PENENTUAN TEMPERATUR CURIE SENYAWA OKSIDA LOGAM BERSTRUKTUR AURIVILLIUS TIPE CuBi4Ti4O15 (CBT) EMPAT LAPIS TEMPERATURE CURIE DETERMINATION OF THE CRYSTAL STRUCTURE OF THE FOUR-LAYER AURIVILLIUS OXIDES CuBi4Ti4O15 Edi Mikrianto*) Program Studi Kimia, Fakultas MIPA Universitas Lambung Mangkurat Jalan Jenderal Ahmad Yani Km 36 Banjarbaru e-mail:
[email protected]
ABSTRAK Struktur kristal oksida Aurivillius CuBi4Ti4O15 empat lapis mempunyai bentuk geometri ortorombik dengan space group A21am pada suhu 200 oC hingga suhu 600 o C merupakan fase feroelektrik. CuBi4Ti4O15 dengan space goup A21am pada suhu 200 o C berubah ke fase paraelektrik di atas suhu 800 oC dengan space group I4/mmm dan dikatakan sebagai temperatur curie, sekitar suhu 600 oC berada pada fase intermediate dengan space group amam. Parameter kisi pada suhu 800 oC adalah a = 5.459239 Å, b = 5.45898 Å dan c = 40.9812 Å. Kata Kunci : Aurivillius, difraksi sinar-X, reaksi kimia padat.
ABSTRACT The crystal structure of the four-layer Aurivillius oxides was determined CuBi4Ti4O15 adopt orthorhombic space group A21am (at 200 oC – 600 oC) have Aurivillius-phase ferroelectric. CuBi4Ti4O15 with space group A21am at 200 oC transforms to the paraelectric phase above 800 oC with space group I4/mmm and the reported Curie point, passing through a probable intermediate state at 600 oC with space group amam. The lattice constans are a = 5.459239 Å, b = 5.45898 Å dan c = 40.9812 Å at 800 oC.
Keywords : Aurivillius, X-ray diffraction, solid state reaction
besar ini diantaranya adalah beberapa
PENDAHULUAN
logam alkali, alkali tanah, unsur tanah Oksida
logam
Aurivillius
merupakan suatu senyawa oksida yang terdiri dari struktur berlapis yang tumbuh secara teratur yang terbentuk dari [An1BnO3n+1]
2-
yang disebut dengan lapisan
perovskit dan lapisan [Bi2O2]2+. Kation A merupakan ion-ion yang bermuatan +1, +2 atau +3 yang mempunyai koordinasi dodekahedral. Kation A yang berukuran
jarang atau campurannya. Sedangkan kation B merupakan suatu unsur transisi dengan
koordinasi
oktahedral
yang
berukuran lebih kecil dari kation A dan n merupakan bilangan bulat (1 ≤ n ≤ 5) yang menunjukkan jumlah oktahedral pada lapisan perovskit. (Stefan Borg, 2002).
Oksida
mempunyai
logam
Aurivillius
karakteristik
yaitu
sifat feroelektrik (Subarao, .
(a)
(b)
Gambar 1. (a) Koordinasi kation-kation dalam oksida Aurivillius; (b) Struktur oksida Aurivillius simetri I4/mmm dengan jumlah n oktahedral n = 2 biasanya
temperatur di bawah temperatur Curie,
didefinisikan sebagai material dielektrik
kristal feroelektrik mengalami transisi
yang
dari sifat paraelektrik menjadi sifat
Bahan
feroelektrik
mempunyai
sifat
polarisasi
spontan yang dapat dibalik arahnya
feroelektrik.
dengan cara membalikkan arah medan
Pada
listrik luar yang diberikan pada bahan
tunggal sistem
tersebut.
Semua
diteliti
memiliki
temperatur
transisi
yang
menunjukkan
disebut
temperatur
Curie.
