ISSN 1979-0880
Jurnal Nanosains & Nanoteknologi Vol. 1 No.2, Juli 2008
Sintesis Partikel Nano Fe3-xMnxO4 Berbasis Pasir Besi dan Karakterisasi Struktur serta Kemagnetannya Ahmad Taufiq(a), Triwikantoro, Suminar Pratapa, dan Darminto Jurusan Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 (a) E-mail:
[email protected] Diterima Editor Diputuskan Publikasi
: :
6 Mei 2008 14 Mei 2008
Abstrak Partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 3) telah disintesis dalam bentuk serbuk berbasis Fe3O4 yang diekstrak dari pasir besi dengan menggunakan metode kopresipitasi pada suhu rendah (≤ 100 oC). Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan XRD, TEM, dan VSM. Hasil penelitian menunjukkan bahwa, partikel nano Fe3-xMnxO4 memiliki fasa tunggal dengan ukuran partikel berkisar antara 11 – 78 nm. Transisi struktur dari spinel kubik ke tetragonal pada x=1,5 pertama kali berhasil teramati. Hal ini berbeda dari Fe3-xMnxO4 dalam bentuk bulk dan film, di mana transisi struktur dari spinel kubik ke tetragonal terjadi pada x ~ 2. Magnetisasi saturasi partikel nano Fe3-xMnxO4 secara umum mengikuti pola teoritisnya. Pada x = 0,5 terjadi penurunan magnetisasi saturasi yang disebabkan oleh penurunan ukuran kristal. Medan koersivitas menunjukan tidak hanya sebagai fungsi dari komposisi x, tetapi juga sebagai fungsi dari ukuran kristal. Sifat kemagnetan partikel nano Fe3-xMnxO4 secara umum memiliki pola yang sama dengan sampel bentuk bulk, akan tetapi berbeda dari pola sampel bentuk film. Partikel nano Fe3-xMnxO4 hasil sintesis dalam eksperimen ini memiliki domain tunggal. Kata Kunci: Fe3-xMnxO4 , kemagnetan, kopresipitasi, partikel nano, struktur
1. Pendahuluan metode seperti; solid state reaction, chemical bath deposition method, iradiasi sinar-γ, serta metode evaporasi [6]. Terlepas dari sekian banyak metode yang telah digunakan dalam fabrikasi partikel nano Fe3O4 dan Mn3O4, para peneliti juga mengembangkan penelitian dengan melakukan pendopingan. Penelitian yang dilakukan seperti pendopingan Fe3O4 oleh Mn atau pendopingan Mn3O4 oleh Fe. Hal ini diharapkan agar diperoleh suatu bahan baru dengan sifat yang lebih baik dari pada sifat masing-masing keduanya, namun sayangnya hal ini masih sedikit dilakukan khusunya dalam skala nano. Sebagai gambaran, Wang dkk menyatakan sebagai yang pertama kali memfabrikasi Fe3dalam bentuk film tipis dan mengamati xMnxO4 perubahan struktur dari kubik ke tetragonal pada x = 2 [7]. Di sisi lain, penelitian tersebut belum berhasil dalam memprediksi sifat kemagnetan Fe3-xMnxO4 yang tidak seperti hasil dari sampel dalam bentuk bulk pada penelitian sebelumnya. Berdasarkan hasil penelitian tersebut, penelitian sejenis untuk mencari karakter kemagnetan Fe3O4 dan Mn3O4 serta pendopingannya perlu dilakukan. Misalnya dengan mensintesis dan mengkarakterisasi partikel nano Fe3-xMnxO4 dalam bentuk serbuk. Apakah dalam bentuk mengikuti pola serbuk nano, Fe3-xMnxO4 akan kemagnetan film tipis, bulk, ataukah tidak mengikuti keduanya dan membentuk pola tersendiri. Tidak cukup dengan hal ini, bahkan juga perlu dilakukan penelitian dengan mencari metode sederhana, peralatan sederhana, serta memanfaatkan bahan alternatif.
