PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA PENGARUH LAMA SINTERING TERHADAP KONDUKTIVITAS SENYAWA MULTIFERROIK Bi1− x Pbx FeO3±δ
Bidang Kegiatan: PKM-AI
Diusulkan oleh: Sri Astutik Ningtiyas Rizqyanne.A Lisa Ainun Najihah
406322403724/2006 307322407280/2007 307322403632/2007
UNIVERSITAS NEGERI MALANG MALANG 2010
LEMBAR PENGESAHAN USULAN PKM-AI
1. Judul Kegiatan : PENGARUH LAMA SINTERING TERHADAP KONDUKTIVITAS SENYAWA MULTIFERROIK Bi1− x Pbx FeO3±δ 2. Bidang Kegiatan: (√) PKM-AI ( ) PKM-GT 3. Ketua Pelaksana Kegiatan/Penulis Utama a. Nama Lengkap : Sri Astutik Ningtiyas b. NIM : 406322403724 c. Jurusan : Fisika d. Universitas : Negeri Malang e. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Desa Gabus Banaran Rt.1 Rw.1 Tembelang-Jombang, 085233023162 f. Alamat email :
[email protected] 4. Anggota Pelaksana Kegiatan/Penulis 5. Dosen Pendamping a. Nama lengkap dan Gelar b. NIP c. Alamat Rumah dan No Tel./HP
: 3 orang : Dr. Markus Diantoro, M.Si : 19661221 199103 1 001 : Jl. Tegalgondo RT/RW 03/01 Karangploso 0817425488
Menyetujui Ketua Jurusan Fisika
Malang, 15 Pebruari 2010 Ketua Pelaksana Kegiatan
(Dr. Arif Hidayat, M.Si) NIP. 19660822 199003 1 003
(Sri Astutik Ningtiyas) NIM. 406322403724
Pembantu Rektor III Bidang Kemahasiswaan
Dosen Pendamping
(Drs. Kadim Masjkur, M.Pd) NIP. 19541216 198102 1 001
(Dr. Markus Diantoro, M.Si) NIP. 19661221 199103 1 001
DAFTAR BIODATA PENELITI 1. KETUA PELAKSANA Nama TTL Jenis kelamin No.Hp Alamat asal Agama Status
: Sri Astutik Ningtiyas : Sidoarjo, 27 Desember 1988 : Perempuan : 085233023162 : Desa Gabus Banaran Rt.1 Rw.1 Tembelang-Jombang : Islam : Mahasiswa
Riwayat Pendidikan No.
Jenjang
Nama Sekolah
Tahun
1
SD
SDN Kedung Cangkring
1994-2000
2
SMP
SMP Negeri 1 Jabon
2000-2003
3
SMA
SMA Negeri 1 Porong
2003-2006
4
PT
Jurusan Fisika FMIPA UM
2006-sekarang
Karya Ilmiah yang Pernah Ditulis
Laporan Praktek Kerja Lapangan di BMKG Kelas I Juanda Surabaya ”Manfaat Data Permukaan Meteorologi terhadap Penerbangan di Bandara Juanda Surabaya” Tahun 2009
Malang, 15 Februari 2010 Ketua Pelaksana,
Sri Astutik Ningtiyas NIM. 406322403724
2. ANGGOTA PELAKSANA 1 Nama TTL Jenis kelamin No.Tlp Alamat asal Agama Status
: Lisa Ainun N. : Malang, 4 Mei 1989 : Perempuan : 085646683520 : Jl.Mojomulyo 79 Mojorejo Batu : Islam : Mahasiswa
Riwayat Pendidikan No.
Jenjang
Nama Sekolah
Tahun
1
SD
SDN Mojorejo I Batu
1995-2001
2
SMP
SMPN 1 Batu
2001-2004
3
SMA
SMAN 1 Batu
2004-2007
4
PT
Jurusan Fisika FMIPA UM
2007-sekarang
Malang, 15 Februari 2010 Anggota Pelaksana I,
Lisa Ainun N NIM. 307322403632
3. ANGGOTA PELAKSANA 1I Nama TTL Jenis kelamin Alamat asal Agama Status
: Rizqyanne. A : Kediri, 28 Oktober 1989 : Perempuan : Kesamben-Blitar : Islam : Mahasiswa
Riwayat Pendidikan No.
