Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 19 November 2016 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
SINTESIS DAN KARAKTERISASI SIFAT LISTRIK SUPERKONDUKTOR Eu2-xCexCuO4+α-δ (ECCO) UNTUK UNDER-DOPED
M. SAPUTRI*, M. F. SOBARI, A. I. HANIFAH, W.A. SOMANTRI, T. SARAGI , RISDIANA Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang Km 21, Jatinangor 45363 Abstrak. Telah dilakukan sintesis dan karakterisasi superkonduktor doping elektron ECCO dengan variasi konsentrasi doping Ce (x) dimulai dari 0.09, 0.10 dan 0.11. Proses sintesis dilakukan dengan menggunakan reaksi padatan yang terdiri dari sintering dengan suhu 1050oC selama 16 jam dan annealling dengan suhu 900oC selama 10 jam. Proses karakterisasi dilakukan dengan menggunakan four point probe method untuk mengamati hubungan antara nilai resistivitas (ρ) terhadap suhu (T). Hasil karakterisasi menunjukkan peningkatan nilai jari-jari lokalisasi (α) untuk setiap peningkatan konsentrasi doping Ce(x), Hal ini membuktikan bahwa doping Ce(x) dapat meningkatkan konduktivitas (σ) ECCO pada suhu 80K – 300K. Kata kunci : Superkonduktor ECCO, Under-doped, Sifat listrik, Jari-jari lokalisasi. Abstract. Electron-doped superconductor Eu2-xCexCuO4+α-σ with x = 0.09, 0.10 and 0.11 has been prepared by using solid state reaction method with sintering temparute of 1050oC for 16 hours and annealling of 900oC for 10 hours. Resistivity measurements with four point probe method have been done in temperature between 80 K and 300K. It is found that radius of localization of electron increased with increasing x. Indicated that Ce doped can increased the value of conductivity ECCO. Keywords : Superconductor ECCO, Under-doped, Electric characterisation, Radius of localization.
1. Pendahuluan Superkonduktivitas adalah suatu fenomena yang terjadi saat suatu material memiliki nilai resistivitas sama dengan nol ketika bahan tersebut berada pada suhu kritisnya. Suhu kritis adalah suhu ketika suatu material pertama kali menunjukkan fenomena superkonduktivitas. Fenomena superkonduktivitas ini hanya dapat diperlihatkan oleh suatu material yang disebut sebagai material superkonduktor. Fenomena superkonduktivitas ini pertama kali ditemukan oleh H. K. Onnes pada tahun 1911[1]. Tahun 1986 ditemukan superkonduktor berbasis cuprates oxides dengan temperatur kritis 30K yang merupakan campuran dari La-Ba-Cu-O[2]. Penemuan ini merupakan awal ditemukannya superkonduktor berbahan dasar cuprate dengan Tc tinggi (HTSC). Pada tahun 1993 ditemukan suatu bahan *Email:
[email protected] Kode Artikel: FM-02 ISSN: 2477-0477
M. Saputri, dkk
superkonduktor yang memiliki nilai Tc tertinggi sebesar 135K yaitu bahan 𝐻𝑔𝐵𝑎% 𝐶𝑎% 𝐶𝑢( 𝑂* [3]. Superkonduktor 𝐻𝑔𝐵𝑎% 𝐶𝑎% 𝐶𝑢( 𝑂* merupakan Salah satu contoh dari superkonduktor suhu tinggi yang disintesis melalui hole-doped [4]. Salah satu contoh dari superkonduktor suhu tinggi yang disintesis melalui electron-doped adalah ECCO (Eu2-xCexCuO4+α-σ) yang sistemnya sama dengan Nd2-xCexCuO4+y, yang merupakan superkonduktor suhu tinggi untuk electrondoped berbasis cuprates oxides yang ditemukan pertama kali. Sistem lainnya yang masih merupakan keluarga superconduting cuprates electron doped merupakan campuran dari bahan (Nd,Pr,Sm)-Ce-Cu-O dengan Tc sebesar 24K[5]. Superkonduktor ECCO dapat disintesis melalui electron-doped maupun holedoped. Sintesis melalui electron-doped masih sangat terbatas karena sulit untuk mengontrol kadar oksigen dan daerah pasti untuk doping elektron belum diketahui. Hal ini menyebabkan penelitian superkonduktor yag disintesis melalui electrondoped masih kurang berkembang. Daerah superkonduktor untuk bahan Nd2xCexCuO4+y electron-doped akan muncul ketika 0,1<x<0,2. Karena bahan ECCO memiliki sistem yang sama dengan Nd2-xCexCuO4+y, sehingga pada penelitian ini dilakukan beberapa variasi konsentrasi doping Ce (x) yang berada diantara 0,1 samapi dengan 0.2 yaitu 0.09, 0.10 dan 0.11. 