METODE KOPRESIPITASI, LIQUID- MIXING

SINTESIS MULTIFEROIK BiFeO3 DENGAN METODE KOPRESIPITASI, LIQUIDMIXING DAN SOLID-STATE REACTION MENGGUNAKAN Fe2O3 HASIL SINTESIS DARI PASIR BESI Retno Asih, Darminto, Malik Anjelh Baqiya* *Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 60111 Indonesia [email protected] ABSTRAK Sintesis multiferoik BiFeO3 telah dilakukan dengan metode kopresipitasi, wet-mixing, dan metode solid-state reaction menggunakan Fe2O3 yang merupakan hasil sintesis dari pasir besi. Dalam penelitian ini digunakan variasi suhu kalsinasi, proses pemanasan langsung dan bertahap serta variasi holding time. Hasil sintesis dikarakterisasi dengan XRD (X-ray Difraction) dan DTATGA (Thermogravimetri-Differential Thermal Analysis). Fasa BiFeO3 dapat disintesis dengan menggunakan Fe2O3 hasil sintesis dari pasir besi melalui metode kopresipitasi, liquid-mixing dan solid-state reaction. Dekomposisi fasa BiFeO3 menjadi fasa sekunder BFO meningkat dengan meningkatnya suhu kalsinasi dan holding time. Ukuran kristal BiFeO3 hasil sintesis dengan ketiga metode tersebut berkisar 23 nm hingga 136 nm. Kata Kunci : Multiferoik BiFeO3, kopresipitasi, wet-mixing, solid-state reaction I. PENDAHULUAN Multiferoik merupakan sebuah material yang mempunyai dua atau lebih sifat yaitu sifat listrik, magnet dan elastis dalam satu material. Dalam prakteknya, multiferoik sering sebagai material (anti)ferromagnetik sekaligus ferroelektrik dalam satu fase “fero” yang sama. BiFeO3 merupakan bahan multiferoik yang berpotensi diaplikasikan sebagai magnetoelektrik dalam suhu ruang karena memiliki sifat ferroelektrik dan antiferromagnetik pada temperatur Curie dan temperatur Neel cukup tinggi yaitu 810oC dan 375oC. Akan tetapi aplikasi praktis dalam pemanfaatan multiferoik BiFeO3 masih terkendala untuk mendapatkan fase tunggal BiFeO3. Hal ini terjadi karena permasalahan yang timbul dari non-stoikiometri sehingga menimbulkan pengotor [1]. Fase pengotor seperti Bi2O3, Bi2Fe4O9 (mullite) dan Bi25FeO39 (sillenite) adalah fase yang biasa terbentuk selama sintesis. Fase ini mengubah stoikiometri dan menciptakan kekosongan oksigen. Selain itu oksida besi yang muncul selama pemrosesan dapat menghasilkan kebocoran arus yang tidak diinginkan untuk penggunaan praktis. Sintesis fase murni BFO agak sulit karena sifat termodinamik dan kinetika dari sistem Bi2O3-Fe2O3. Nanopowder BFO dapat disintesis dengan wet chemical method seperti sol-gel [2], auto combustion [3], solvothemal [4] dan kopresipitasi [5] dan reaksi solid-state [6]. Tujuan dari setiap

metode tersebut adalah untuk mendapatkan BiFeO3 dengan kemurnian tinggi pada suhu terendah dengan metode yang sederhana untuk menekan biaya sehingga efektif untuk aplikasi industri [7]. Pasir besi merupakan sumber daya alam yang melimpah di Indonesia. Penggunaan pasir besi dalam penelitian telah berhasil disintesa menjadi ferrofluid, Fe2O3, Fe3O4 [8], bahkan telah digunakan dalam sintesa nanomultiferoik BiFeO3 [9][10]. Akan tetapi belum berhasil diperoleh fase tunggal BiFeO3, sehingga diperlukan analisis lebih lanjut untuk mensintesis multiferoik BiFeO3 dari pasir besi dengan mengatur proses heat treatment [9]. Hal tersebut yang menjadi latar belakang penelitian sintesis multiferoik BiFeO3 menggunakan variasi temperatur kalsinasi dan holding time dengan tujuan mengetahui pengaruh kalsinasi dalam sintesis multiferoik BiFeO3 melalui metode kopresipitasi, liquidmixing dan proses pencampuran solid-state dengan raw material Fe2O3 yang disintesis dari pasir besi. II. TINJAUAN PUSTAKA Menurut definisi yang dikemukakan oleh Schmid, bahan multiferoik adalah bahan yang menggabungkan dua atau lebih fase ferroik seperti feroelastisitas, feroelektrik, feromagnetik dan ferotoroidisitas. Sebagian penelitian difokuskan pada bahan yang menggabungkan sifat magnetik dan

