110
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 hal. 110-115
Evolusi Struktur Kristal dan Magnetodielektrik Senyawa Spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ. M. Diantoro, A. Wahab, U. Nafiah Jurusan Fisika, Universitas Negeri Malang, Jl. Semarang No. 5 Malang 65145 Indonesia.
[email protected]
INTISARI Pencarian material yang memiliki derajat ganda atau multi functional material terus dilakukan. Salah satu dari kandidat senyawa tersebut adalah senyawa spintronik berbasis TiO2 dengan subtitusi Cr untuk mengubah struktur kristal dan orbital serta sifat fisis berkaitan. Sebagai bagian dari kajian perilaku dasar senyawa ini di lakukan pada Ti0,97Cr0,03O2±δ. Sebagai fungsi darilama sintering. Sintesis dilakukan melalui reaksi fase padatan (solid state reaction). Lama sintering yang digunakan adalah 2 jam, 4 jam, 6 jam, 8 jam, 10 jam, dan 12 jam dengan suhu sintering 1000oC. Sampel serbuk spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X dan dianalisis dengan metode Rietveld berdasarkan program GSAS dengan bantuan EXPGUI. Berdasarkan hasil analisis refinement kemudian dilakukan analisis parameter kisi, jarak antar atom dan sudut antar atom. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan bertambahnya lama sintering meningkatkan konstanta dielektrik secara eksponensial sampai nilai optimum tertentu selanjutnya menurun sampai pada sintering 12 jam. Penerapan medan magnet pada senyawa ini meningkatkan nilai konstanta dielektrik untuk keseluruhan rentang pengukuran dengan pola relasi konstanta dielektrik (ε)– waktu (t) sintering yang serupa dengan tanpa medan magnet. Peningkatan medan magnet pada senyawa ini menurunkan nilai tanpa mengubah pola hubungan ε - t. Sejalan dengan relasi ε - t, parameter kisi kristal rutil (Ti,Cr)O2 a, b dan c mengikuti relasi inversi terhadap lama sintering. Indikasi optimasi pertumbuhan kristal dan dielektrisitas menunjukkan adanya batas solubilitas elektronik senyawa ini. Kata Kunci: struktur kristal, Spintronik, magnetodielektrik, lama sintering, (Ti,Cr)O2
I.
PENDAHULUAN
I.1. Spintronik Seperti diketahui, bahan semikonduktor dapat dimanfaatkan untuk memproses data dimana data tersebut disimpan dalam disk drive magnetik yang merupakan fungsi dari bahan magnetik (Hsiu, 2004). Spintronik merupakan semikonduktor yang didoping dengan bahan magnetik dalam konsentrasi rendah (Xu, 2005). Pada dasarnya elektron memiliki empat parameter fisis sekaligus yaitu massa, muatan listrik, spin, dan orbital. Namun dalam pemunculannya biasanya hanya satu bagian saja yang paling menonjol. Awalnya, secara teoretis studi tentang bahan spintronik ini dapat menjelaskan fenomena fisis lain yang banyak menjadi kontroversi yang menarik, misalnya superkonduktor dan ”Colossal Magneto Resistance” (CMR) [02]. Ilustrasi yang cukup mudah dipahami berdasarkan kehidupan sehari-hari dapat diperoleh dalam Saikin [2003]. Semikonduktor yang banyak digunakan dalam kajian saat ini adalah ZnO dan TiO2. Struktur ikatan dalam kristal atau molekul juga tidak simetris. Dengan kondisi seperti ini, elektron valensi tidak mudah untuk berpindah dari satu lingkungan ikatan kristal atau molekul kelingkungan tetangga terdekatnya. Akibatnya, jika molekul ini diberi medan listrik maka elektron tidak loncat apa lagi bergerak bebas seperti dalam ikatan logam. Sebagai gantiya, molekul ini merespons medan listrik dengan mengubah orientasi ikatan atau mengubah sudut ikatan dengan penyimpanan energi pada batas tertentu. Gejala ini disebut polarisasi