Beberapa tahun terakhir, magnetite (Fe3O4) dan hausmanite (Mn3O4) menjadi bahan kajian yang menarik perhatian para ahli karena peluang aplikasinya yang luas. Dilaporkan bahwa Fe3O4 memiliki aplikasi pada bidang industri seperti; keramik, katalis, energy storage, magnetic data storage, ferofluida, absorbent, pasivasi coating, serta biomedis [1, 2]. Bahkan kajian mutakhir yang sampai detik ini masih terus dikembangkan adalah pemanfaatan Fe3O4 pada sistem pengiriman obat-obatan (Drug Delivery System) [3]. Sementara untuk Mn3O4, dilaporkan bahwa bahan ini juga memiliki aplikasi yang luas seperti, reaksi elektrokimia baterai, katalis pengganti karbon dioksida dan nitrogen oksida dari pemborosan gas, produksi magnetik lunak, pertukaran ion, elektrokimia, penyerapan molekul, katalis untuk mengoksidasi metana dan karbon monoksida, reduksi nitrobenzena, pembakar senyawa organik, serta untuk mengurangi polusi udara dengan membatasi emisi NOx [4]. Luasnya aplikasi mutakhir dari Fe3O4 dan Mn3O4 ternyata tidak terlepas dari perkembangan kajian material nano yang menuntut keduanya berada dalam orde nano meter (nm). Terkait dengan hal ini, para peneliti terus mengembangkan sejumlah metode dalam fabrikasi bahan, sehingga memiliki ukuran nano. Metode yang sudah dikembangkan misalnya, dalam pembuatan serbuk Fe3O4 berukuran nano dilakukan dengan spray pyrolysis, forced hydrolysis, reaksi oksidasi reduksi besi hidroksida, irradiasi microwave besi hidroksida, pembakaran besi (III) nitrat, teknik mikro emulsi, serta teknik preparasi hidrotermal [5]. Begitu pula dalam fabrikasi Mn3O4 berukuran nano juga sudah dikembangkan sekian macam 67
J. Nano Saintek. Vol. 1 No. 2, Jul 2008
Dalam penelitian ini dikembangkan metode sederhana dalam fabrikasi partikel nano Fe3-xMnxO4, yaitu dengan metode kopresipitasi. Metode ini dilakukan pada suhu rendah, waktu yang relatif cepat, serta dengan peralatan yang sederhana. Bahkan juga dilakukan dengan mamanfaatkan bahan alam alternatif yang melimpah, yaitu pasir besi. 2. Tinjauan Teoritis Pasir Besi Secara umum pasir besi mempunyai komposisi utama besi oksida, silikon oksida, serta senyawa-senyawa lain dengan kadar yang lebih rendah. Komposisi kandungan pasir dapat diketahui setelah dilakukan pengujian, misalnya dengan menggunakan XRD (X-Ray Difraction) atau XRF (X-Ray Flouresence). Sejumlah pemanfaatan pasir besi dalam bidang penelitian (khususnya material nano) yang telah dilakukan adalah dalam pembuatan ferofluida [8], ferogel [9], maupun dalam bentuk serbuk berukuran nano dengan melakukan pendopingan bahan lain (Mn) seperti yang dilakukan dalam penelitian ini. Struktur Spinel Spinel merupakan struktur kristal yang tersusun dari dua sub struktur, yaitu struktur tetrahedral (bagian A) dan struktur oktahedral (bagian B). Pada bagian tetrahedral, ion-ion logam berlokasi di pusat sebuah tetrahedron dengan sudut-sudutnya ditempati oleh ion-ion oksigen; sedangkan pada bagian oktahedal, ion-ion logam berlokasi di pusat oktahedron dengan sudut-sudutnya ditempati oleh ion-ion oksigen. Berdasarkan distribusi ion-ion logam pada bagian A dan B, struktur spinel dapat dibedakan menjadi spinel normal, spinel invers, dan spinel campuran atau mixed spinel. Spinel normal tebentuk apabila semua ion logam divalen menempati posisi A dan semua ion logam trivalen menempati posisi B. Spinel invers tebentuk apabila semua ion logam divalen menempati posisi B, sedangkan setengah ion-ion logam trivalen menempati posisi B dan setengah yang lain menempati posisi A. Spinel campuran merupakan spinel yang tidak mengikuti pola spinel normal dan spinel invers. Magnetite (Fe3O4) Magnetite (Fe3O4) dapat ditulis dengan FeO.Fe2O3 dan membentuk spinel invers berstruktur kubik. Berdasarkan no ICSD 30860 diketahui Fe3O4 memiliki space group F d -3 m Z (227) dengan panjang kisi a = b = c sebesar 8,396 Å. Pada sistem ini, semua bagian tetrahedral diisi oleh ion-ion Fe3+, sedangkan separuh bagian oktahedral ditempati oleh ion-ion Fe2+ dan separuhnya lagi ditempati oleh ion-ion Fe3+ [10]. Secara umum, sejumlah penelitian tentang Fe3O4 mengkaji aspek sintesis, karakterisasi, maupun peluang aplikasinya. Beberapa tahun terakhir, para peneliti dapat mensintesis partikel nano Fe3O4 dengan berbagai metode, misalnya metode sol gel [11], hidrolisis terkontrol [12], dan kopresipitasi dalam air [13]. Di antara sekian metode sintesis tersebut, metode kopresipitasi merupakan metode
68
yang paling sederhana karena prosedurnya lebih mudah dan dapat dilakukan pada suhu reaksi yang rendah (< 100 o C). Penemuan baru menunjukkan bahwa Fe3O4 dapat dimanfaatkan sebagai material pada sistem pengangkutan obat-obatan atau Drug Delivery System (DDS), Magnetik Resonance Imaging (MRI), dan terapi kanker [12]. Agar dapat diaplikasikan dalam bebagai bidang tersebut, sangatlah penting untuk mempertimbangkan ukuran partikel, sifat magnetik, dan sifat permukaan partikelnya. Hausmanite (Mn3O4) Oksida-oksida mangan terbentuk dalam empat fasa, yaitu MnO, MnO2, Mn2O3, dan Mn3O4. Mn3O4 yang sering disebut dengan hausmanite mengkristal dalam bentuk spinel tertragonal dengan rumus umum XY2O4 [14]. Mn3O4 terdistorsi memanjang pada sumbu-c dengan parameter kisi a = b = 5,76 Å, dan kisi c = 9,46 Å. Ionion Mn yang menempati bagian tetrahedral adalah ionion Mn3+, sedangkan ion- ion Mn yang menempati bagian oktahedral adalah ion-ion Mn2+, dengan demikian Mn3O4 ini memiliki struktur spinel normal [15]. Mn3O4 saat ini banyak digunakan di bidang industri sebagai katalis, magnetisme, elektokimia, atau untuk dekontaminasi udara. Berdasarkan tujuan untuk memperbaiki kemampuan dan ukuran agar dapat diaplikasikan lebih jauh, Mn3O4 sudah dibuat dengan beberapa metode yaitu: (i) kalsinasi mangan oksida pada suhu tinggi, (ii) pelarut termal dari manganite (MnOH), (iii) proses sol-gel dengan perlakuan temperatur tinggi sesudahnya, dan (iv) presipitasi. Besi-Mangan Oksida (Fe3-xMnxO4) Distribusi ion-ion penyusun Fe3-xMnxO4 dijabarkan dalam rumus berikut [16],
[
]
Mnx2+ Fe13−+x Fe12−+x Fe13++x O4
(1)
untuk nikai x antara 0 dan 1, dan
[
]
Mn 2+ Fe33−+x Mn x3−+1 O4
(2)
untuk nilai x antara 1 dan 3. Ion-ion yang berada di dalam tanda kurung merupakan ion-ion yang menempati bagian oktahedral, sedangkan ion-ion yang berada di luar tanda kurung merupakan ion-ion yang menempati bagian tetrahedral. Sifat Kemagnetan Bahan Sifat kemagnetan suatu bahan dapat diketahui dengan melihat kurva histerisis. Dari kurva histerisis ditentukan besaran–besaran kemagnetan antara lain; magnetisasi saturasi (Ms), magnetisasi remanen (Mr), serta medan koersivitas (Hc). Untuk menghitung momen magnetik total bahan spinel, terdapat 3 faktor yang harus diperhitungkan antara lain; (a) momen magnetik tiap-tiap ion (b) distribusi ionion pada bagian A (tetrahedral) dan bagian B (oktahedral), dan (c) Interaksi antara A dan B adalah negatif. Interaksi AB secara umum merupakan ineraksi yang paling kuat
J. Nano Saintek. Vol. 1 No. 2, Jul 2008
69
dari pada interaksi AA maupun BB [17]. Secara teoritis dapat ditentukan nilai momen magnetik total tiap-tiap sampel dalam penelitian ini, seperti pada Tabel 1.
difraksi Fe3O4 no PDF 11-0614. Sampel pada 1,5 ≤ x ≤ 3 menghasilkan pola difraksi yang sama dengan pola difraksi Mn3O4 no PDF 24-0734.