feroelektrik. Oleh karena itu, istilah multiferoik sering identik dengan bahan ferroelektrik-magnetik [11]. Sifat magnetik dihasilkan oleh adanya interaksi pertukaran antar dipol magnetik yang berasal dari kulit orbital terisi elektron. Sifat elektrik terjadi akibat adanya dipol listrik lokal. Sifat elastis merupakan sifat hasil perpindahan atom karena strain. Terjadinya simultan magnet dan listrik sangat menarik karena menggabungkan sifat yang bisa dimanfaatkan untuk penyimpanan informasi, pengolahan, dan transmisi. Bismuth-ferit (BiFeO3) merupakan multiferoik magnetoelektrik yang menunjukan koeksistensi feroelektrik dan antiferomagnetik pada suhu kamar [12]. BiFeO3 menunjukan polarisasi listrik pada suhu dibawah Tc~1120 K dan sifat magnetik pada suhu dibawah TN~640 K. Karena memiliki Tc yang tinggi inilah, BiFeO3 secara fungsionalitas akan lebih meningkat [13]. Pada suhu ruang, bismuth ferit memiliki struktur perovskit rhombohedral dengan grup ruang R3c. Ion–ion Bi dan O secara bersama membentuk bangunan cubic close packing dengan ion Fe menempati posisi interstitial oktahedron. Struktur kubik perovskit dari BiFeO3 dapat dilihat pada Gambar 1.

Diagram fasa Bi2O3-Fe2O3 dapat dijadikan sebagai acuan/referensi dalam melakukan sintesis multiferoik BiFeO3. Gambar 2 merupakan diagram fasa Bi2O3Fe2O3. Berdasarkan diagram tersebut fasa αBiFeO3 terbentuk pada saat konsentrasi Bi2O3 50% dan Fe2O3 50% yang disintering pada suhu 825oC dan fasa β-BiFeO3 terbentuk pada suhu sinter di atas 825oC dan di bawah 925oC [15].

Gambar 2 Diagram fasa BiFeO3 [16] BiFeO3 biasanya disiapkan dari Bi2O3 dan Fe2O3 dengan perbandingan mol 1:1, dan pada suhu tinggi dapat terurai kembali ke bahanbahan awal menurut persamaan: 2

Gambar 1 [a] Struktur Kubik Perovskit BiFeO3 R3c [11] dan [b] Perovskit Rhombohedral R3c [14] Distorsi yang lebih dikenal dan memungkinkan untuk terjadinya distorsi ini yaitu menjadi stuktur rhombohedral dengan space group R 3 c. Bentuk strukturnya ditunjukkan pada Gambar 2.1[b]. Ukuran atom yang bertindak sebagai kation akan mempengaruhi bentuk distorsi kristal. Misalnya ukuran atara kation A dan kation B tidak bertaut terlalu jauh maka bentuk kristalnya cenderung berbentuk kubik , namun jika ukuran kation berbeda jauh maka cenderung berbenduk rhombohedral.