bahan dielektrik. Dalam bentuk Kristal, TiO2 muncul dalam tiga fase yaitu rutile, anatase, dan brookite. Kristal TiO2 anatase dapat terbentuk akibat pemanasan TiO2 amorf pada suhu 400 oC hingga 600 oC sedangkan pemanasan hingga 700 oC akan menyebabkan kristal anatase bertranformasi menjadi rutile (Diebold, 2003). TiO2 rutile mempunyi struktur kristal tetragonal dengan jaringan ikatan kovalen, seperti terlihat dalam Gambar 2.2. Tiap-tiap atom Ti dalam koordinat tetragonal dikelilingi enam atom O. Senyawa TiO2 rutile memiliki group ruang P 42/m n m dengan posisi atomik ditampilkan di Tabel 2.2. Kristal TiO2 memiliki parameter kisi pada suhu ruang sebesar a = 4,5922 Ǻ; b = 4,5922 Ǻ; c = 2,9574 Ǻ. Tabel. 1 Posisi Atomik TiO2 (Sumber: http://www.americanminerallogyst.com)
ISSN 0853 - 0823
Atom
Notasi Wyckoff
x
y
z
Ti
2a
0
0
0
O
4f
0,30496 Å
0,30496 Å
0
M. Diantoro, dkk / Evolusi Struktur Kristal Dan Magnetodielektrik Senyawa Spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ.
111
I.2. Polarisasi Bahan Dielektrik Dalam bahan dielektrik, kumpulan momen dipol membentuk polarisasi (P), yakni jumlah momen dipol persatuan volume. Untuk suatu kristal, polarisasi merupakan jumlah momen dipol dalam suatu sel satuan dibagi dengan volume sel. Jika bahan mengandung jumlah molekul persatuan volume sebanyak N, dan masing-masing memiliki momen (P), maka polarisasinya dapat didefinisikan P = Np. Dengan asumsi bahwa semua keadaan momen molekul dalam arah yang sama dapat diperoleh dari Persamaan Maxwell-Boltzmann tentang pergeseran, D = µo ( E + P). Secara umum polarisasi dapat dikelompokkan dalam beberapa jenis, diantaranya yaitu, polarisasi ionik, polarisasi elektronik, polarisasi antar muka, dan polarisasi bipolar. 1. Polarisasi ionik Polarisasi ionik yaitu polarisasi akibat pergeseran pusat muatan dari ion-ion positif dan negatif ketika terkena medan listrik. Dapat dikatakan juga polarisasi ionik adalah perpindahan ion positif dan negatif ke elektroda yang berlawanan dengan muatan ion. 2. Polarisasi elektronik Polarisasi elektronik adalah polarisasi akibat pergeseran pusat awan elektron terhadap inti atom pada saat terkena medan listrik. Polarisasi elektronik dipengaruhi oleh ikatan atom, molekul, atau ion. Semakin kuat ikatan inti atom, molekul, atau ion terhadap elektron terluar maka semakin tidak mudah lepas elektron terluar. Semakin tidak mudah lepas elektron terluar maka jumlah momen dipol akan semakin banyak, akibatnya dielektrisitas bahan meningkat. 3. Polarisasi antar-muka Polarisasi antar muka dapat terbentuk ketika terdapat konduksi lokal didalam suatu dielektrik. Polarisasi antar muka disebut juga polarisasi muatan ruang. Apabila partikel-partikel konduktor terdapat di dalam suatu dielektrik, polarisasi dapat terjadi. Setiap partikel mengembangkan sisi positif dan sisi negatif dalam medan listrik. 4. Polarisasi bipolar Polarisasi bipolar yaitu polarisasi pada material yang mempunyai momen dipole pada saat terkena medan listrik. Jika suatu material mengandung molekul polar, secara umum berorientasi secara acak ketika tidak dikenai medan listrik. Medan listrik yang dikenai pada suatu material akan mengakibatkan polarisasi dengan mengorientasi momen dipol pada molekul polar menjadi teratur. Orientasi momen dipol menjadi teratur ini akan menurunkan medan listrik efektif diantara plat dan akan menaikkan kapasitansi pada struktur plat paralel. Pengaruh medan listrik pada medium ini menyebabkan pergeseran muatan, dimana distribusi muatan negatif yang