Tebel 1. Kalkulasi teoritis momen magnetik total Fe3xMnxO4 diturunkan dari [16-17]
Gambar 1. Pola difraksi partikel nano Fe3-xMnxO4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi
3. Ekperimen Partikel nano Fe3-xMnxO4 disintesis dengan metode kopresipitasi. Pasir besi dari Lumajang Jawa Timur sebagai bahan dasar sintesis diekstrak dengan menggunakan magnet permanen, kemudian dilarutkan dalam HCl (12,063 M , PA 99,9%) pada suhu sekitar 70 o C dan diaduk dengan menggunakan magnetic stierer sekitar 20 menit. Setelah larutan terbentuk, dilakukan penyaringan dengan menggunakan kertas saring. Hasil larutan yang diperoleh dicampurkan dengan MnCl2.4H2O (PA 99,9%) dan diendapkan dengan NH4OH (6,5 M, PA 99,9%). Kemudian endapan disaring dan dicuci dengan aquades sampai bersih. Bahan yang diperoleh selanjutnya dikeringkan dalam oven pada suhu 100 oC sekitar 1 jam. Karakterisasi dengan XRD menggunakan Difraktometer Sinar-X tipe JEOL-3530, kemudian. data dianalisis dengan sofware RIETICA. Karakterisasi dengan VSM untuk mengetahui sifat kemagnetan. Karakterisasi dengan TEM untuk mengetahui ukuran partikel. Ukuran kristal dihitung dengan menggunakan persamaan Scherrer [18], yaitu
D=
λ H L − H L, S
(3)
dengan λ panjang gelombang sinar-X, HL komponen pelebaran puncak lorentzian, dan HL,S komponen pelebaran puncak lotentzian standar. 4. Hasil dan Diskusi Pola Difraksi Hasil Pengukuran Pola difraksi partikel nano Fe3-xMnxO4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi tampak pada Gbr. 1. Analisis search match untuk sampel pada 0 ≤ x ≤ 1 menghasilkan pola difraksi yang sama dengan pola
Gambar 2. Parameter kisi dan volume kisi partikel nano Fe3-xMnxO4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi Berdasarkan Gbr. 2 diketahui bahwa partikel nano Fe3-xMnxO4 mengalami transisi struktur pada x = 1,5; yaitu dari spinel kubik ke tetragonal. Pada 0 ≤ x ≤ 1 sampel masih berada dalam struktur kubik, tetapi pada 1,5 ≤ x ≤ 3 struktur sudah berubah menjadi tetragonal. Struktur kubik memiliki panjang kisi a, b, dan c yang sama yaitu sekitar 8,4 Å dengan nilai standar deviasi 0,01 - 0,06 Å. Struktur tetragonal memiliki panjang kisi a dan b sama (sekitar 5,8 Å) dan panjang kisi c (sekitar 9,4 Å) dengan nilai standar deviasi 0,001 Å - 0,09 Å. Secara teoritis transisi struktur Fe3-xMnxO4 dari kubik ke tetragonal karena adanya substitusi ion-ion Fe oleh ionion Mn, dimana ion-ion Mn3+ cenderung menempati posisi oktahedral. Transisi struktur juga mengakibatkan volume kisi mengecil, karena panjang kisi a dan b mengalami penurunan yang lebih tinggi dari pada kenaikan panjang kisi c. Analisis posisi ion-ion dengan menggunakan no ICSD 30860 untuk Fe3O4 dan no ICSD 76088 untuk Mn3O4, serta merujuk pada Persamaan (1) dan (2), dapat ditentukan posisi masing-masing ion dalam kistal, seperti pada Tabel 2.