→

+

(1)

III. METODE PENELITIAN Sintesis BiFeO3 dilakukan dengan metode kopresipitasi, liquid-mixing dan solidstate reaction. Fe2O3 yang merupakan hasil sintesis dari pasir besi digunakan sebagai raw material dalam sintesis multiferoik. Sintesis Fe3O4 dilakukan dengan metode kopresipitasi dari pasir besi. Fe3O4 selanjutnya di kalsinasi pada suhu 800oC selama 2 jam sehingga terbentuk fasa Fe2O3. Penggunaan Fe2O3 mengalami kendala ketika sintesis dengan metode kopresipitasi dan liquid-mixing. Hal ini dikarenakan Fe2O3 merupakan fasa stabil sehingga Fe2O3 tersebut di kopresiptasi ulang membentuk fasa Fe2O3.H2O yang cenderung mudah larut dalam pelarut HCl atau HNO3. Metode kopresipitasi dilakukan dengan melarutkan raw material kedalam HCl kemudian mengendapkan dengan NH4OH. Serbuk hasil sintesis dengan metode kopresipitasi ini selanjutnya dilakukan heat treatment pada suhu 750oC dengan variasi holding time. Holding time dilakukan secara langsung 1, 2 dan 3 jam serta dilakukan

pemanasan bertahap selama 2(1+1) jam, 4(2+2) jam, 6(3+3) jam dan 6(2+2+2) jam. Pemanasan pada suhu 750oC dengan waktu penahanan 2 jam sampai 3 jam dapat membentuk fasa BiFeO3 [9]. Metode liquid-mixing dilakukan dengan raw material Fe2O3 dan serbuk Fe. Pelarutan raw material kedalam HNO3 menghasilkan larutan Ferrit Nitrat ) Fe(NO dan Bismuth Nitrat Bi(NO ) . Kedua larutan distirrer dengan kecepatan dan suhu konstan yaitu 500 rpm 50oC sampai larutan mengerak. Serbuk hasil sintesis diuji DTA-TGA (Thermogravimetri-Differential Thermal Analysis) untuk mengetahui perilaku sampel serbuk ketika dipanaskan. Heat treatment dilakukan pada suhu 550oC, 600oC, 650oC, 700oC dan 750oC selama 1 jam. Selain itu dilakukan variasi holding time. Metode Solid-State Reaction dilakukan dengan mencampurkan serbuk Bi2O3 aldrich (99,99%) dengan serbuk Fe2O3 hasil sintesis (93,96%) dengan medium aceton. Selanjutnya serbuk di kompaksi 6MPa. Pellet yang terbentuk disinter pada suhu 880oC selama 480 sekon dengan kecepatan pemanasan 10oC/menit. Semua sampel dikarakterisasi dengan X-Ray Diffractometer.

IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Pasir besi yang digunakan sebagai bahan dasar pembuatan Fe2O3 berasal dari pesisir Blitar, yaitu lokasi pada jarak 50 meter dari pantai Jolosutro Blitar. Gambar 3 menunjukkan pola difraksi sinar-X dari pasir besi.

Gambar 3. Pola Difraksi Sinar-X (λ=0,154056 nm) Pasir Besi Pantai Jolosutro Blitar Pengujian XRF (X-ray Fluorescence) dilakukan untuk mendapatkan data kuantitatif kandungan unsur-unsur dalam pasir besi. Berdasarkan data XRF diketahui bahwa pasir

besi Pantai Jolosutro mengandung unsur besi (Fe) sebanyak 88,29% [20]. Pasir besi ini selanjutnya diekstraksi dan digunakan sebagai bahan dasar sintesis Fe2O3. Tabel 1 Identifikasi fasa dari pasir besi 50 Blitar [20] Fasa Magnetite (Fe3O4) Hematite (Fe2O3) Nikel Zinc Iron Oxide [(Ni,Zn)Fe2O4]