Pada
suatu
bahan
feroelektrik
oksida
oleh oksida
Aurivillius
kristal
Sr0,85Bi2,1Ta2O9
Onodera bahwa
et.al
yang (2000)
konstanta
Aurivillius
kisi
mengalami
perubahan
sifat
feroelektrik
yang
dan Onodera (2000). Hervoches (2002)
tergantung pada temperatur. Konstanta
menyatakan untuk penentuan struktur
kisi akan bertambah besar dengan
lapis tiga Bi4Ti3O12 pada temperatur 25,
meningkatnya
500,
temperatur
sampai
650,
dan
o
800
C,
diperoleh
mencapai maksimum pada temperatur
temperatur Curie pada 675 oC. Onodera
tertentu. Ketika temperatur dinaikkan
(2000)
akan terjadi perbedaan selisih konstanta
Aurivillius
kisi
Sr0,85Bi2,1Ta2O9 dengan temperatur Curie
yang
mengecil
hingga
akan
menunjukkan kristal
bahwa
oksida
tunggal
sistem
mendekati sama untuk parameter kisi a
berada
dan b dinamakan Temperatur Curie
perubahan konstanta kisi tergantung
Penelitian
tentang
transisi
et.al,
2000.
Berdasarkan
Pada senyawa
variasi
permitivitas
temperatur
seperti
didinginkan
dari
K
penelitian
penentuan
penelitian tersebut diketahui pengaruh dari
500
mengalami
pada temperatur.
feroelektrik ini telah dilakukan oleh Onodera
pada
ini
temperatur oksida
dilakukan
Curie
logam
dari
berstruktur
εr
dengan
Aurivillius tipe CuBi4Ti4O15 (CBT) empat
kristal
BaTiO3
lapis, dengan mengetahui perubahan
sifat
paraelektrik
parameter
sel
yang
terjadi
kubiknya menjadi feroelektrik tetragonal,
menggunakan metode difraksi sinar-X
ortorombik,
(XRD) dan analisis data yang diperoleh
dan
sifat
rombohedral.
Mendekati titik Curie atau temperatur
dengan
transisi,
Powder Difraction File (PDF) pada
sifat-sifat
termodinamik
menggunakan
data
termasuk dielektrik, elastis, optik, dan
program
konstanta termal menunjukkan suatu
Powder_4 untuk mengetahui perubahan
perlakuan
menyimpang.
Ini
kisi pada setiap kenaikan temperatur
menyebabkan
terjadinya
di
pemanasan.
distorsi
Phasanx
dan
base
program
dalam kristal sebagai fasa pengubah struktur. Ismunandar (1999) juga telah
BAHAN DAN METODE
melaporkan untuk senyawa ABi2Nb2O9 Oksida
(A = Sr dan Ba). Oksida Aurivillius SrBi2Nb2O9
dan
BaBi2Nb2O9
yang
dengan
Aurivillius
mereaksikan
oksida-oksida
masing-masing mengalami perubahan
penyusunnya
parameter a, b dan c oleh temperatur
stoikiometri yang diinginkan. Oksida-
pendinginan. Studi yang sama juga
oksida penyusun dari oksida Aurivillius
telah dilakukan oleh Hervoches (2002)
yang
akan
sesuai
disintesis
disintesis
dengan
adalah
TiO2
(Aldrich, 99,9%), Bi2O3 (Aldrich, 99,9%),
temperatur
CuCO3 (Aldrich 99,99%). Oksida-oksida
dilanjutkan kembali untuk tahap-tahap
tersebut
berikutnya
ditimbang
dengan
berat
tersebut, dengan
kemudian
variasi
kenaikan
o
masing-masing 0,1853 gram CuCO3,
suhu 100 C hingga mencapai suhu di
1,3979 gram Bi2O3 dan 0,4792 gram
bawah temperatur sintesis.
TiO2. Semua bahan tersebut dicampur sehingga
menjadi
homogen
Dari data hasil difraksi sinar-X
dan
(difraktogram) yang didapatkan akan
kemudian ditambahkan dengan aseton
dibandingkan dengan data base Powder
sebagai pelarut dan digerus sampai
Difraction File (PDF) sehingga dapat
menghasilkan serbuk. Serbuk tersebut
diketahui apakah senyawa Aurivillius
dipindahkan ke cawan alumina, lalu
tipe CBT empat lapis telah terbentuk.
dipanaskan di furnace dalam beberapa
Kemudian
tahapan suhu.