Jenjang
Nama Sekolah
Tahun
1
SD
SDN Jugu 02
1995-2001
2
SMP
SMPN 1 Kesamben
2001-2004
3
SMA
SMA 1 Talun
2004-2007
4
PT
Jurusan Fisika FMIPA UM
2007-sekarang
Malang, 15 Februari 2010 Anggota Pelaksana II,
Rizqyanne. A NIM. 307322407280
PENGARUH LAMA SINTERING TERHADAP KONDUKTIVITAS SENYAWA MULTIFERROIK Bi1− x Pbx FeO3±δ Sri Astutik Ningtiyas, Rizkyanne.A, Lisa Ainun.N Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Negeri Malang
Abstrak Multiferoik merupakan senyawa yang memiliki sifat feroelektrik dan feromagnetik sekaligus. Multiferoik merupakan bahan yang sangat menarik karena multiferoik merupakan penggabungan antara dua bahan yang berbeda sifatnya yang mempunyai fungsi ganda yaitu menyimpan data dan memproses data yang kuat. Lama pemanasan merupakan salah satu factor yang berpengaruh terhadap konduktivitas suatu bahan. Untuk mengetahui pengaruh lama pemanasan terhadap konduktivitas senyawa multiferroik dilakukan dengan jalan menghitung konduktivitasnya. Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah BiFeO3 yang didoping dengan Pb dengan doping sebesar x=0,3 dan senyawa yang dihasilkan adalah Bi1− x Pbx FeO3±δ . Bahan-bahan dasar yang digunakan terdiri dari Bi2O3 (99%), PbO (98%), dan Fe2O3 (98%). Sintesis dan pengukuran dilakukan di Laboratorium Fisika Material Fisika Universitas Negeri Malang. Sintesis menggunakan reaksi padatan (solid state reaction), bahanbahan dasar dicampur dan dilakukan penggerusan sebelum peletisasi kemudian dilakukan pemanasan pada temperature 800 0C dan variasi lama pemanasan t = 2, 4, 6, dan 8 jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin lama waktu pemanasan senyawa multiferoik Bi1− x Pbx FeO3±δ akan menaikkan nilai konduktivitas listrik, yaitu sampel dengan lama pemanasan 2jam memiliki konduktivitas 0,814 (ohm-m)-1, sedangkan 4jam sebesar 2,155(ohm-m)-1, 6jam sebesar 2,967(ohm-m)-1, dan 8jam sebesar 5,311 (ohm-m)-1. Kata Kunci: Multiferroik Bi1− x Pbx FeO3±δ , variasi lama pemanasan, konduktivitas listrik
Abstract Multiferroics have been formally defined as materials that exhibit freeroelectricity and ferromagnetism simultaneously. Since multifeeroics are compuoned by two different materials, and each material have different properties, it really becomes an interested material. Furthermore, it can obviously applied as data storage devices. Temperature is one factor affecting the conductivity of material Bi1− x Pbx FeO3±δ with 0.3 Pb- doped on BiFeO3 sample were prepared to be Bi1− x Pbx FeO3±δ by means of solid state reaction. It was used from Bi2O3 (99%), PbO (98%), and Fe2O3 (98%) to synthesis such material. The
synthesis and characterization was done in Material Physics Laboratory, State University of Malang. Characterization the material is alloy, mixing, heating at temperature 8000C and variation for the time heating are t=2, 4, 6, and 8 hours. Result this riset are conductivity linear advance of increment the time heating. The conductivity of material Bi1− x Pbx FeO3±δ for t=2, 4, 6, and 8 hours there are 0,814 (ohm-m)-1; 2,155(ohm-m)-1; 2,967(ohm-m)-1 and 5,311 (ohm-m)-1. Keywords: Multiferroics Bi1− x Pbx FeO3±δ , time heating variation, conductivity