Fraksi Volum (%) 26,9% 39,3% 33,78%

Hasil DTA/TGA dari sampel serbuk BiFeO3 yang disintesis dengan metode liquid mixing dari Fe2O3.H2O ditunjukan pada Gambar 4. Kurva DTA yang memberikan informasi tentang aliran panas (heat flow) yang terjadi pada serbuk serta kaitannya dengan reaksi eksoterm dan endoterm. Sedangkan kurva berwarna hitam merupakan kurva TGA yang memberikan informasi tentang pengurangan massa (weight loss) dari sampel yang dipanaskan dengan kecepatan 10oC per menit dari suhu ruang sampai suhu 1100oC. Massa awal serbuk sebesar 16,8136 gram. Massa sampel yang digunakan dalam uji DTA/TGA ini tidak boleh lebih dari 20 gram. Kurva TGA dan turunan kurva ditunjukan Gambar 5 untuk melihat weight loss selama pemanasan. Weight loss sekitar 30% terjadi dalam rentang suhu 113,25oC–501,78oC. Hal ini mengindikasikan penguapan air (25-150oC), dekomposisi urea (150-400 oC) dan dekomposisi nitrat (400-470 oC) [17]. Setelah suhu tersebut penurunan massa sangat kecil atau bisa dikatakan setelah suhu tersebut reaksi yang terjadi masih stabil. Terjadinya kehilangan massa pada serbuk dapat diindikasikan terjadinya transformasi fasa dengan pelepasan ikatan kimia. Pelepasan ikatan kimia ini berkaitan dengan terpisahnya atom sehingga menjadikan massa atom relatif (Mr) berubah. Selain itu weight loss juga bisa mengindikasikan penguapan garam-garam impuritas pada sampel. Hasil uji DTA/TGA

tersebut selanjutnya dijadikan acuan suhu kalsinasi dengan membandingkannya terhadap diagram fasa dan referensi dari jurnal. Suhu kalsinasi untuk sampel yang disintesis dengan metode liquid mixing yaitu 550oC, 600oC, 650oC, 700oC dan 750oC dengan holding time 1 jam.

larut dalam pelarut HCl maupun HNO3 ketika sintesis BiFeO3 dengan metode kopresipitasi dan liquid mixing sehingga akan mempengaruhi perbandingan mol Fe:Bi dalam perhitungan stoikiometri. Untuk itu dilakukan kopresipitasi ulang dari Fe2O3 yang telah disintesis. Hasil kopresipitasi ini menghasilkan Fe2O3.H2O yang mudah larut dalam pelarut HNO3 dan HCl. Pola difraksi dari Fe2O3.H2O ditunjukan pada Gambar 7 . Gambar 4 Kurva analisis DTA/TGA sampel serbuk yang disintesis dengan metode liquid mixing

Gambar 7 Pola difraksi Fe2O3 yang di kopresipitasi ulang Gambar 5 Kurva TGA dan turunan pertama dari kurva pada sampel BiFeO3 yang disintesis dengan metode liquid mixing Proses perubahan fasa hematit dimulai ketika Fe2+ dan Fe3+ dalam magnetit dipanaskan sampai titik kritisnya (585 K) maka Fe2+ yang lebih tidak stabil dari pada Fe3+ mengalami oksidasi menjadi Fe3+ dan berdifusi sehingga terbentuk Fe2O3. Pada suhu yang konstan misalkan 600° C, terjadi difusi antar partikel pada batas butir sehingga grain yang terbentuk semakin besar. Pola XRD dari Fe3O4 yang telah dikalsinasi pada suhu 800oC selama 2 jam ditunjukan pada Gambar 4.6. Fasa hematite (Fe2O3) yang terbentuk 93,96%.

Gambar 6 Pola XRD Fe2O3 yang disintesis dari pasir besi Pantai Jolosutro, Blitar Fe2O3 digunakan sebagai bahan dasar sintesis BiFeO3. Akan tetapi Fe2O3 ini sukar

 Metode Kopresipitasi Fase BiFeO3 sudah mulai terbentuk dengan proses kalsinasi pada suhu 750oC. Akan tetapi fraksi volum fasa BiFeO3 masih kecil. Terdapat fasa-fasa sekunder BFO yang terbentuk seperti Bi46Fe2O72 dan Bi2Fe4O9. Fraksi volum BiFeO3 meningkat dengan meningkatnya holding time untuk pemanasan langsung. Fasa sekunder BFO terbentuk ketika holding time 2 dan 3 jam dan fraksi volumnya turut bertambah dengan kenaikan holding time sebagaimana BiFeO3. Adanya pengotor Bi2Fe4O9 dan Bi46Fe2O72 terbentuk ketika suhu dan oksigen tidak dikontrol secara akurat selama kristalisasi dari fasa BFO yang menyebabkan kinetika fasa formasi selalu menyebabkan tahapan impuritas lain di sistem Bi-Fe-O [18]. BiFeO3 mengalami dekomposisi fasa selama holding time berlangsung sehingga komposisinya berubah. Bardasarkan hasil penelitiannya, komposisi BiFeO3 akan menurun sedangkan komposisi Bi2Fe4O9 dan Bi25FeO39 akan meningkat seiring meningkatnya holding time. Ketika holding time lebih dari 2 jam, fasa BiFeO3 mengalami dekomposisi menjadi fasa Bi2Fe4O9 dan Bi25FeO39 menurut persamaan reaksi [17]: 49BiFeO → 12Bi Fe O + Bi FeO

