik Anjelh Baqiya, M.Si
Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember
LATAR BELAKANG • Bahan multiferoik sangat menarik untuk dikaji memiliki sifat ferroelektrik dan ferromagnetik sekaligus. • Sintesis multiferoik BiFeO3 kebanyakan berbahan dasar Fe atau Fe2O3 murni, hasil dari oalahan pabrik • Sulitnya mendapatkan fase BiFeO3 murni dengan metode kopresipitasi
TUJUAN • Menentukan dan menganalisis kandungan fase BiFeO 3 yang didoping Ni, baik secara kualitatif dan kuantitatif. • Menentukan pengaruh penambahan doping Ni terhadap puncak pola difraksi fase BiFeO3. • Menentukan pengaruh vareabel heat treatment terhadap laju pertumbuhan Kristal • Mengetahui sifat bahan dari nilai suseptibilitas magnet
•Apa yang menarik dari BiFeO3 ? •
Multiferroik adalah suatu bahan yang memiliki dua atau lebih parameter sifat ferroik secara serempak seperti ferroelektrik , ferromagnetik dan ferroelastik [ martin, 2012 ] Aplikasinya, apa ?
aplikasi baru seperti elemen memori magnetik yang dipicu oleh medan listrik device elektronik baru (Balamurugan, 2009).
•Mengapa menggunakan metode kopresipitasi ? • •
• •
•
Metode sederhana menggunakan konsep pengendapan Menggunakan suhu rendah <100C Peralatan yang digunakan sangat sederhana Pencucian dilakukan hingga pH 7 Drying dapat secara alami atau dengan oven ~70 oC
PENELITIAN SEBELUMNYA hasil Nama Penulis
NURUL FITRIA DWI YULI R.
RETNO ASIH
Metode
Kopresipitasi
Kopresipitasi
Kopresipitasi
Bahan Dasar
Suhu
[oC]
Holding Time
Pelarut
BiFeO3
BFO
-[%]
[%]
Garam FeCl3 Pasir Besi
H2O
750
3 jam
45
-
HCl
750
3 jam
8,4
-
Pasir Besi
HNO3
750
3 jam
0
-
Pasir Bisi Fe2O3
HCl
750
4(2+2)jam
37,1
55,3
Pasir besi Fe2O3
HCl
750
6(2+2+2)jam
22,3
71
PERMASALAHAN Fasa pengotor lazim muncul pada setiap sintesis BiFeO3 dengan metode apapun, dan sulit dihindari (Hua, et al, 2010; Yuan, et al, 2006). Pertama, evaporasi komponen Bi terjadi sangat mudah terbentuk diawal sintesis karena suhu dekomposisi garam bismuth sangat rendah sehingga komponen Bi2O3 muncul kembali di akhir produksi sebagai impuritas . Ke dua, area sintesis fase BiFeO3 berdasar kan diagram fase sangat beda tipis sekali, dimana ada dua impuritas Bi2Fe4O9 dan Bi25FeO39 atau Bi25FeO40 yang biasanya merupakan fase subtitusi sebelum membentuk fase BiFeO3
Modifikasi parameter sintesis Modifikasi stoikiometri Doping
STRUKTUR BiFeO3 Pada suhu ruang bismuth ferit memiliki struktur perovskit rhombohedral dengan grup ruang R3c
Gambar 1 Struktur Perovskit BiFeO3 R3c dalam ideal kubik struktur perovskit ion oksigen akan menempati situs face center
CRYSTAL MAKER
(Neaton, J. b. 2005)
DASAR TEORI
DIAGRAM FASA BiFeO3
Fe2O3 : Bi2O3 = 1: 1
(Lu,J.2011)
DASAR TEORI
Ferroelektirk
• Ferroelektrik adalah gejala terjadinya perubahan polarisasi listrik secara spontan pada material akibat penerapan medan listrik yang mengakibatkan adanya ketidaksimetrisan struktur kristal pada suatu material ferroelektrik.