terikat pada inti begeser ke dalam satu arah yang berlawanan dengan medan listrik. Keadaan dielektrisitas bahan semikonduktor ini dapat diubah dengan cara subtitusi atau doping unsur pada tingkat tertentu. Kemampuan bahan untuk membentuk larutan padat ditentukan utamanya oleh perbandingan jari-jari, perbandingan valensi, perbandingan sifat dasar seperti struktur spin serta kondisi reaksi seperti suhu dan tekanan. Jika perbedaannya terlalu besar maka akan mudah kedua bahan tersebut untuk membentuk senyawa baru. Dengan subtitusi atau doping ini tentunya akan merubah lingkungan fisik bahan bersangkutan termasuk didalamnya adalah sifat dielektrisitas magnetik atau magnetodielektrik. Peningkatan medan magnet luar merupakan parameter baru yang dapat mempengaruhi keadaan (state) magnetik para-ferro-ferri-anti ferro magnetik. Secara fisis, permasalahan ini terus dalam kajian (mostovoy). Penambahan unsur magnetik dalam sistem dielektrik tidak hanya menambah satu derajat kemagnetan saja. Salah satu hal yang pelik yang dapat muncul adalah kopling elektonik-magnetik. Dalam penelitian ini dikaji pengaruh lama sintering pada senyawa Ti0,97Cr0,03O2±δ. Data hasil karakterisasi difraksi sinar-X dianalisis menggunakan metode Rietveld refinement least square fitting untuk memahami dan menganalisis struktur kristal senyawa spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ, dengan menggunakan perangkat lunak GSAS (Larson, 2004). Konstanta dielektrik dikarakterisasi dilakukan pada temperatur kamar pada berbagai medan magnet rendah. II. METODE PENELITIAN Sampel-sampel dalam penelitian ini disintesis melalui reaksi padatan dengan sintering pada temperatur 1000 oC. Enam sampel disiapkan dengan variasi lama sintering 2, 4, 6, 8, 10, dan 12 jam dalam bentul pelet berdimensi tebal sekitar 2 mm dan diameter 8 mm. Data struktur kristal diekstrak dari data difraksi sinar-X dengan mengunakan target Cu-Kα metode serbuk dengan set Bragg-Brentano. Setiap sampel dikarakterisasi magnetodielektrisitas mengunakan metode kapasitansi. Rentang medan magnet rendah yang diumpan sebesar 0 ~ 6 mT. Untuk
ISSN 0853 - 0823
112
M. Diantoro, dkk / Evolusi Struktur Kristal Dan Magnetodielektrik Senyawa Spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ.
mengekstrak informasi struktur kistal (Ti,Cr)O2 dengan setting rutil seperti Tabel 1 mengunakan perangkat lunak GSAS. III. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Pola difraksi sinar-X dari keenam sampel ditampilkan dalam Gambar 1. Tiga pasang angka di atas puncak menandai bidang Bragg (hkl) yang diidentifikasi mengunakan paramater struktur TiO2 rutil seperti Tabel 1.
Gambar 1. Pola XRD spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ dengan lama sintering 2 jam, 4 jam, 6jam, 8 jam, 10 jam, 12 jam, 14 jam, 16 jam dan 18 jam Proses pencocokan atau penghalusan data model terhadap data eksperimen dilakukan secara bertahap dan berulang-ulang dengan parameter-parameter yang telah ditentukan. Proses penghalusan dilakukan sampai iterasi berhenti dan mencapai konvergensi dengan tingkat reliabilitas yang memadai. Profil data eksperimen, model dan selisihnya dari hasil penghalusan ditampilkan dalam Gambar 2.
Gambar 2. Pola difraksi sinar-X spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ hasil penghalusan untu x = 0.03 dengan kriteria Rp = 0.0774, wRp = 0.0908, χ2 = 2.701.
ISSN 0853 - 0823
113
M. Diantoro, dkk / Evolusi Struktur Kristal Dan Magnetodielektrik Senyawa Spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ.