PENDAHULUAN Bahan Multiferoik belakangan ini menjadi topik pembicaraan dan penelitian para ahli yang popular. Salah satu kajian tentang bahan magnetik adalah menghasilkan bahan multiferroik, yang dimana pemanfaatannya sangat diharapkan dalam dunia industri, misalnya pemanfaatan untuk sebuah memori yang bergantung kepada medis memori baru, digunakan untuk Filter, osilator, fase shifters dll(1). Selain memiliki aplikasi potensial untuk bahan-bahan yang berbasis magneto edilektrik(2), bahan multiferroik sangat menarik untuk dikaji, baik dari ilmu pengetahuan maupun teknologi. Sejauh ini baru ada beberapa senyawa yang menunjukan sifat multiferoik. Pertama kali bahan multiferoik ditemukan adalah berupa feromagnetik Ni3B7O13I (Nickel Iodone Baracite)(5). Selanjutnya ditemukan bahan multiferoik seperti (1-x)Pb(Fe1/3W1/3)O3-xPb(Mg1/2W1/2)O3, Pb(CoW)O7, Bi FeO3, YMnO3(3) dan RMn2O5(4). Penelitian tentang bahan multiferoik akhir-akhir ini sangat diperlukan dan pentingnya aplikasi dari bahan multiferoik tersebut adalah digunakan dalam rangkaian elektronika. Pada penelitian-penelitian sebelumya sudah ada yang mengkaji tentang bahan multiferroik BiFeO3 yang didoping dengan Pb tetapi belum begitu luas dan rentangnya sedikit, oleh karena itu peneliti memilih judul Pengaruh Lama Sintering Terhadap Konduktivitas Senyawa Multiferroik Bi1− x Pbx FeO3±δ untuk di eksperimenkan. Tujuan dalam penelitian ini, dimana bahan dasarnya adalah BiFeO3 yang di doping dengan senyawa Pb dengan konsentrasi sebesar 0,3 untuk meningkatkan nilai konduktivitas bahan yang akan diukur pada temperatur ruang. Dari latar belakang yang telah diuraikan di atas didapatkan suatu permasalahan yaitu : Bagaimana pengaruh lama sintering (pemanasan) terhadap konduktivitas bahan multiferroik Bi1-xPbxFeO3-δ .
METODE PENELITIAN Metode yang digunakan adalah eksperimen murni. Kegiatan penelitian ini meliputi : proses pembuatan sample yang terdiri dari tahap persiapan, tahap pembuatan sampel, tahap penentuan komposisi sampel, tahap pencampuran bahan, tahap pencetakan sampel, tahap pengeringan sampel, tahap penyinteringan sampel, dan tahap pengukuran konduktivitas bahan dengan menggunakan metode 4 probe yang kemudian dihitung nilai konduktivitasnya.
Bahan dasar yang digunakan dalam eksperimen ini terdiri dari: Bi2O3 (99%), PbO (98%), dan Fe2O3 (98%) dan dengan peralatan terdiri dari: Furnace 48000, (Tungku listrik) Neraca Sartorius dengan ketelitian 0,0001 g, Spatula (Sendok kecil), Pinset, Alat ukur waktu (jam), Mortar dan Penggerus, Mesin Pressing, Cetakan berbentuk pellet (punch dan dies), Multimeter, Voltmeter dan Amperemeter, Komputer dengan bantuan software program Microcal Origin.
HASIL PENELITIAN Berdasarkan data pada lampiran 1, maka nilai konduktivitas dapat dihitung dari nilai arus dan tegangan dengan menggunakan persamaan dibawah ini: ρ= dengan σ = 1/ ρ
Nilai Konduktivitas dan Tegangan beberapa sampel pada Pengukuran Temperatur Ruang K ndk tv ts1 K ndk tv ts2 K ndk tv ts3 K ndk tv ts4
6
Konduktivitas (Ohm meter)
-1
5
4
3
2
1
0 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
T egang an (V )
Gambar 1. Kurva hubungan antara Konduktivitas dan tegangan pada sampel pemanasan 2jam (Kndktvts1), 4jam (Kndktvts2), 6jam (Kndktvts3), dan 8jam (Kndktvts4). Simbol dot berwarna adalah data sedangkan simbol garis merupakan Garis Pandu Pada gambar di atas tampak bahwa semakin besar tegangan maka akan semakin besar pula nilai konduktivitas pada sampel, dan semakin lama waktu pemanasan maka akan memperbesar nilai konduktivitasnya.