DASAR TEORI
Ferromagnetik
Medan magnet terjadi karena adanya gerakan muatan listrik. Secara makroskopis bahan magnetik mengandung sekumpulan dipol magnet. Sedangkan secara mikroskopis elektron dalam atom beredar mengelilingi inti dan berputar terhadap sumbunya(spinning). Medan magnet akibat orbit dan spin elektron ini dapat dipadu seperti perpaduan vektor, dan hasil perpaduannya disebut dengan resultan medan magnet atomis. Dipol magnet dipengaruhi oleh banyaknya elektron yang tidak berpasangan Pada BiFeO3, Fe memegang peranan dalam berkontribusi memberi sifat magnet (pradogonjala,2011)
DASAR TEORI
PENYIMPANGAN PUNCAK AKIBAT DOPING BFO : BiFeO3 BSF : BiFeO3 doping Sm BFT : BiFeO3 doping Ti BSFT : BiFeO3 doping Sm dan Ti Puncak BSF bergeser ke kanan Puncak BFT bergeser ke kiri Jari-jari Sm < jari-jari Bi Jari-jari Ti > jari-jari Fe (Dong Hong, 2011)
HUKUM BRAGG Sin θ berbanding terbalik dengan d dan a
DASAR TEORI
Ti = [Ar] 4s2 3d2 Sm = [Xe] 6s2 4f6
Fe = [Ar] 4s2 3d6 Bi = [Xe] 6s2 4f14 3d10 6p3
DASAR TEORI
METODELOGI SINTESIS Fe3O4 PASIR BESI
SINTESIS BiFeO3 Bi2O3 + H2SO4
Fe3O4 + H2SO4
NiSO4 + H2O
Ekstraksi
Hasil Ekstrak
LARUTAN 1
Kopresipitasi
Diaduk ± 30 menit
Fe3O4
LARUTAN 1 + NaOH
LARUTAN 2 dan ENDAPAN
ENDAPAN
LARUTAN 2
STOIKIOMETRI 2Fe3O4 + 3Bi2O3 + ½O2
6BiFeO3
Fe3O4 : Bi2O3 = 2 : 3 Pers. Reaksi 2Fe3O4 + 8H2SO4 3Bi2O3 + 9H2SO4
2Fe2(SO4)3 + 2FeSO4 + 8H2O 3Bi2(SO4)3 + 9H2O
2Fe2(SO4)3 + 2FeSO4 + 8H2O + 3Bi2(SO4)3 + 9H2O + ½ O2 + 34NaOH = 6BiFeO3 + 17Na2SO4 + 34H2O
HEAT TREATMENT •HASIL
UJI TGA •JURNAL – JURNAL YANG SERUPA Ying-Hao Wang juga pernah melakukan penelitian yang serupa yakni mempelajari efek dari doping Ni terhadat struktur kristal BiFeO3, dengan menggunakan metode sol gel. Dengan variasi pemanasan 600oC, 700oC dan 800oC, fase BiFeO3 tampak jelas pada pemanasan 600oC(Ying-Hao, 2011) M. Thrall, menggunakan metode liquid mixing dengan vareabel suhu 400oC, 500oC, 550oC, 600oC, 650oC dan 700oC. Fase BiFeO3 yang optimal pada pemanasan diatas suhu 650oC (M. Thrall, 2008)
HASIL DAN PEMBAHASAN
•
Analisa bahan dasar •
Fe3O4 Fe3O4 impuritas
FraksiVolum Fe3O4 = 99,53%
•
Dopan Ni
NiSO4.6H2O impuritas
FraksiVolum NiSO4.6H2O = 89%
HASIL SINTESIS BiFeO3 Holding time Metode
Doping
Pemanasan
Simbol
Sampel 1
kopresipitasi
0%
500 OC
1 jam
BFO-A
Sampel 2
kopresipitasi
0%
600 OC
1 jam
BFO-B
Sampel 3
kopresipitasi
0%
700 OC
1 jam
BFO-C
Sampel 4
kopresipitasi
25 %
600 OC
1 jam
BFO-D
Sampel 5
kopresipitasi
25 %
600 OC
2 jam
BFO-E
Sampel 6
kopresipitasi
25 %
600 OC
3 jam
BFO-F
Sampel 7
kopresipitasi
50 %
600 OC
1 jam
BFO-G
Sampel 8
kopresipitasi
50 %
600 OC
2 jam
BFO-H
Sampel 9
kopresipitasi
50 %
600 OC
3 jam
BFO-I
IDENTIFIKASI FASA DAN FRAKSI VOLUME • BFO TANPA DOPING BiFeO3
Bi46Fe2O72
Bi2Fe4O9
Gambar 9 Pola Difraksi BFO-A (bawah), BFO-B (tengah) dan BFO-C (atas)
• BFO DOPING 25% Ni BiFeO3
Bi25FeO40
Bi2Fe4O9
Bi46Fe2O72
Gambar 10 Pola Difraksi BFO-D (bawah), BFO-E (tengah), dan BFO-F (atas)
