Siska Rahayuningtyas, Budi Purnama dan Utari. Jl. Ir. Sutami 36A Kentingan Jebres Surakarta 57126

PENGARUH DOPING ION STRONSIUM PADA NANOPARTIKEL KOBALT FERIT MENGGUNAKAN METODE KOPRESIPITASI

Siska Rahayuningtyas, Budi Purnama dan Utari Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami 36A Kentingan Jebres Surakarta 57126

ABSTRAK Telah mempelajari pengaruh doping ion stronsium pada nanopartikel dipersiapkan dengan kopresipitasi. Perbandingan mole ion Sr 2+ untuk kobalt nanopartikel dipilih menjadi 10%. Analisis dari FTIR menunjukkan bahwa konstanta gaya untuk tetrahedral site dari cobalt ferit doping ion Sr 2+ menekan ion di tetrahedral site. Hasil karakterisasi XRD menunjukkan struktur terbentuk (inverse spinel) face center cubic (fcc) dalam fase kubik tunggal dan dari doping ion Sr2+ dihasilkan ukuran kristal yang lebih kecil dari 37,76 menjadi 32,50 nm. Hasil ini sebanding nilai densitas yang semakin kecil dengan kenaikan parameter kisi. Sedangkan sifat magnetik yang terukur dengan Vibrating Sample Magnetometer dari kobalt ferit doping ion Sr2 menunjukkan nilai medan koersif (Hc) meningkat dengan magnetisasi saturasi (Ms) dan magnetisasi remanen (Mr) yang menurun. Medan koersif ini terkait dengan sifat magnetik yang bergantung pada komposisi Selain itu perlakuan panas juga mempengaruhi magnetisasi saturasi. Kata kunci : Kobalt ferit, Ion stronsium, kopresipitasi, konstanta gaya dan tegangan kisi.

I.

Telah banyak dilakukan penelitian terkait

PENDAHULUAN Cobalt ferrite ialah salah satu material

penambahan bahan atau doping dalam sintesis

ferit magnetik. Karakteristik sifat dengan medan

nanopartikel kobalt ferit. Secara umum material

koersifitas (HC), magnetisasi saturasi moderat

berbasis logam dapat digunakan sebagai bahan

(Ms), magnetokristalin anisotropi, anisotropi

doping seperti nikel, aluminium, magnesium,

tinggi, stabilitas kimia dan kekuatan mekanik [1,

stronsium, dan lathanium. Sebagaimana subtitusi

2] menjadi alasan menarik dalam studi para

dari doping dilakukan pada bahan logam yang

ilmuwan. Nanopartikel magnetik yang baik

tergolong unsur tanah jarang ( Rare earth) seperti

bergantung pada ukuran, bentuk, purity, dan

Nd, Sm dan Gd. Berdasarkan kisi dari oktahedral

struktur kristal. [3] sifat yang kombinasi dapat

ke site tetrahedral dengan momen magnetik

diaplikasikan secara teknologi seperti media

terkait untuk ion rare earth bersifat anti-pararel

perekaman, magnetic imaging resonance (MRI),

dalam kisi spinel [13]. Stronsium material logam

micoelectronical systems chemical (MEMS) [4],

juga yang dapat digunakan sebagai bahan doping

dan bidang kesehatan sebagai drug delivery, dan

dalam

hypertemia [5]. Cobalt ferrite dalam rumus

stronsium ferit merupakan induk senyawa

senyawa dituliskan AB2O4

memiliki

menjadi Co2Fe4

nanopartikel peluang

kobalt

ferit.

untuk

Senyawa dilakukan

tergolong dalam struktur spinel ferit oksida.

pengembangan pada campuran bahan yang

Dimana ion 𝐶𝑜 +2 menempati di oktahedral site

lainnya

(B) sedangkan ion 𝐹𝑒 +3 menempati di tetrahedral

stronsium ferit

dan oktahedral sites [6]. Cobalt ferrite telah

perubahan secara mendadak dalam volume kisi

dikembangkan dengan beberapa metode sintesis

selama fase transisi.

[14].

Sedangkan

perkembangan

sebagai doping kobalt terkait

seperti sol-gel, mikroemulsi, autocombution [8]

Berdasarkan perkembangan penelitian

kopresipitasi [9] dan reverse kopresipitasi [10].

diatas maka pada penelitian ini akan dilakukan

Metode

metode

sintesis nanopartikel kobalt ferit dengan doping

proses

stronsium menggunakan metode kopresipitasi.

pengendapan lebih dari satu substansi secara

Metode ini digunakan karena dapat mengontrol

bersama-sama [11]. Pada penelitian Maaz, dkk

ukuran partikel dan waktu penumbuhan yang

ukuran partikel menjadi lebih kecil jika kecepatan

relatif lebih singkat. Ukuran partikel dapat

nukleasi

mengubah sifat magnetik dari multi domain

kopresipitasi

pembentukan

lebih

merupakan

nanopartikel

besar

dengan

daripada

kecepatan

penumbuhan. Selain itu, ukuran partikel yang

menjadi domain tunggaL

[9]. Selanjutnya

sangat kecil dapat dipengaruhi oleh suhu

digunakan unsur stronsium sebagai bahan

annealing [9] dan modifikasi two step annealing

subtitusi atau doping karena sifat unsur tergolong

[12].