(2)

6 7 8

750oC_4(2+2) jam 750oC_6(3+3) jam 750oC_6(2+2+2) jam

37,1 33,9

55,3 49,6

22,3

71

 Metode Liquid-Mixing

Gambar 8 Pola difraksi sampel yang di kalsinasi dengan variasi holding time

Gambar 9 Pola difraksi sampel pada pemanasan bertahap Dalam penelitian ini menunjukan bahwa pemanasan bertahap dengan kelipatan lama pemanasan konstan (misalkan bertahap setiap 2 jam) mampu memberikan komposisi jumlah fasa BiFeO3 lebih baik dari pada pemanasan langsung. Akan tetapi harus memperhatikan dekomposisi BiFeO3. Holding time ini berkaitan dengan pemberian kesempatan bagi atom-atom atom untuk menyusun diri membentuk fasa yang lebih stabil. Fraksi volum fasa BiFeO3 hasil sintesis dengan metode kopresipitasi ditunjukan pada Tabel 2.

Metode liquid mixing dilakukan dengan mencampurkan larutan Bismuth Nitrat [Bi(NO3)3] dan Ferrit Nitrat [Fe(NO3)3] yang diperoleh dengan melarutkan Bi2O3 dan Fe2O3 dalam asam nitrat HNO3, sampai mengerak pada temperatur konstan 50oC. Fe2O3 yang digunakan sebagai bahan dasar pembuatan Ferrit Nitrat [Fe(NO3)3] merupakan Fe2O3 yang telah di kopresipitasi ulang sehingga dapat terlarut sempurna dalam HNO3. Sedikit pengotor Bi2Fe4O9 ditemukan pada sampel yang dikalsinasi pada suhu 700oC, yang disebabkan oleh dekomposisi fase BiFeO3 pada suhu tinggi [17]. Fase kedua, Bi2Fe4O9 terbentuk pada pemanasan diatas 675oC [19].. Untuk mendapatkan fasa BiFeO3 yang lebih tinggi dapat diperoleh dengan pemanasan pada suhu rendah dan pemanasan cepat (~1jam) sehingga meminimalisisr terbentuknya fasa sekunder Bi2Fe4O9 dan Bi25FeO39. Walaupun begitu, fas fasa BiFeO3 yang terbentuk pada suhu rendah ini merupakan fasa yang metastabil sehingga harus dihindari untuk perlakuan panas yang terlalu lama [17].

Tabel 2 Fasa yang terbentuk pada sintesis dengan metode kopresipitasi No 1 2 3 4 5

Perlakuan Tanpa pemanasan o

750 C_1 jam 750oC_2 jam 750oC_3 jam 750oC_2(1+1)jam

Fraksi volum BiFeO3 (%) 9,8 13,9 24 26,4

Fraksi volum BFO (%) 9,8 15,6 24,8 42,8

Gambar 10 Pola difraksi sampel yang dikalsinasi dengan variasi suhu selama 1 jam Berdasarkan identifikasi ffasa, sampel yang disintesis dengan metode liquid mixing dengan bahan dasar Fe2O3 hasil sintesis dari pasir besi berhasil membentuk fasa BFO dengan kemurnian tinggi (Tabel 3). Tidak ditemukan impuritas berupa komponen Bi2O3 maupun Fe2O3. Fraksi volum fasa BiFeO3