• BFO DOPING 50% Ni BiFeO3
Bi25FeO40
Bi2Fe4O9
Bi46Fe2O72
Gambar 11 Pola Difraksi BFO-G (bawah), BFO-H (tengah), dan BFO-I (atas)
•
Fraksi volum masing – masing fase Sekunder
Primer BiFeO3
Bi2Fe4O9
Bi25FeO40
Bi46Fe2O72
Fase pengotor
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
BFO-A
70,34
29,66
-
-
-
BFO-B
43,13
44,29
-
12,58
-
BFO-C
28,04
52,73
-
19,23
-
BFO-D
28,9
2,24
59,44
9,42
-
BFO-E
30,47
3,81
54,77
10,95
-
BFO-F
31,16
3,9
53,36
11,58
-
BFO-G
15,87
2,55
77,25
4,33
-
BFO-H
18,86
2,36
73,35
5,43
-
BFO-I
19,43
5,08
68,29
7,2
-
IDENTIFIKASI UKURAN KRISTAL BFO-D
UKURAN KRISTAL BiFeO3 31,417
B FO-E
33,797
BFO-F
35,64
BFO-G
29,687
BFO-H
49,723
BFO-I
54,608
PENGARUH HOLDING TIME BFO doping 25% Ni
•
Fraksi Volum BiFeO3
Ukuran Kristal BiFeO3
28,9
31,417
2 jam
30,47
33,797
3 jam
31,16
35,64
1 jam
•
BFO doping 50% Ni Fraksi Volum BiFeO3
Ukuran Kristal BiFeO3
1 jam
15,87
29,687
2 jam
18,86
49,723
3 jam
19,43
54,608
Holding Time
Fraksi Volum
Ukuran Kristal
PENGARUH DOPING Puncak BiFeO3 sedikit bergeser ke kanan
Gambar 12 Perbandingan Pola Difraksi BiFeO3 0% Ni, BiFeO3 25%Ni dan BiFeO3 50% Ni
SUSEPTIBILITAS MAGNET Dari hasil pengukuran nilai R sampel menggunakan alat Magnetic Susceptibility Balance , semua sampel memiliki nilai R lebih dari 1000, artinya bahan memiliki sifat ferromagnetik
KESIMPULAN 1. BiFeO3 telah berhasil disintesis menggunaka nmetode kopresipitasi meski terdapat fase sekunder seperti Bi2Fe4O9, Bi25FeO40 dan Bi46Fe2O72. Dengan Range fraksi volum fase primer 15,87% - 70.34%, dimana fraksi tertinggi diperoleh pada perlakuan sampel 0% Ni, suhu 500oC dan holding time 1 jam. 2. Penambahan Ni akan menggeser pola difraksi BiFeO3 kekanan, karena atom Ni relative lebih kecil dari atom Fe 3. Ukuran kristal yang terbentuk dipengaruhi oleh lama holding time. Semakin lama holding time maka akan didapat ukuran kristal yang semakin besar dan sebaliknya. 4. Semua sampel yang diperoleh pada sintesis ini bersifat ferromagnetik
Terima kasih
G RAFIK
TGA SAMPEL PREKURSOR Massa sampel cenderung lebih stabil diatas suhu pemanasan 450oC, sehingga diambil vareasi suhu dari 500oC sampai 700oC sebagai vareasi suhu pada perlakuan panas sampel
Gambar 12 Grafik TGA sampel prekursor
P ERBANDINGAN
NILAI R PADA
PENELITIAN SEBELUMNYA
43,13
BiFeO3 (%)
Bi2Fe4O9 (%)
Bi25Fe2O40 (%)
Bi46Fe2O72 (%)
Konstanta R
38,95
56,60
-
-
846
39,30
54,84
5,08
0,768
977
42,11
52,96
3,45
1,4719
>1000
44,41
46,82
2,01
6,75
>1000
70,34
Sampel 1, BiFeO3 = 70,34 Sampel 2, BiFeO3 = 43,13 Sampel 3, BiFeO3 = 28,04
BiFeO3 doping Pb (Amrillah, 2012)
Mengapa R sampel 3 bisa lebih dari 1000?
Dimungkinkan karena pengaruh fase sekundernya memiliki sifat ferromagnetik
N ILAI R
PADA SAMPEL YANG DIDOPING
NI
Nilai R semua sampel yang didoping Ni menunjukkan lebih dari 1000 Kemungkinan ini bisa diakibatkan olen kehadiran Ion Ni3+ Ion Ni3+ memiliki jumlah elektron tidak berpasangan lebih banyak dari ion Fe3+