Pada tahap pertama,
program Powder_4 akan ditentukan
bahan dipanaskan pada temperatur 200
indeks Miller dan parameter sel dari
°C. Setelah itu bahan didinginkan dan
senyawa Aurivillius yang terbentuk, dan
digerus kembali. Kemudian diteruskan
perubahan parameter sel yang terjadi
untuk tahap-tahap berikutnya dengan
pada setiap temperatur pemanasan.
dengan
menggunakan
variasi kenaikan temperatur adalah 100 o
C,
sampai
diperoleh
tekstur
yang
mengeras dan warna padatan berubah. Penentuan temperatur Curie dari oksida Aurivillius yang telah terbentuk dilakukan dengan mengambil sedikit demi sedikit oksida Aurivillius yang telah terbentuk
kemudian
digerus
dan
dipindahkan dalam cawan alumina dan kemudian dipanaskan dalam furnace dalam beberapa tahapan temperatur. Tahap pertama, pemanasan dilakukan pada temperatur 100 jam.
o
C selama 2-3
Setelah itu, didinginkan dan
dijadikan sebagai sampel untuk proses difraksi
sinar-X,
untuk
mengetahui
bentuk struktur oksida Aurivillius pada
HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis
ini
dilakukan
dengan
menggunakan metode reaksi zat padat. Pada temperatur rendah, reaksi zat padat berjalan lambat dan perubahan yang terjadi juga tidak terlalu berarti. Hal ini dikarenakan perbedaan struktur dan produk, serta besarnya jumlah struktur pembentuk produk. Reaksi zat padat biasanya hanya terjadi pada temperatur
yang
tinggi
karena
diperlukan energi yang cukup untuk memungkinkan keluarnya ion-ion dari bagian kisi normalnya untuk membentuk suatu kristal
(West, 1989).
Pada
temperatur 700 oC dan 900 oC (12 jam)
telah terlihat perubahan warna dan
Perbedaan tingkat kristalinitas dapat
tekstur
dari
dengan jelas dilihat pada Gambar 2.
sehingga
Pada Gambar tersebut dapat dilihat
kenaikan temperatur diakhiri pada 900
bahwa pada sampel yang di peroleh
o
dengan temperatur pemanasan 900 oC
yang
keadaan
sangat
berbeda
sebelumnya
C dengan lama pembakaran 12 jam.
Untuk mengetahui pertumbuhan kristal
(12
yang
puncak tertinggi yaitu 1444 counts/a.u
terjadi
karakteristik
maka
dengan
dilakukan menggunakan
jam)
dengan
metode Difraksi sinar-X (XRD) pada
2θ
memiliki
intensitas
29,655o
=
pada
sedangkan
intensitas pada puncak tertinggi yang
o
temperatur pembakaran 850 C (24 jam)
dihasilkan pada temperatur pemanasan
Kedua
850 oC (24 jam) yaitu 861 counts/a.u
masing-masing
dengan 2θ = 30,215o, sehingga tingkat
menunjukkan adanya fasa kristal yang
kristalinitas dari kristal yang terbentuk
terbentuk. Fasa kristal yang terbentuk
pada temperatur 900 oC (12 jam) jauh
pada temperatur 850 oC (24 jam) dan
lebih tinggi dibandingkan dengan tingkat
900 oC (12 jam) masing-masing memiliki
kristalinitas
tingkat
temperatur pemanasan 850 oC (24 jam).
dan
900
o
C
(12
difraktogram
kristalinitas
jam).
yang
berbeda.
yang
di
peroleh
pada
900oC (12 jam)
20
30
40
50
60
850oC (24 jam) 70
80
2 The ta
Gambar 2. Perbandingan puncak-puncak difraksi pada temperatur 850 oC (24 jam) dengan temperatur 900 oC (12 jam)
Berdasarkan hasil difraktogram tersebut dengan
maka
dilakukan
menggunakan
temperatur Curie dari Oksida Aurivillius
analisis
tipe CBT 4 lapis.
program
Onodera
(2000)
menyatakan
Phasanx dan program Powder_4, maka
bahwa perubahan konstanta kisi pada
diketahui bahwa telah terbentuk oksida
oksida
Aurivillius yang memiliki struktur 4 lapis
temperatur.
dengan bentuk ortorombik (a ≠ b ≠ c)
bertambah besar dengan meningkatnya
dalam grup ruang A21am dengan a, b,
temperatur
dan c yang diperoleh masing-masing
maksimum dan kemudian mengalami
adalah 5,63199 Å, 5,63200 Å, dan
penurunan menuju ke fasa paraelektrik.
