KAJIAN STRUKTUR KACA ZINC TELLURITE

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

KAJIAN STRUKTUR KACA ZINC–TELLURITE

*

Sulhadi* , M.R. Sahar**, and M.S. Rohani**

) 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 (80x)TeO2-20ZnO-(x)Er2O3 system (0.5mol%≤x≤ 2.5mol%). Sampel 20 g dipreparasi dari powder TeO2 (99%), ZnO (99.%) dan Er2O3 (99.9%). Campuran tersebut dipanaskan dalam furnace 400oC selama 1 jam, kemudian dileburkan dalam krusibel silica pada suhu 900oC selama 1 jam. Sample yang telah lebur itu dituang dalam plat stainless steel dan diannealing pada suhu 200oC selama 3 jam. 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 UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

G-12-1

Intensity (a.u)

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%.

Int S1 S2 S3 S4 S5 2000.0

1800

1600

1400

1200 1000 800 Raman Shift / -1 cm-1 Raman shift /cm

600

400

200 100

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

Transmittance (%)

S1

S2 S3 S4

S5

1500.0

1400

1300

1200

1100

1000

900

800

700

600

-1

IR band (cm )

500

400. 0

Gambar 2. Spektrum Transmisi IR dari kaca (80-x)TeO2–20ZnO–(x)Er2O3 JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

G-12-2

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)TeO2–20ZnO–(x)Er2O3 Sampel No S1 S2 S3 S4 S5

TeO2 80.0 79.5 79.0 78.0 77.5

Komposisi ZnO Er2O3 20.0 0.0 20.0 0.5 20.0 1.0 20.0 2.0 20.0 2.5

Raman shift / cm-1 433; 642; 720 433; 651; 725 293; 424; 651; 725 280; 412; 671; 733 260; 412; 671; 733

IR bands (cm-1) 462; 650; 768; 1111 462; 658; 768; 1115 470; 661; 772; 1118 470; 665; 772; 1118 470; 672; 776; 1118

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-1– 670cm-1, 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). Posisi puncak antara 410cm-1–440cm-1 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). Analisis lain yang dapat diperoleh dari spectrum Raman adalah munculnya puncak antara 250cm-1– 300cm-1, 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. Puncak absropsi sekitar 650cm-1 dan 770cm-1 (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-1 sampai 672cm-1. 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-1 dan 776cm-1 mulai muncul dan diasumsikan sebagai struktur unit TeO3 tp dari ZnTeO3 (M.R. Sahar dkk, 1995).

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

G-12-3

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-1 samapi 470cm-1 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). 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 TeO3 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. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

M.R. Sahar, N. Noordin, (1995), “Oxychloride Glasses Based on The TeO2-ZnO-ZnCl2 System”, J. NonCryst. Solids 184, hal. 137-140. M.R. Sahar, A.K. Jehbu, M.M. Karim, (1997), “TeO2-ZnO-ZnCl2 Glasses for IR Transission”, J. NonCryst. Solids 213&214, hal. 164-167. 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. 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. L.L. Neindre, S. Jiang, B.C. Hwan, T. Luo, J. Watson, N. Peyghambarian, J. Non-Cryst. Solids 255 (1999) 97. 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. 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. 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. 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. 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. P. Charton, P. Thomas, P. Armand, (2003), “Raman and Crystallization Behavior of TeO2 – Sb2O4 Glasses”, J. Non-Cryst. Solids 321, hal. 81-88. 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. L. Hu, Z. Jiang, (1996), “Properties and Structure of TeO2 Based Glasses Containing Ferroelectric Components”, Phys. Chem. Glasses 37 [1], hal. 19-21. 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. H. Bǘrger, K. Kneipp, H. Hobert, W. Vogel, (1992), “Glass Formation, Properties and Structure of Glasses in The TeO2-ZnO System”, J. Non-Cryst. Solids 15, hal. 134-142.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

G-12-4

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

DATA PRIBADI PENYAJI 1. Nama Penulis

: SULHADI, S.Pd, M.Si.

2. Tempat/tanggal lahir

: Pati, 16 Agustus 1971

3. Alamat Instansi

: Jurusan Fisika – FMIPA, Universitas Negeri Semarang (Unnes) Gd. D7, Kampus Sekaran Gunungpati Semarang

4. Pendidikan

: S1, Pend Fisika – IKIP Semarang (1995) S2, Fisika – ITB (1998)

5. Pengalaman Penelitian

:

1. Fabrikasi Wafer SOI dengan Metade ELTRAN (Tesis S2-1998) 2. Optimasi dan Aplikasi Thermo Controller pada Kolam Pembenihan Udang (Penerapan IPTEK-2002) 3. Preparation and Characterization Er3+-doped Zinc-Tellurite Glasses for Laser Aplication (Project S3-2004) 6. Publikasi Ilmiah

:

1. Fabrikasi Wafer SOI dengan Metade ELTRAN (Simposium Nasional HFI, di UGM-1998) 2. Pembuatan dan Optimasi Alat Sparator Pasir Besi (Simposium Nasional HFI, di Unnes-2003) 3. FTIR and Raman studies in the (80-x)TeO2 – 20ZnO – (x)Er2O3 glass system (MASS Conference, di Lumut, Malaysia-2003) 7. Alat yang diperlukan untuk presentasi : ! OHP ! LCD

Semarang, 24 Juni 2004 Tertanda,

SULHADI

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

G-12-5