2. Metode Penelitian Metode penelitian yang dilakukan adalah metode eksperimen melalui reaksi padatan (solid state reaction) untuk pembuatan pelet superkonduktor. Pelet superkonduktor yang telah berhasil disintesis dilakukan uji sifat listrik menggunakan four point probe method. Tahap awal dari proses sintesis adalah mempersiapkan alat dan bahan. Bahan utama yang digunakan dalam proses sintesis superkonduktor ECCO adalah Eu2O3 (Europium (III) Oxide), CeO2 ( Cerium (IV) Oxide) dan CuO (Copper (II) Oxide) yang masing-masing dengan kemurnian 99,9%. Masing-masing bahan diukur massanya untuk setiap variasi konsentrasi doping Ce (x), setelah itu dilakukan proses penggerusan. Proses penggerusan ini bertujuan untuk menghomogenkan semua bahan. Bahan setelah digerus menunjukkan komposisi warna yang lebih rata dibandingkan sebelum digerus. Hal ini menunjukkan bahwa bahan yang telah digerus telah homogen. Setelah proses penggerusan dilanjutkan dengan proses prefire, sintering,peletisasi, annealling dan karakterisasi. Proses prefire dilakukan dalam beberapa segmen dengan Segmen pertama adalah kenaikan dari suhu ruang sampai dengan 800oC selama 3 jam. Pada segmen ini diperkirakan akan terjadi pelepasan molekul H2O, OH dan CO2. Segmen kedua adalah dari 800oC sampai dengan 900oC selama 1 jam dan segmen ketiga adalah konstan di 900oC selama 20 jam. Pada segmen 2 dan 3 ini diperkirakan akan mulai terbentuk ikatan antar partikel bahan. Hasil dari proses prefire ini akan berwarna lebih gelap dari sebelumnya.
176
Sintesis dan Karakterisasi Sifat Listrik Superkonduktor Eu2-xCexCuO4+α-δ (ECCO) .......
Untuk proses sintering juga dilakukan dalam beberapa segmen dengan segmen pertama adalah kenaikan suhu dari suhu ruang menjadi 850oC selama 3 jam dan segmen kedua adalah kenaikan suhu dari 850oC menjadi 1050oC selama 2 jam. Segmen ketiga adalah konstan disuhu 1050oC selama 16 jam. Setelah melewati proses sintering bahan memiliki tekstur yang lebih keras dibandingkan dengan sebelumnya dan kristal induk dari superkonduktor sudah terbentuk. Bahan yang telah disintering kemudian digerus dan dibentuk menjadi pelet dengan menggunakan hydrolic press dan kemudian diannealling. Pengaturan suhu dan waktu pada proses anealling dengan segmen pertama adalah kenaikan dari suhu ruang menjadi 800oC selama 3 jam, segmen 2 kenaikan dari 800oC menjadi 900oC selama 1 jam dan segmen tiga konstan di 900oC selama 10 jam. Hasil dari proses annealling memiliki kadar oksigen (O2) yang lebih rendah dari sebelumnya. Bahan yang telah melewati proses annealling dikarakterisasi dengan menggunakan four point probe method untuk mengetahui sifat listrik dari pelet superkonduktor. Hasil yang diperoleh dari proses karakterisasi adalah perubahan nilai resistivitas (ρ) terhadap suhu (T). Bahan yang akan dikarakterisasi terlebih dahulu dipreparasi dengan membuat 4 garis indium di salah satu permukaan pelet yang kemudian di hubungkan dengan probe untuk mengaliri arus ke pelet superkonduktor. 3. Hasil dan Pembahasan Hasil yang diperoleh dari karakterisasi dengan menggunakan four point probe method adalah hubungan antara nilai resistivitas (ρ) terhadap suhu (T), seperti yang terlihat pada Gambar 3.1. Grafik Perubahan Nilai Resistivitas ( ) terhadap Suhu (T) untuk Bahan ECCO (Eu xCe2-x CuO4-
Eu1.91Ce 0.09CuO 4 Eu1.90Ce 0.10CuO 4 Eu1.89Ce 0.11CuO 4
5
( cm)
4
+ + + +
)
= 0,0355 = 0,0225 = 0,0643
3 2 1 0
100
200 T (K)
300
Gambar 3.1 Grafik perubahan nilai resistivitas terhadap suhu untuk superkonduktor ECCO
Gambar 3.1 memperlihatkan bahwa nilai resistivitas (ρ) akan berkurang seiring dengan bertambahnya suhu (T). Hal ini mengindikasikan bahwa pada suhu ruang, superkonduktor ECCO bersifat sebagai semikonduktor. Berdasarkan teori, nilai resistivitas (ρ) suatu material akan sama dengan nol, ketika bahan ECCO berada pada suhu kritisnya (Tc) dan nilai suhu kritis (Tc) dari superkonduktor ECCO berada di suhu rendah. Gambar 3.1 juga memperlihatkan bahwa selain dipengaruhi oleh suhu, nilai resistivitas (ρ) dari superkonduktor ECCO juga dipengaruhi oleh konsentrasi doping Ce (x), nilai resistivitas (ρ) akan berkurang seiring dengan meningkatnya