tertinggi diperoleh ketika sampel di kalsinasi pada suhu 550oC selama 1 jam. Fasa sekunder BFO yang terbentuk menyertai pembentukan BiFeO3 adalah Bi2Fe4O9 dan Bi25FeO40. Komposisi fasa BiFeO3 semakin berkurang dengan semakin meningkatnya suhu kalsinasi. kalsin Sebaliknya komposisi fasa sekunder BFO semakin bertambah dengan meningkatnya suhu kalsinasi. Hal ini dikarenakan pada suhu tinggi, BiFeO3 mengalami dekomposisi menjadi fasa sekunder Bi2Fe4O9 dan Bi25FeO40.

Metode liquid mixing juga dilakukan dengan bahan dasar serbuk Fe murni sebagai perbandingan. Berbeda dengan liquid mixing dari Fe2O3, ketika di kal kalsinasi pada suhu o rendah 550 C terbentuk fasa Bi2O3. Komponen Bi2O3 ini tidak terbentuk kembali ketika kalsinasi pada suhu diatas 600oC. Pada suhu 650oC telah terbentuk fasa BFO 100%. Fasa sekunder BFO yang terbentuk yaitu Bi2Fe4O9 dan Bi25FeO40.

Tabel 3 Fraksi volume fase BiFeO3 pada sampel yang disintesis dengan metode liquid mixing dari Fe2O3

No

Perlak uan

Fraksi volum BiFeO 3(%)

1

550oC _1jam

41,8

o

2

600 C _1jam

32,9

3

650oC _1jam

29,6

4

700oC _1jam

12,8

5

750oC _1jam

5,3

6

750oC _2jam

5

Fase lain

Bi2Fe4O9(26,9%) Bi25FeO40(24,1%) Bi2Fe4O9(30,3%) Bi25FeO40(32,8%) Bi2Fe4O9(30%) Bi25FeO40(40,1%) Bi2Fe4O9(35,4%) Bi25FeO40(49,6%) Bi25FeO40(85,1%) Bi25FeO40(84,3%) Bi, Fe2O3

Fraksi volum BFO (%)

92,8

96

99,7

97,8

90,4

89,3

Gambar 12 Pengaruh variasi suhu kalsinasi dari sampel yang disintesis dari Fe Tabel 4 Fraksi volume fase BiFeO3 pada sampel yang disintesis dengan metode liquid mixing dari serbuk Fe Perlaku an

Fraksi Volum BiFeO3(%)

Fasa lain

Fraksi Volum BFO(%)

Tanpa Pemana san

3,6

Bi2O3, Fe2O3, NH4NO3, Fe, Bi, Bi25FeO40 (8,1%)

11,7

550oC_ 1jam

Bi2Fe4O9(2,9%) 50,7

Bi25FeO40(8,6%)

62,3

Bi2O3 (37,7%) 600oC_ 1jam

Bi2Fe4O9(2,5%) 47,1

Bi25FeO40(5,5%)

55,1

Bi2O3 (44,5%)

Gambar 11 Perubahan komposisi BFO sebagai fungsi suhu kalsinasi Perubahan komposisi fasa BiFeO3 dan fasa sekunder BFO sebagai fungsi kenaikan suhu kalsinasi disajikan sajikan pada gambar 11.

650oC_ 1jam

37,4

750oC_ 3jam

42,6

Bi2Fe4O9(9,5%) Bi25FeO40(53,1%) Bi2Fe4O9(7,9%) Bi25FeO40(49,5%)

100

100

Pola difraksi menunjukan bahwa intensitas puncak fasa BiFeO3 menurun dengan semakin tingginya suhu kalsinasi sedangkan fasa sekunder semakin bertambah.