41,9840 Å. Hasil sintesis ini kemudian
Temperatur pada puncak maksimum
dilanjutkan
tersebut yang dinamakan temperatur
untuk
menentukan
Aurivillius
dipengaruhi
Konstanta sampai
kisi
oleh akan
mencapai
Curie
200 oC 300 oC 400 oC 500 oC 600 oC 700 oC 800 oC
20
Gambar
30
3.
40
Perbandingan pemanasan.
50 2 Theta
puncak-puncak
60
difraksi
70
pada
80
kenaikan
temperatur
\ Difraktogram
hasil
analisis
dengan
perlakuan terhadap temperatur tertentu,
menggunakan difraksi sinar-X (Gambar
puncak-puncak
difraksi
mengalami
3) menunjukkan bahwa pada setiap
perubahan intensitas dan posisi puncak
pada 2θ. Hal tersebut terjadi karena
Perpindahan dari atom-atom tersebut
atom-atom
penyusun
oksida
ini
akan mempengaruhi pada konstanta kisi
mengalami
perpindahan
posisi
dari
pada setiap temperatur.
posisi pada temperatur sebelumnya. Tabel 1. Perubahan Konstanta Kisi terhadap Kenaikan Temperatur T (oC)
a 5.454078 5.458621 5.473035 5.536626 5.562282 5.548559 5.459239
200 300 400 500 600 700 800
Konstanta Kisi (Å) b c 5.434522 40.94748 5.443301 41.10228 5.453185 41.27284 5.463677 41.18016 5.48843 41.04142 5.467539 41.10228 5.45898 40.9812
5.58
Sumbu-a Sumbu-b
5.56 5.54 5.52 5.5 5.48 5.46 5.44 5.42 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
800
900
o
Temperatur ( C)
41.3
Sumbu-c 41.25 41.20 41.15 41.10 41.05 41 40.95 40.9 0
100
200
300
400
500
o
600
700
Temperatur ( C)
Gambar 4. Perubahan konstanta kisi oksida Aurivillius tipe CBT 4 lapis terhadap kenaikan temperatur. (a). Konstanta kisi diukur pada sumbu a dan b dengan temperatur puncak pada 600 oC. (b). Konstanta kisi diukur pada sumbu c dengan temperatur puncak pada 600 oC
Perubahan konstanta kisi (Tabel 1) dari
disebabkan
oksida Aurivillius tipe CBT 4 lapis akibat
ortorombiknya
pengaruh dari temperatur pemanasan
Pergerakan atom-atom ini khususnya
dapat dilihat seperti pada Gambar 4.
terjadi pada atom Ti dan O pada lapisan
Pada temperatur pemanasan 200 hingga mencapai temperatur 600 konstanta sumbu
kisi
a,
pada dan
b,
peningkatan
dan
feroelektrik.
o o
bentuk
struktur
yang
asimetris.