Pengaruh Lama Pemanasan terhadap Nilai Konduktivitas pada Pengukuran Temperatur Ruang pada Tegangan yang berbeda
Nilai Tegangan dan Arus pada berbagai sampel yang berbeda lama pemanasannya jika dirata-rata setelah itu dimasukkan ke dalam persamaan resistivitas akan diperoleh data pada tabel berikut: B 6 00 0
4 00 0
-1
konduktivitas(ohm-m) x 10
-3
5 00 0
3 00 0
2 00 0
1 00 0
0 2
3
4
5
6
7
8
S a m p e l (ja m )
Gambar 2. Kurva hubungan antara Konduktivitas dan lama pemanasan, Simbol dot berwarna hitam adalah data sedangkan simbol garis merupakan Garis Pandu Hasil perhitungan dan grafik menunjukkan bahwa peningkatan lama pemanasan sangat berpengaruh terhadap nilai konduktivitas senyawa multiferroik yaitu semakin lama pemanasan maka semakin besar nilai konduktivitasnya. Pengaruh peningkatan lama pemanasan ini ditunjukkan oleh kurva tegangan dan konduktivitas serta kurva konduktivitas dan lama sintering, dimana nilai konduktivitas bahan naik secara eksponensial seiring dengan peningkatan lama pemanasan pengukuran pada temperatur ruang. Hasil perhitungan ini sesuai dengan persamaan Avrami yang menyatakan bahwa semakin besar waktu pemanasan maka semakin cepat laju reaksi, sehingga semakin cepat fase baru yang terbentuk dan yang digantikan(7). Konduktivitas akan naik seiring dengan pertambahan waktu pemanasan, hal ini dikarenakan Jari-jari dan valensi atom pada bahan setelah di sintering akan semakin kecil yang mengakibatkan jarak antar atom mengecil yaitu partikel yang ada di dalam sampel akan menjadi lebih padat sehingga gaya ikat antar atom semakin kuat. Ukuran butiran partikel akan berubah akibat perubahan waktu pemanasan, semakin lama waktu pemanasan maka atom semakin cepat berdifusi sehingga ukuran butiran semakin besar dan daerah kosong sebelum pemanasan semakin sedikit sehingga menurunkan resistivitas yang artinya konduktivitas bahan semakin meningkat. Proses penumbuhan kristal semakin cepat seiring bertambahnya waktu lama pemanasan, dimana kristal yang terbentuk menjadi lebih besar sehingga elektronnya mudah lepas. Pemberian dopan Pb pada senyawa multiferroik akan menjadi stabil dan pembentukan fasenya lebih sempurna. Jika suatu bahan didopingkan dengan bahan yang mempunyai jari-jari atom yang lebih besar yaitu
Bi mempunyai jari-jari atom 1,556 0A sedangkan Pb mempunyai jari-jari atom 1,750 0A maka akan meningkatkan konduktivitas. Teori ini yang sesuai dengan teori struktur atom, yaitu semakin besar jarak antara inti atom dengan atom maka elektron yang ada pada kulit terluar mudah lepas dan gaya Coulomb semakin kecil maka konduktivitasnya akan meningkat(2). Lama waktu pemanasan ini digunakan untuk mengganti doping sehingga resistivitasnya menurun. Pada teori Drude menyatakan bahwa konduktivitas listrik hanya berbanding lurus dengan kosentrasi elektron dan konduktivitas listrik bergantung pada temperatur, waktu dan juga arah(8). Hal ini sudah sesuai dengan hipotesisnya. Setalah dirata-rata nilai arus dan tegangan yang dimasukkan pada persamaan resistivitas pada pengukuran beberapa sampel tampak menghasilkan nilai resistivitas paling kecil adalah sampel yang dipanasi selama 8 jam sehingga sampel tersebut memiliki nilai konduktivitas paling besar yang mencapai 5,311 (Ωm)-1 yang diukur pada temperatur ruang.