J. Nano Saintek. Vol. 1 No. 2, Jul 2008
Tabel 2 Distribusi posisi ion-ion Fe3-xMnxO4
Pada Tabel 2 terlihat pada x = 0, bagian tetrahedral semuanya diisi oleh ion-ion Fe3+, setengah bagian oktahedralnya diisi oleh ion-ion Fe2+ dan setengahnya lagi ditempati oleh ion-ion Fe3+, kondisi ini disebut dengan spinel invers. Untuk nilai x = 0,5 ion-ion Mn2+ menggeser separuh ion-ion Fe3+ tetrahedral sehingga berpindah ke bagian oktahedral, konsekuensinya separuh ion-ion Fe2+ yang semula berada dalam posisi oktahedral tergeser, sistem ini disebut dengan mixed spinel. Untuk nilai x = 1 bagian tertrahedral keseluruhan ditempati oleh ion-ion Mn2+ dan bagian oktahedralnya hanya diisi oleh ion-ion Fe3+. Substitusi berikutnya untuk nilai x > 1, substitusi ion-ion Fe oleh ion-ion-ion Mn terjadi dengan menggantikan posisi ion-ion Fe3+ oleh ion-ion Mn3+ pada bagian oktahedral sesuai dengan komposisinya. Dengan demikian, untuk nilai x = 3 bagian tetrahedral secara keseluruhan diisi oleh ion-ion Mn2+ dan bagian oktahedralnya hanya diisi oleh ion-ion Mn3+. Berdasarkan uraian ini, dapat disimpulkan bahwa untuk 1 ≤ x ≤ 3 merupakan spinel normal. Wang dkk melakukan penelitiann Fe3-xMnxO4 dalam bentuk film dan dan menyatakan sebagai yang pertama kali mengamati transisi struktur dari kubik ke tetragonal pada bahan ini. Dalam penelitian tersebut, ditunjukkan bahwa untuk sampel film transisi struktur terjadi pada x ~ 2 [7]. Hasil penelitian Fe3-xMnxO4 dalam bentuk bulk menunjukkan transisi struktur dari kubik ke tetragonal terjadi pada x = 1,9 [19]. Lebih lanjut, Fe3dalam bentuk serbuk berukuran 80 µm xMnxO4 menunjukkan transisi struktur dari kubik ke tetragonal terjadi pada x = 1,84 [20]. Sementara hasil penelitian partikel nano Fe3-xMnxO4 dalam ekperimen ini menunjukkan transisi struktur dari kubik ke tetragonal terjadi pada x = 1,5. Di samping bentuk dan ukuran yang berbeda, proses sintesis serbuk nano Fe3-xMnxO4 juga tidak sama dengan proses sintesis Fe3-xMnxO4 dalam bentuk bulk, film, maupun serbuk berukuran mikron. Secara umum sintesis tersebut dilakukan pada pada suhu tinggi (> 1200 o C), sedangkan proses sintesis dalam penelitian ini pada suhu rendah (≤ 100 oC). Sementara parameter suhu juga merupakan variabel yang mempengaruhi kestabilan struktur. Seiring dengan kenaikan komposisi ion-ion Mn3+ pada bagian oktahedral, derajat ketetrahedralan dan
70
transisi suhu juga naik. Terkait dengan hal ini, dilaporkan bahwa pada suhu rendah merupakan keadaan dengan energi yang lebih tepat oleh ion-ion Mn3+ untuk menempati posisi oktahedral. Konsekuensinya, semakin tinggi suhu cenderung membuat acak distribusi ion-ion Mn3+, sehingga jumlahnya pada posisi oktahedral semakin menurun [21]. Fakta eksperimen menunjukkan kebenaran pernyataan tersebut. Sebagai gambaran, sampel Mn1,88Fe1,12O4, pada suhu yang relatif tinggi di atas 533 K membentuk spinel dengan struktur kubik, sedangkan di bawah suhu tersebut memiliki struktur tetragonal [22]. Ukuran Kristal dan Partikel Hasil analisis refinement dengan software RIETICA menghasilkan ukuran kristal, akan tetapi ukuran tersebut belum menunjukkan nilai yang cukup akurat. Oleh sebab itu dilakukan kalkulasi ulang dengan memasukkan faktor koreksi seperti pada Persamaan (3).
Gambar 4 Grafik ukuran kristal serbuk Fe3-xMnxO4 terhadap variasi x yang disentesis dengan metode kopresipitasi Dari Gbr. 4 terlihat bahwa sampel dengan struktur spinel kubik (0 ≤ x ≤ 1) yang memiliki ukuran kristal terkecil adalah Fe2,5Mn0,5O4 (x = 0,5), yaitu sekitar 10 nm. Sampel dengan struktur spinel tetragonal (1 ≤ x ≤ 3) yang memiliki ukuran kristal terkecil adalah Fe1,5Mn1,5O4 (x = 1,5), yaitu sekitar 6 nm yang secara umum merupakan ukuran kristal terkecil dari seluruh sampel. Pada struktur tetragonal ukuran kristal semakin meningkat seiring dengan meningkatnya komposisi Mn dengan ukuran kristal terbesar dimiliki oleh Mn3O4 (x = 3) yaitu sekitar 78 nm. Di samping ukuran kristal, dilakukan juga pengujian dengan TEM pada sampel induk, yaitu Fe3O4 dan Mn3O4. Gambar foto TEM Fe3O4 menunjukkan distribusi ukuran partikel yang serupa dengan ukuran kristal hasil XRD, yaitu sekitar 11 nm. Demikian juga dengan Mn3O4 menunjukkan ukuran partikel yang serupa dengan ukuran kristalnya, yaitu sekitar sekitarr 78 nm. Dengan demikian, semua sampel memiliki ukuran partikel di bawah 100 nm, sehingga dapat disimpulkan bahwa Fe3-xMnxO4 dalam penelitian ini merupakan material nano.