Parameter kisi struktur Ti0,97Cr0,03O2±δ hasil penghalusan (refinement) a, dan c serta parameter struktur lain yang mengalami perubahan dengan pengaruh lama sintering dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Parameter-parameter struktur kristal spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ . Parameter
Lama Sintering (Jam) 6 8 10
2
4
12
a (Å)
4,5957
4,5962
4,5962
4,5964
4,5962
4,5958
c (Å)
2,9603
2,9604
2,9606
2,9606
2,9605
2,9602
V (Å3)
62,523
62,538
62,545
62,546
62,54
62,522
c/a (Å)
0.6441
0,6441
0,6441
0,6441
0,6441
0,6441
x_O
0,3006
0,3015
0,3006
O,3013
0,3016
0,3010
Hasil karakterisasi kapasitansi listrik yang telah dikonversi menjadi konstanta dielektrik ditampilkan dalam Tabel 3 untuk semua sampel dan pada berbagai medan magnet. Tabel 3. Konstanta Dielektrik Spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ pada berbagai Medan Magnet Medan magnet (mT) Lama Sintering (jam)
0
1,07
2,04
3,05
4,03
5,04
5,86
2
107,414
139,605
131,947
129,416
128,442
122,341
113,709
4
94,519
163,588
155,897
149,319
142,437
137,985
135,859
6
94,689
167,369
163,533
158,828
155,570
143,987
138,630
8
106,477
177,968
174,149
170,137
166,643
153,311
147,616
10
125,740
187,106
180,645
173,792
170,138
158,521
149,515
12
211,014
296,456
285,096
275,892
268,989
262,806
256,406
Jika diperhatikan pada kedua tabel di atas, nilai parameter struktur dan dilektrisitas yang diwakili oeh konstanta dielektrik baik untuk tanpa medan maupun dalam pengaruh medan magnet dengan jelas dipengaruhi oleh peningkatan lama sintering. Guna melihat pola hubungan dan perbendaannya dapat dibuat grafik gabungan dari kedua tabel di atas yang ditampilkan dalam Gambar 3a, b, c, dan d.
ISSN 0853 - 0823
114
M. Diantoro, dkk / Evolusi Struktur Kristal Dan Magnetodielektrik Senyawa Spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ.
62,550
220
Konstanta Dielektrik
220
4,5964
Konstanta Dielektrik
Kisi a (A)
4,5960 140 120
180
62,540
160
62,535
140 62,530 120
4,5958 100
62,525
100
4,5956
80 2
4
6
8
10
80
62,520
12
2
4
lama Sintering (jam)
8
10
12
Lama Sintering (jam)
a
c
300
220
2,9606
Konstanta Dielektrik Kisi c (A)
200
0,00 mT 1,07 mT 2,04 mT 3,05 mT 4,03 mT 5,04 mT 5,86 mT
280 260
2,9605
160
2,9604
140 2,9603
120
240
Konstanta Dielektrik
180
Kisi c (A)
Konstanta Dielektrik
6
220 200 180 160 140 120
100
2,9602
80
100 80
2
4
6
8
10
Lama Sintering
b
12
2
4
6
8
10
12
Lama Sintering (Jam)
d
Gambar 3. Grafik hubungan antara Konstanta Dielektrik dan Parameter Kisi a, c dan volume terhadap Lama Sintering Tampak bahwa pola perubahan kisi a, c dan volume memiliki pola yang berbanding terbalik dengan konstanta dielektrik tanpa medan magnet (Bambar 3.a-c). Pola perubahan eksponensial akibat penambahan lama pemanasan ini dapat dipahami dengan bantuan kinetika reksi yang dikemukakan Avrami, Johnson, Mehl, Kolmogorov (M.Diantoro, 97). Penyedian laama sintering menambah proporsi penggantian ion Cr3+ pada posisi ion Ti4+. Fenomena menarik terlihat pada Gambar 3b. Penerapan medan magnet rendah, sebesar 1,07 mT secara drastis meningkatkan nilai dkonstanta dielektrik senyawa (Ti,Cr)O2 untuk semua rentang lama sintering. Tampak pula bahwa dengan peningkatan medan