KESIMPULAN 1. Konduktivitas listrik pada senyawa Multiferoik Bi1− x Pbx FeO3±δ sebanding dengan lama pemanasan bahan tersebut. Artinya semakin lama pemanasan bahan maka akan semakin besar nilai konduktivitas listrik bahan. 2. Pengukuran dilakukan pada temperature ruang yang pengambilan data tegangan dan arus dirata-rata yaitu sampel dengan lama pemanasan 2jam memiliki konduktivitas 0,814 (ohm-m)-1, sedangkan 4jam sebesar 2,155 (ohmm)-1, 6jam sebesar 2,967 (ohm-m)-1, 8jam sebesar 5,311 (ohm-m)-1, dan 10jam sampel meleleh dikarenakan kesalahan dalam pengesetan Furnace. 3. Adanya ketergantungan nilai konduktivitas listrik terhadap temperatur dan lama pemanasan bahan yang dimana nilai konduktivitas bahan merupakan kebalikkan dari nilai resistivitasnya.
DAFTAR PUSTAKA A.Hill, Nicola.2004. First Principles Study of Multiferroic Magnetoelectric Manganites. University of California Santa Barbara, Materials Department. Afifah, Afrida Nur. 2008. Analisis Struktur Kristal Senyawa Multiferoik Tb1-xMn2O5 (x=0;0.5;1) dan Pengaruh Terhadap sifat Magnetnya. Skripsi tidak diterbitkan. Malang : FMIPA Universitas Negeri Malang. Anonim 2. 2006. Kimia, (Online), (http://id.google.org/Kimia#Reaksi, diakses tanggal 8 april 2009) Hakim, lukman, Drs., Subani, Drs. 1980. Elektronika. Malang: IKIP Malang J. Fabian and S. Das Sarma. 1999. Journal Vacuum Society Technol, B. Spin relaxation of conduction electrons. America, American Vacuum Society. Volume 17,Hal 1708-1715. Kittel, C. 1986. Introduction to Solid State Physic, 6th Ed, Hal 185. New York: John Wiley.
Kittel, Charles. 2002. Introduction to Solid State Physic. John Wiley & Sons, Inc., Singapore, New York, Chichester, Brisbane, Toronto. Omar, Ali M. 1975. Elementary Solid State Physics: Principles and Applications. Addison-Wesley Publishing Company. Parno.2002. Pendahuluan Fisika Zat Padat . Malang : Universitas Negeri Malang. Prabandari, Gristin. 2008. Pengaruh Perubahan Komposisi dan Temperatur terhadap Resisitovotas Ferroelektrik Ba1-xLaxTiO3. Skripsi tidak diterbitkan. Malang : FMIPA Universitas Negeri Malang. Paul A. Tipler. 1991. Fisika Untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga. California: Penerbit Erlangga. Sears, Zemansky. 1969. Fisika Untuk Universitas 1, Mekanika, Panas, Bunyi. Jakarta: Penerbit Binacipta. Vlack,V. H. Lawrence.1964. Element of Materials Science, An Introductory Text for Engineering Students.London: Addison- Wesley Publising Company, Inc. Y. Ohno et al,. 1999. Nature. London. Volume 402, Hal 790.