177
M. Saputri, dkk
nilai konsentrasi doping Ce(x). Hal ini mengindikasikan bahwa superkonduktor ECCO under-doped bisa ditemukan pada konsentrasi doping Ce (x) yang tinggi, karena untuk konsentrasi doping Ce (x) yang tinggi nilai resistivitas (ρ) akan menurun sedangkan nilai konduktivitas (σ) akan meningkat. Secara matematis hubungan antara resistivitas dan konduktivitas dapat dituliskan seperti persamaan 3.1 dibawah ini: σ=
+ ,
3.1
dengan ρ adalah resistivitas dari bahan (Ωcm) dan σ adalah nilai konduktivitas dari bahan (1/Ωcm). Persamaan 3.1 memperlihatkan bahwa nilai konduktivitas berbanding terbalik dengan nilai resistivitas, yang berarti ketika nilai konduktivitas meningkat maka nilai reisitivitas akan menurun dan sebaliknya. Dari perubahan nilai resistivitas terhadap suhu bisa diketahui pengaruh konsentrasi doping Ce (x) terhadap nilai jari-jari lokalisasi dekat tingkat energi fermi (α), melalui persamaan dibawah 3.2 dan 3.3 dibawah ini: ρ = 𝜌. exp [(To/T1/4)]
3.2
Ln ρ = ln 𝜌. + (To/T)1/4
3.3
dengan ρ adalah resistivitas bahan (Ωcm), T adalah suhu (oC). Dengan membuat grafik perubahan nilai Ln ρ dengan 𝑇 0+/2 seperti Gambar 3.2 (a).
(a) (b) Gambar 3.2 (a)Grafik perubahan nilai Ln ρ terhadap T-1/4 untuk Eu1.91Ce0.09 CuO4+α-δ (b).Grafik perubahan nilai jari-jari lokalisasi (α) terhadap konsentrasi doping Ce (x).
Gambar 3.2 (b) memperlihatkan pengaruh konsentrasi doping Ce(x) terhadap nilai jari-jari lokalisasi dari pelet superkonduktor ECCO pada suhu tinggi (80-100K) dan suhu tinggi (220-240K). Dari Gambar 3.2 (b) tersebut nilai jari-jari lokalisasi dekat tingkat energi fermi (α) akan meningkat dengan meningkatnya nilai konsentrasi doping Ce (x) dan nilai jari-jari lokalisasi dekat tingkat energi fermi (α) terbesar adalah pada suhu rendah. semakin besar nilai jari-jari lokalisasi dekat energi fermi (α), maka jarak antara inti dan elektron akan semakin jauh. ketika jarak dari elektron dan inti semakin jauh, maka gaya tarik antara elektron dan inti akan semakin kecil yang berarti hanya dibutuhkan sedikit energi dari luar untuk membuat elektron mengalami peristiwa eksitasi. Semakin kecil energi yang dibutuhkan maka sifat konduktivitas dari bahan tersebut semakin baik.
178
Sintesis dan Karakterisasi Sifat Listrik Superkonduktor Eu2-xCexCuO4+α-δ (ECCO) .......
Suhu ikut mempengaruhi nilai resistivitas (ρ) karena suhu akan mempengaruhi nilai getaran kisi pada kristal. secara fisis, nilai resistivitas pada suatu material dipengaruhi oleh nilai getaran kisi dan impuritas pada struktur kristalnya. 4. Kesimpulan Telah dilakukan sintesis superkonduktor ECCO electron-doped dengan x bernilai 0.09, 0.10 dan 0.11 dan karakteristik sifat listrik dengan menggunakan four point probe method. Peningkatan nilai konsentrasi doping Ce (x) akan menyebabkan peningkatan nilai jari-jari lokalisasi yang dekat tingkat energi fermi (α) dan menurunkan nilai resistivitas (ρ) bahan. Selain di pengaruhi oleh konsentrasi doping, suhu juga berpengaruh pada nilai resistivitas dan jari-jari lokalisasi. Semakin tinggi suhu maka nilai resistivitas (ρ) akan menurun sedangkan nilai jarijari lokalisasi dekat tingkat energi fermi(α) akan meningkat. Ucapan terima kasih Penulis berterima kasih kepada Prof. Yoji Koike telah yang telah memberikan kesempatan melaksanakan penelitian di Laboratorium Low Temperatur and Superconductivity, Graduate School of Applied Physics, School of Engineering, Tohoku University. Daftar Pustaka 1. 2. 3. 4. 5.
H. K. Onnes, Liden Comm. (1991) 120b, 122b, 124c. J.G. Bernorz and K. A. Muller, Phys. B 64 (1986) 189. A. Schilling, M. Cntowi, J. D. Guo, H. R. Ott, Nature 363 (1993) 56 Risdiana, Journal Material dan Energi Indonesia 02 (2011) 48-56. Y. Tokura, H. Takagi, S. Uchida, Nature 337 (1989) 345.
179