C
perovkit dalam oksida Aurivillius. Pada
C,
temperatur puncak
yaitu temperatur
masing-masing
intermediat, atom-atom tersebut akan
mengalami
bergerak lebih bebas karena jarak antar
c
memiliki
Ketika
sifat
atom-atomnya menjadi lebih besar. Hal
temperatur
ini ditunjukkan dengan besarnya nilai
o
pemanasan dinaikkan di atas 600 C,
konstanta kisi a dan b pada temperatur
terjadi penurunan konstanta kisi hingga
600 oC. Atom Ti dan O yang berada
temperatur 800 oC, sehingga temperatur
pada
o
lapisan
perovskit
ini
dapat
puncaknya berada pada 600 C. Dapat
bergerak karena memiliki bobot atom
diperkirakan
yang lebih kecil dari atom-atom Cu dan
bahwa
temperatur
intermediet untuk oksida Aurivillius tipe
Bi. Pada temperatur 800 oC, oksida
CBT 4 lapis ini berada di sekitar o
C. Pada temperatur
Aurivillius ini memiliki bentuk struktur
200 C hingga temperatur maksimum
ortorombik yang simetri. Dalam keadaan
600 oC, oksida ini akan berada dalam
ini, atom-atom penyusun dari Oksida
bentuk ortorombik asimetris dengan
Aurivillius tidak mengalami pergerakan,
grup ruang A21am, sedangkan pada
dikarenakan
temperatur 600 o
o
temperatur di atas 600 C oksida ini akan
mengalami
temperatur
800
o
C
transisi
pada
menuju
bentuk
800
o
C di sebut sebagai temperatur
curie dengan parameter selnya adalah a = 5.459239 Å, b = 5.45898 Å dan c = 40.9812 Å. Pada keadaan di bawah 600 oC, atom-atom penyusun oksida Aurivillius dapat mengalami pergerakan, karena
atom-atom
telah
berada dalam keadaan rapat (terjejal).
KESIMPULAN
ortorombik simetris dengan grup ruang I4/mmm yang selanjutnya temperatur
posisi
Berdasarkan hasil penelitian ini diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu : 1.
Perubahan
parameter
sel
dari
senyawa oksida logam Aurivillius tipe CBT empat lapis mengalami peningkatan
hingga
mencapai
o
temperatur 600 C dan mengalami penurunan pada temperatur di
atas 600
o
C yang selanjutnya
disebut fase intermediat. 2.
Temperatur Curie dari senyawa oksida logam Aurivillius tipe CBT empat lapis berada di sekitar temperatur 800
o
C bergeometri
ortorombik dengan space group I4/mmm dengan parameter selnya adalah a = 5.459239 Å, b = 5.45898 Å dan c = 40.9812 Å.. DAFTAR PUSTAKA Aurivillius, B. 1950. Mixed oxides with Layer Lattices .III Structure of BaBi4Ti4O15. Arkiv For Kemi Band 2. 37: 519-527. Hervoches, C. H., Alan S., Susan H. K., Pascal M., and Philip L. 2002. Structural Behavior of The Four Layer Aurivillius Phase Ferroelectrics SrBi4Ti4O15 and Bi5Ti3FeO15. Journal of Solid state Chemistry. 164: 280-291. Ismunandar and Brendan J. K. 1999. Effects of Temperature on Cations Disorder in ABi2Nb2O9 (A = Sr, Ba). Journal Materials Chemistry. 9: 541-545. Mikrianto, Edi & Ismunandar. 2003. Sintesis dan Karakteristik Senyawa Berstruktur Aurivillius Empat Lapis. Departemen Kimia, FMIPA, Institut Teknologi Bandung. Onodera, A., T. Kubo, K. Yosho, S. Kojima, and T. Takama. 2000. Crystal Structure of HighTemperatur Paraelectric Phase in Bi-layered Perovskite
Sr0,85Bi2,1Ta2O9. Journal Japan J Applied Physics. 39: 5711-5715. Borg, S., Goran Svensson and Jan-Olov Bovin., Structure Study of Bi2,5Na0,5Ta2O9 and Bi2,5Nam1,5Nbm O3m+3 (m=2-4) by Neutron Powder Diffraction and Electron Microscopy, Journal of Solid State Chemistry 167, 86-96 (2002) Subbarao, E.C.(1962), Journal Physisc Chemestry Solid, 23 665-670 (1962). Varma, K. B. R., G. N. Subbanna, T. N. Guru Row, & C. N. R. Rao. 2005. Synthesis and Characterization of Layered Bismuth Vanadates. Journal of Materials Research 11: 2718. West, A. R. 1984. Solid State Chemistry and It’s Application, hlm. 361390. Departement Chemistry of Abenden. New York.