J. Nano Saintek. Vol. 1 No. 2, Jul 2008
71
Gambar 6 Hasil uji VSM partikel nano Fe3-xMnxO4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi
Gambar 5 Hasil foto TEM serbuk (a) Fe3O4 dan (b) Mn3O4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi Hasil Uji Kemagnetan Setelah dilakukan pengujian sifat kemagnetan Fe3xMnxO4 dengan menggunakan VSM pada suhu ruang, diperoleh data berupa kurva histerisis seperti Gbr. 6. Berdasrkan kurva histerisis, dapat ditentukan nilai magnetisasi saturasi (Ms), magnetisasi remanen (Mr), serta medan koersivitas (Hc) tiap-tiap sampel. Berdasarkan Gbr. 6 dan 7 diketahui bahwa secara umum pola magnetitasi saturasi partikel nano Fe3-xMnxO4 cenderung mengikuti pola yang sama dengan pola magnetisasi teoritisnya, kecuali pada nilai x = 0,5. Pada x = 0,5 seharusnya nilai magnetisasi meningkat sekitar 13 % jika dibandingkan dengan x = 0, akan tetapi data ekperimen justru menunjukkan penurunan sekitar 48 %. Secara konseptual penurunan nilai magnetisasi saturasi pada x = 0,5 sebagai akibat dari menurunnya ukuran kristal, yaitu sekitar 18 %. Hal ini dapat dijelaskan dengan teori domain, dengan semakin mengecilnya ukuran kristal jumlah domain juga semakin sedikit, akibatnya jumlah momen magnetik juga semakin sedikit, sehingga magnetisasi saturasinya juga semakin mengecil. Bahkan pada ukuran kristal di bawah ukuran kritis, suatu bahan yang bersifat ferro atau ferrimagnetik akan berubah menjadi superparamagnetik.
Gambar 7 Grafik Ms partikel nano Fe3-xMnxO4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi Pada x = 1 nilai magnetisasi saturasi menunjukkan nilai yang tertinggi, secara teoritis hal ini terjadi karena semua ion-ion Fe2+ (4 µB) yang semula menempati posisi tetrahedral digantikan oleh ion-ion Mn2+ (5 µB). Ion-ion Mn2+ menempati posisi tetrahedral, sedangkan ion-ion Fe3+ menempati posisi oktahedral. Momen magnetik di posisi tetrahedral anti paralel dengan momen magnetik pada posisi oktahedral, karena di bagian oktahedral terdiri dari 2 Fe3+ maka secara keseluruhan magnetisasi saturasi untuk x = 1 adalah naik sebesar 25 % dari pada magnetisasi saturasi sampel x = 0. Akan tetapi pada eksperimen ini menunjukkan kenaikan persentase yang lebih tinggi, yaitu sekitar 33 %. Kenaikan persentase ini sebagai konsekuensi dari bertambhanya ukuran kristal, yaitu sekitar 3 %. Prediksi awal, sampel pada x = 1 merupakan sampel dengan magnetisasi saturasi tertinggi jika dibandingkan dengan sampel lain yang secara eksperimen pada penelitian ini juga sesuai. Selanjutnya untuk sampel dengan struktur tetragonal (x ≥ 1,5) secara umum menunjukkan nilai magnetisasi saturasi yang cenderung menurun, bahkan untuk x > 1,5 menunjukkan nilai yang menurun dengan tajam serta menunjukkan nol untuk x = 3.