Hal ini mengindikasikan adanya dekomposisi fasa BiFeO3 pada suhu tinggi [17].  Metode Solid-State Reaction Metode solid-state reaction dilakukan dengan mencampurkan Bi2O3 aldrich (99,99%) dengan Fe2O3 hasil sintesis dari pasir besi (93,96%) dengan medium aseton. Proses peletisasi dilakukan pada tekanan 6 MPa kemudian disintering pada suhu 880oC selama 480 sekon. Sampel dibentuk pelet dengan tujuan untuk memperkecil jarak antar partikel sehingga mempercepat distribusi panas selama sintering yang akan mempercepat reaksi maupun transformasi fasa. Pembentukan fase tunggal BiFeO3 terjadi ketika Bi2O3 menjadi fase cair bereaksi dengan Fe2O3. Titik leleh Bi2O3 pada suhu 825oC. Oleh karena itu sintering dengan laju pemanasan yang cepat dengan waktu singkat pada suhu 880oC menjadi acuan untuk menghindari hilangnya Bi, pemisahan Fe2O3 dan menghindari terbentuknya impuritas [6]. Dalam proses solid-state, BiFeO3 tidak menunjukan aktivitas sintering yang baik. Pada suhu 675-830oC, BiFeO3 mengalami dekomposisi menjadi Bi2Fe4O9 secara perlahan-lahan, diatas 830oC BiFeO3 menjadi Bi2Fe4O9 sedangkan dibawah 675oC, BiFeO3 memiliki densitas yang rendah [13]. * BiFeO3 º Bi2Fe4O9 Δ Bi46Fe2O72

Gambar 13 Pola difraksi dari sampel yang disintesis dengan metode solid-state reaction Metode solid-state reaction juga belum berhasil mensintesis fasa tunggal BiFeO3. Berdasarkan analisis kuantitatif terhadap hasil XRD diperoleh fraksi volum BFO sebesar 80,6% dengan komposisi BiFeO3 36,9% sedangkan komposisi fasa sekunder Bi2Fe4O9 sebesar 36,5% serta Bi46Fe2O72 sebesar 7,3% dengan fasa-fasa impuritas Bi2O3 dan Fe2O3. Analisis ukuran kristal dilakukan dengan menggunakan persamaan Debye-Scherrer dengan software Fityk. Ukuran kristal BiFeO3

meningkat dengan meningkatnya suhu kalsinasi. Hal ini berkaitan dengan pertumbuhan kristal pada temperatur tinggi. BiFeO3 yang disintesis dengan metode solidstate reaction memiliki ukuran 66 nm. Sedangkan sintesis dengan metode kopresipitasi dengan holding time 4(2+2)jam menunjukan ukuran kristal BiFeO3 sebesar 111 nm. Hasil analisis ukutan kristal BiFeO3 disajikan pada Tabel 5

=(

(3)

)

Tabel 5 Analisis ukuran kristal BiFeO3 dengan program Fityk. Perlakuan

Ukuran (nm)

Fraksi Volum BiFeO3(%)

550oC_1jam

23

41,8

600oC_1jam

28

32,9

650oC_1jam

32

29,6

700oC_1jam

40

12,8

750oC_1jam

41

5,3

550oC_1jam

70

50,7

600oC_1jam

81

47,1

650oC_1jam

136

37,4

Solid-State Reaction

880oC_480 s

66

36,9

Kopresipitasi

750oC_4(2+2) jam

111

37,1

Metode

Liquid Mixing_Fe2O3

Liquid Mixing_Fe

V. KESIMPULAN 1. Fasa BiFeO3 dapat disintesis dengan metode kopresipitasi, wet mixing dan solid-state reaction menggunakan Fe2O3 hasil sintesis dari pasir besi Pantai Jolosutro, Blitar. 2. Metode, suhu dan holding time selama proses pemananasan sangat berpengaruh terhadap fasa BiFeO3. Pada sintesis dengan metode kopresipitasi, pemanasan bertahap 2 sampai 3 jam lebih efektif