Lampiran 1. Penghitungan massa sampel Menentukan berat molekul sampel Pada x: 0.3 0,7 Bi 2 O3 + Fe2 O3 + 0,6 PbO 2 Bi0,7 Pb0.3 Fe O3−δ Cara penghitungan massa bahan adalah sebagai berikut: Menghitung BM masing-masing bahan : 1. Bi2O3 x 0,7 = 465,9590 x 0,7 = 326,1713 gr mol 2. Fe2O3 = 159,6982 gr mol 3. PbO x 0,6 = 223,1994 x 0,6 = 133,91964 gr mol BM total = 619,78914 gr mol Menghitung mol : 5 gr Mol : = 0,008067 mol 619,78914 gr mol Menentukan massa sampel Menghitung massa masing-masing bahan : • Bi2O3 : 0,008067 mol x 326,1713 gr mol = 2,63122 gr • Fe2O3 : 0,008067 mol x 159,6982 gr mol = 1,28828 gr • PbO : 0,008067 mol x 133,91964 gr mol = 1,08033 gr Massa Total Bahan = 4,99983 gr Massa total bahan tidak sama persis 5 gram dikarenakan ada kelebihan unsur oksigen setelah reaksi yang tidak bisa terdeteksi sebesar gamma yaitu Bi1xPbxFeO3-δ Lampiran 2. Hasil Pengukuran Bentuk sampel yang diukur Tebal pil/Diameter pil Jarak antar Probe Hari, tanggal pengukuran Temperatur pemanasan Lama pemanasan
: Pil/tablet : 2,695 mm/9,565 mm : 2 mm : 6 Mei 2009 : 8000C : 2, 4, 6, 8, dan 10 jam
Penghitungan Nilai Konduktivitas Listrik Perhitungan nilai resistivitas bahan menggunakan persamaan berikut ρ= dengan σ = 1/ ρ dengan : ρ = Nilai Resistivitas Bahan (Ωm) d = Jarak Antar Probe (m) V = Beda Potensial (V) I = Arus Listrik (A) σ = Nilai konduktivitas bahan (Ωm)-1
Pengukuran sampel pada lama pemanasan 2 jam Konduktivitas (Ohm-m)-1 0,437
Tegangan (volt) 0,1
Arus (A)
1
Resistivitas (ohm-m) 2,228
2
1,821
0,549
0,2
1,379 x 10-3
3
1,274
0,785
0,3
2,958 x 10-3
4
1,219
0,820
0,4
4,121 x 10-3
5
0,992
1,008
0,5
6,331 x 10-3
No
0,549 x 10-3
Pengukuran sampel pada lama pemanasan 4 jam Konduktivitas (Ohm-m)-1 1,975
Tegangan (volt) 0,1
Arus (A)
1
Resistivitas (ohm-m) 0,506
2
0,499
2,006
0,2
5,034 x 10-3
3
0,472
2,118
0,3
7,983 x 10-3
0,495
2,020
0,4
10,149 x 10-3
0,419
2,387
0,5
14,988 x 10-3
No
4 5
2,482 x 10-3
Pengukuran sampel pada lama pemanasan 6 jam Konduktivitas (Ohm-m)-1 2,467
Tegangan (volt) 0,1
Arus (A)
1
Resistivitas (ohm-m) 0,405
2
0,377
2,654
0,2
6,663 x 10-3
3
0,339
2,943
0,3
11,115 x 10-3
4
0,331
3,024
0,4
15,178 x 10-3
5
0,316
3,161
0,5
19,873 x 10-3
No
3,101 x 10-3
Pengukuran sampel pada lama pemanasan 8 jam Konduktivitas (Ohm-m)-1 4,761
Tegangan (volt) 0,1
Arus (A)
1
Resistivitas (ohm-m) 0,210
2
0,205
4,875
0,2
12,254 x 10-3
3
0,199
5,004
0,3
18,935 x 10-3
4
0,189
5,302
0,4
26,582 x 10-3
5
0,173
5,764
0,5
36,301 x 10-3
No
5,981 x 10-3
Pengaruh Lama Pemanasan terhadap Nilai Konduktivitas pada Pengukuran Temperatur Ruang pada Tegangan yang berbeda setelah data diatas ditiap-tiap lama pemanasan yang dirata-rata adalah sebagai berikut: Sampel (jam) 2 4 6 8
Tegangan (V) 0,3 0,3 0,3 0,3
Arus (A) 3,068 x 10-3 8,127 x 10-3 11,186 x 10-3 20,011x 10-3
Resistivitas (Ωm) 1,228 0,464 0,337 0,1883
Konduktivitas (Ωm)-1 0,814 2,155 2,967 5,311