J. Nano Saintek. Vol. 1 No. 2, Jul 2008
Kecenderungan menurunnya nilai magnetisasi saturasi ini secara teoritis terjadi karena pada pada rentang ini, nilai momen magnetik totalnya juga semakin menurun. Hal lain yang menentukan penurunan yang tajam ini adalah karena pengukuran VSM dilakukan pada suhu ruang, sementara Mn3O4 merupakan bahan paramagnetik pada suhu ruang. Berbeda dari hasil penelitian Fe3-xMnxO4 dalam bentuk film yang menunjukkan ketidaksesuaian dengan prediksi teoritis dan dengan sampel bentuk bulk, Pada penelitian tersebut magnetisasi saturasi secara umum mengalami penurunan dari x = 0 ke x = 3. Mereka memberi catatan beberapa kesalahan dari ekperimen tersebut; pertama, Ms turun dengan tajam khususnya pada 0 < x < 0,5; kedua, Hc hampir stabil kecuali pada x ~ 2,0; ketiga, baik Ms maupun Hc turun dengan tajam sekitar nol pada x ~ 3. Mereka menyatakan ketidaksesuaian tersebut diakibatkan oleh proses fabrikasi, sehingga proses penumbuhannya harus dimodifikasi [7]. Dengan demikian sifat kemagnetan partikel nano Fe3-xMnxO4 ini lebih sesuai dengan prediksi teoritisnya. Beberapa penelitian yang telah dilakukan juga menunjukkan bahwa Mn3O4 nano merupakan bahan yang bersifat ferrimagnetik pada suhu rendah dan menjadi paramagnetik pada suhu ruang [23]. Hasil eksperimen lain menunjukkan bahwa dua sampel Mn3O4 nano kristal menunjukkan suhu Curie 40,6 K dan 41,1 K [24], sementara untuk Mn3O4 film adalah sebesar 46 K [14], sedangkan untuk sampel Mn3O4 bentuk bulk adalah sebesar 42 K. Pada penelitian ini sifat paramagnetik Mn3O4 pada suhu ruang dapat diganggu dengan doping Fe, sehingga menjadi ferrimagnetik. Hal ini terbukti dengan terjadinya substitusi ion-ion Mn 3+ oleh ion-ion Fe3+ (misal pada x = 2 dan 2,5), pada kondisi ini sifat sudah tergeser menjadi paramagnetik Mn3O4 ferrimagnetik.
72
tunggal nilai medan koersivitas juga semakin mengecil seiring dengan menurunnya ukuran kristal, akan tetapi pada ukuran kristal yang sangat kecil di bawah ukuran kritis suatu bahan yang bersifat ferro atau ferrimagnetik berubah menjadi superparamagnetik. Medan koersivitas juga sangat ditentukan oleh ukuran kristal. Hasil penelitian Fe3-xMnxO4 dalam bentuk film menunjukkan medan koersivitas yang cenderung stabil, kecuali pada x ~ 2. Ketidaksesuaian medan koersivitas Fe3-xMnxO4 dalam bentuk film perlu dikoreksi dengan melibatkan variabel ukuran kristal, karena medan koersivitas pada sampel Fe3-xMnxO4 tidak hanya sebagai akibat dari perubahan variasi x. Terkait dengan ukuran kristal, sampel Fe3O4 memiliki ukuran kristal yang setara dengan ukuran partikel, yaitu sekitar 11 nm. Sampel Mn3O4 memiliki ukuran kristal yang juga setara dengan ukuran partikel, yaitu sekitar 78 nm yang ukuran kristal terbesar jika dibandingkan dengan sampel yang lain. Sehingga karena ukuran kristal memiliki ukuran yang sama dengan ukuran partikel, maka dapat disimpulkan bahwa serbuk Fe3xMnxO4 dalam penelitian ini merupakan domain tunggal. Besaran kemagnetan lain Fe3-xMnxO4 yang juga diukur dalam penelitian ini adalah magnetisasi remanen (Mr). Dengan mengamati Gbr 7 dan 8 tampak bahwa Mr mengikuti pola yang sama dengan pola Ms dan Hc. Semakin besar nilai magnetisasi remanen, semakin besar besar pula medan yang dibutuhkan untuk menghilangkannya. Hal ini terjadi karena magnetisasi remanen merupakan besarnya magnetisasi sisa yang masih dimiliki oleh suatu bahan ketika tidak dipengaruhi oleh medan luar. Pada Gbr 8 terlihat dengan semakin besarnya magnetisasi remanen maka diperlukan medan koersivitas yang semakin besar pula, begitu juga sebaliknya. 5. Kesimpulan dan Saran Partikel nano Fe3-xMnxO4 fasa tunggal berbasis pasir besi berhasil disintesis dengan metode kopresipitasi pada suhu rendah (≤ 1000 oC). Transisi struktur partikel nano Fe3-xMnxO4 dari spinel kubik ke tetragonal terjadi pada x = 1,5. Ukuran kristal terkecil dimiliki oleh x = 1,5 yaitu sekitar 6 nm dan terbesar oleh x = 3 yaitu sekitar 78 nm, sementara ukuran pertikel dari uji TEM menunjukkan nilai sekitar 11 nm (Fe3O4) dan sekitar 78 nm (Mn3O4). Sifat kemagnetannya menunjukkan tidak hanya bergantung pada variasi x, tetapi juga bergantung pada ukuran kristal. Partikel nano Fe3-xMnxO4 hasil sintesis pada eksperimen ini terbentuk dalam domain tunggal.