magnet justru menurunkan konstanta dielektrik, namun masih lebih tinggi dari nilai tanpa medan magnet. Penggantian ion Cr3+ pada posisi ion Ti4+ pada senyawa induk TiO2 tidak hanya mengubah parameter struktur kristal saja, namun juga membuat bahan semikonduktor TiO2 ini mempunyai sifat lebih magnetik. IV. KESIMPULAN DAN SARAN Secara umum lama sintering mempengaruhi struktur kristal dan magnetodielektrisitas senyawa Ti0,97Cr0,03O2±δ. Pola relasi dielektrisitas (ε(0)) - lama sintering (t)seiring dengan inversi relasi parameter kisi – lama sintering (t). Peningkatan lama sintering mengakibatkan laju reaksi subtitusi Cr3+ pada Ti4+ mencapai nilai optimum pada 6 jam, selanjutnya menurun seiring dengan penambahan waktu sintering. Penerapan medan magnet rendah menningkatkan nilai konstanta dielektrik tanpa medan pada semua rentang lama sintering. Namun peningkatan kuat medan magnet justru menurunkan konstanta dielektrik namun tetap lebih besar dibanding dielektrisitas tanpa medan. Relasi ε(H) – t mirip dengan relasi ε(0) – t. Penting untuk mempelajari penambahan rentang lama sintering untuk melihat kecenderungan pola grafik hubungan ε(H) – t yang dihasilkan.
ISSN 0853 - 0823
Volume (A)
160
Konstanta Dielektrik
4,5962
180
62,545
Volume (A)
200
Kisi a (A)
Konstanta Dielektrik
200
115
M. Diantoro, dkk / Evolusi Struktur Kristal Dan Magnetodielektrik Senyawa Spintronik Ti0,97Cr0,03O2±δ.
V. DAFTAR PUSTAKA Coehorn, Novel electronic material and device, Lecture note, UvA, (2004). Diantoro, M., Darminto, Loeksmanto, W., dan Tjia, M.O., Laju pembentukan superkonduktor BSCCO fase 2223 dari prekursor fase 2212, Proceeding Seminar Nasional Fisika dan Lingkungan, Puslitbang Fisika Terapan LIPI, Serpong, 1997, p. 12. Diantoro, M., Kajian Evolusi Struktur Kristal dan Magnetodielektrisitas Senyawa Spintronik Ti1xCoxO2+δ , Jurnal MIPA, UM, 2009 Diebold, S. Goel and A. Kumar. 1991. Application of Avrami's equation to the conductivity changes in amorphous Se-Te system on crystallization. J. Phys. III France1, page 1429-1436. Jung, S. W. , S.-J. An, G.-C. Yi, C. U. Jung, S.-L. Lee, and S. Cho,. 2002. Appl.Phys. Lett., volume 80, p. 4561. Larson , A.C., and R.B. Von Dreele, General Structure Analysis System (GSAS), Los Alamos National Laboratory Report LAUR 86-748 (2004 Lin, Hsiu-Hau. 2004. Spintronics at Nanoscale, (Online), (http://HHLin_NanoSpintronics.pdf). Peleckis, G., X. L. Wang, R. S. Liu, and S. X. Dou. 2005. IEEE Transactions on Magnetics. Co Valence by K-Edge X-ray Absorption Spectroscopy, Magnetic Properties, and Structure of Polycrystalline Bulk Zn1-xCoxO. Faculty of Engineering Faculty of Engineering – Papers: University of Wollongong, volume 41, Hal 2727-2729 Rao., C. N. & K. J., Rao, 1978. Phase Transition in Solid. McGraw-Hill int. Book Co., London. Saikin, S., Electron spin decoherence due to interaction with a nuclear bath, Univ. Clarkson, tidak diterbitkan (2003). Wolf, S.A, D. D. Awschalom, R. A Buhman, Science 494, 148, 2001. Xu, J. L, M. van Schilfgaarde, G. D. Samolyuk. 2005. Physical Review Letters. Role of Disorder in Mn:GaAs, Cr:GaAs, and Cr:GaN. America, The American Physical Society. Volume 94, Hal 097201.
ISSN 0853 - 0823