untuk membentuk fasa BFO dan meminimalkan impuritas. Pemanasan pada suhu rendah 550oC dengan waktu penahanan singkat (selama 1 jam) memberikan fraksi volum BiFeO3 terbesar 50,7% dan menghindari reaksi dekomposisi BiFeO3 menjadi fasa sekunder BFO ketika sintesis dengan metode wet-mixing. Metode solid-state reaction berhasil membentuk fasa BiFeO3 dengan sintering pada suhu tinggi 880oC dan holding time singkat 480 sekon. 3. Ukuran kristal BiFeO3 yang disintesis dengan ketiga metode tersebut dalam rentang 23-136 nm. Ukuran kristal meningkat dengan meningkatnya suhu kalsinasi. DAFTAR PUSTAKA [1] K. Sen, et al.,” Dispersion studies of La substitution on dielectric and ferroelectric properties of multiferroic BiFeO3 ceramic”, Ceram. Int. (2011), doi:10.1016/j.ceramint.2011.06.059 [2] Yuan et al ,(2006), “Preparation and Multi-properties of Insulated Singlephase BiFeO3 ceramics”, Solid State Communications . Vol.138 ,p.76–81. [3] J. Yang et al. / Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) 9271– 9277 “Factors controlling pure-phase magnetic BiFeO3 powders synthesized by solution combustion” doi:10.1016/j.jallcom.2011.07.023 [4] De-Chang Jia et al ,(2009), “Structure And Multiferroic Properties Of BiFeO3 Powders”, Journal of the European Ceramic Society,Vol.29,p.3099–3103 [5] Hua et al.,(2010),”Factors Controlling Pure-Phase Multiferroic BiFeO3 Powders Synthesized by Chemical Coprecipitation”,Journal of Alloys and Compounds Vol.509,p.2192-2197 [6] Pradhan et al.(2005).” Magnetic and Electrical Properties of Single-phase Multiferroic BiFeO3”.Journal of Applied Physics 97,093903(2005) [7] M.Y. Shami, et al., J. Alloys Compd. (2011),doi:10.1016/j.jallcom.2011.08.063 [8] Gufron, Muhammad.2009.”Pengaruh Suhu dan Waktu Pemanasan terhadap Pembentukan Nanokomposit Fe3O4/Fe2O3.Instutut Teknologi Sepuluh Nopember:Surabaya

[9]

Fitriyah,Nurul.(2011).”Sintesis Bahan Multiferoik BiFeO3 dengan Metode Kopresipitasi”.Institut Taknologi Sepuluh Nopember;Surabaya [10]Retnowati,DwiYuli.2011.”Karakterisa-si Sifat Magnet dan Listrik Bahan Multiferoik BiFeO3”.Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya [11] Picozzi,Silvia and Claude Ederer.2009.”First Principles Studies of Multiferroic Materials”.Journal Physics:Condens Matter 21(2009)303201(18pp) [12] P. Sen, A. Dey, A.K. Mukhopadhyay, S.K. Bandyopadhyay,A.K. Himanshu, “Nanoindentation Behaviour of Nano BiFeO3, Ceramics International(2010)”, doi: 10.1016/j. ceramint. 2011.09.011 [13] Hua Dai,Zhong, Yukikuni Akhisige. 2011.”BiFeO3 ceramics synthesized by spark plasma sintering”. http:// dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.05.0 20 [14] Levy Mark,(2005),”Crystal Structure and Defect Property Predictions in Ceramic Materials”, Department of College of Materials Imperial Science,Technology and Medicine : London [15] Palai et al.,( 2008), “ Physics”,Rev.B7,Vol. 014110. [16] Lu,J.2011.”Phase Equilibrium of Bi2O3Fe2O3 pseudo-binary system and growth of BiFeO3 Single Crystal”.Journal of Crystal Growth 318(2011)936-941 [17] Carvalho, P.B. Tavares,(2008),"Synthesis and Thermodynamic Stability of Multiferroic BiFeO3",Materials Letters 62 (2008) 3984–3986 [18] Kuk, Jong Kim. Et al.2005.Sol-gel synthesis and properties of Multiferroic BiFeO3.Material Letters,59, pp.4006-4009 [19] J.L. Mukherjee, F.F.Y. Wang, “Kinetics of solid state reaction of Bi2O3 and Fe2O3”, Journal of the American Ceramic Society 54 (1971) 32–34. [20] Arifani,Mariya.2012.”Identifikasi dan Karakterisasi Pasir Besi di Pantai Selatan Kabupaten Blitar.Institut Teknologi Sepuluh Nopember:Surabaya