Gambar 8 Grafik Hc dan Mr partikel nano Fe3-xMnxO4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi Kemagnetan suatu bahan erat kaitannya dengan domain magnetik, baik domain tunggal atau domain jamak. Secara umum semakin kecil ukuran kristal suatu bahan, maka semakin menuju keadaan domain tunggal. Sebaliknya semakin besar ukuran kristal, akan semakin menuju keadaan domain jamak. Pada daerah domain
Referensi [1] A. Yan, X. Liu, G. Qiu, N. Zhang, R.Shi, R. Yi, M. Tang, R. Che. Solid State Commun. (2007), doi:10.1016/j.ssc.2007.08.039. [2] M.A. Bakar, W.L. Tan, N.H.H. Abu Bakar. J. Magn. Magn. Mater. 314, 1 (2007). [3] T. Wu, M.-Y. Hua, J.-P. Chen, K.-C. Wei, S.-M. Jung, Y.-J. Chang, M.-J. Jou, and Y.-H. Ma, J. Magn. Magn. Mater. 311, 372 (2007).
J. Nano Saintek. Vol. 1 No. 2, Jul 2008
[4] Z.W.Chen, J.K.L Lai, C.H. Shek, Script. Mater. 55, 735 (2006). [5] C.W. Wang. C.W., Y. Zhou, X. Mo, W.Q. Jiang, B. Chen, Z.Y. Chen, Mater. Res. Bull. 35, 755 (2000). [6] Y.Q. Chang, Xu, X.H. Lou, C.P. Chen, D.P. Yu, J. Cryst. Growth. 264, 232 (2004). [7] K.M. Wang, D.S. Lee, Lance Horng, G. Chern, J. Magn. Magn. Mater. 282, 73 (2004). [8] A.B. Baqiya, Pelapisan Ferofluida Berbasis Partikel Nano Fe3O4. Tesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya (2008). [9] Munaji, Pembuatan Ferogel Berbasis Partikel Nano Ferit Fe3O4. Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya (2008). [10] R.C. Costa, M.F. lelis, L.C.A. Oliveira, J.D. Fabris, J.D. Ardisson, R.V.A. Rios, C.N. Silva, R.M.Lago. J. Hazard. Mater. B 129, 171 (2006). [11] J. Xu, H. Yang_, W. Fu, K. Du, Y. Sui, J. Chen, Yi Zeng, M. Li, G. Zou, J. Magn. Magn. Mater. 309, 307 (2007). [12] H. Iida, K. Takayanagi, T. Nakanishi, T. Osaka, J. Coll. Interf. Sci. 314, 274 (2007). [13] R. Hong, J. Li, J. Wang, H. Li, China Particuology 5, 186 (2007). [14] V.G. Bhide and R.H. Dhani, Physica 27, 821 (1961). [15] L.W. Guo, D.L. Peng, H. Makino, K. Inaba, H.J. Ko, K. Sumiyana. J. Magn. Magn. Mater. 213, 321 (2000). [16] D.G. Wickham, J. Inorg. Nucl. Chem. 31, 313 (1969). [17] B.D. Cullity, Introduction to Magnetic Material, Addison Wesley, USA (1972). [18] S. Pratapa, Analisis Rietveld. Jurusan Fisika ITS. Surabaya (2004). [19] V.A.M. Brabers, J. Cryst. Growth. 8, 26 (1971). [20] R.C. Cammarata and A.S. Edelstein, Nanomaterilas: Synthesis, Properties, and Applications. Institute of Physics Publishing Briston and Philadelphia, (1997). [21] D.S. Mc Clured, J. Phys. Chem. Solid. 3, 311 (1957). [22] H.M.J. O’Brayn and H.J. Levinstein, J. Phys. Chem. Solid. 30, 719 (1957). [23] A. Olmos-Vozques, R. Redon, R.G. Gattorno, M.M.E Zamora, M.F. Leal, A.F. Osario, and J.M. Saniger, J. Coll. Interf. Sci. 291, 175 (2005). [24] Y. L. Xia, Y.J. Zhu, H. Tong, W.W. Wang, and G.F. Cheng, J. Solid State Chem. 179, 1225 (2006).
73