unsur (rare earth). Selain itu Sr memiliki ukuran

atau jari-jari atom yang lebih kecil yaitu sebesar

diatas hot plate dengan dijaga suhu sintesis di

(219 pm) jika dibandingkan dengan Ba (253 pm)

85oC. Dilakukan proses pengendapan dilakukan

sedangkan pada Ca sebesar (194 pm) memiliki

selama 24 jam. Proses hidrolisis dengan suhu 100

ukuran nilai hampir sama dengan Co (152 pm)

o

[15]. Selain itu struktur spinel ferit pada senyawa

proses penumbukkan sampel yang diperoleh

kobalt ferit jika disubtitusikan oleh ion (rare

dilakukan selama 1 jam. Selanjutnya proses

earth) dapat menginduksi struktur distrorsi dan

annealing pada suhu 1000ºC selama 5 jam. dan

tegangan yang dapat memodifikasi sifat listrik

dilakukan

magnet secara signifikan [16] [17].

Selanjutnya sampel yang dihasilkan dapat

Pada penelitan ini dilakukan dalam variasi mol bahan doping di suhu 1000ºC. Selanjutnya

C selama 12 jam sebagai proses pengeringan dan

penumbukan

selama

2

jam.

dianalisa dengan menggunakan FTIR, XRD, dan VSM.

sampel dari variasi di karakterisasi (Fourier Transform Infra-Red) FTIR pada sampel untuk

III.

mengetahui

3.1.

gugus

karakterisasi

(X-Ray

mengetahui

sifat

oksida

dari

sampel.

Diffraction)

HASIL DAN PEMBAHASAN Analisa FTIR

untuk

Gambar 3.1. menunjukkan spektrum

Dan

FTIR dari sampel nanopartikel kobalt ferit tanpa

karakterisasi (Vibrating Sample Magnetometer )

doping dan dengan doping sebesar 0,1 mol.

untuk mengetahui sifat magnetik nanopartikel

karakterisasi gugus oksida teramati dari spektrum

kobalt ferit doping stronsium yang dihasilkan

pada Skema a untuk kobalt ferit tanpa stronsium

oksida dari sampel. Nanopartikel kobalt ferit

dan Skema b dengan doping stronsium 0,1 mol

doping stronsium yang dihasilkan dikarakterisasi.

spektrum hadir pada angka gelombang k

struktur

kristal.

dikisaran 1046–900 cm-1. Hasil ini teridentifikasi METODOLOGI PENELITIAN

adanya gugus C-O ini terkait adanya korelasi

Co(NO3)2.6H2O, sebanyak 2,94 gram,

vibrasi bounding dan stretching dalam sebuah

bahan Fe(NO3)3.9H2O sebanyak 8,07 gram.

ikatan karbon logam yang disinyalir terjadi akibat

Ditambahkan dengan Sr(NO3)2 dalam variasi

proses reaksi kimia dalam sintesis.

II.

mol x = 0,0 dan 0,1 dilarutkan dengan 200 ml

Karakteristik spektrum teramati kobalt

aquades melalui proses pengadukkan diatas hot

ferit doping stronsium terbentuk spektrum yang

plate selama 15 menit. Selanjutnya proses titrasi

lebih kuat atau tajam di angka gelombang

dilakukan menggunakan larutan NaOH 4.8 M

593,14−363,60 cm-1 jika dibandingkan tanpa

85oC

doping stronsium 591,21−402,18 cm-1. Hasil ini

sebanyak 100 ml pada suhu sintesis keadaan

ini

berlangsung

dalam

proses

pengadukkan menggunakan magnetic stirrer

menunjukkan

sedikit

pergeseran

angka

gelombang dengan penambahan bahan doping

logam oktahedral site [6]. Sehingga hasil

stronsium.

karakteristik kurva dari sampel setelah didoping dapat dinyatakan bahwa penambahan bahan

Transmitansi (a.u)

200

doping dengan variasi mol stronsium tidak

a

menghilangkan ikatan kobalt ferit hanya saja

b

150

mengalami sedikit pergeseran angka gelombang akibat penambahan doping oleh stronsium yang

800 700 600 500 400

menekan

a

atom

penambahan

100

kobalt

doping

ferit.

Selain

dengan

itu

stronsium

menunjukkan adanya besar tegangan yang terjadi di tetrahedral site dan oktahedral site yang

b

dihasilkan berupa nilai force constant

50

dikedua

kisi tersebut dengan perbedaan subtitusi bahan atau doping [17]. Nilai force constant

4000

3000

2000

1000

Angka gelombang, k (1/cm) Gambar 3.1.

Kurva karakterisasi spektrum FTIR. Skema a (kobalt ferit tanpa doping

dihasilkan dengan menggunakan persamaan [19] sebagai berikut: 𝑘𝑡 = 7,62 𝑀1 𝑥 𝑘12 𝑥 10−7 𝑁/𝑚 𝑘𝑜 = 10,62

stronsium) dan Skema b (kobalt ferit dengan doping stronsium 0,1 mol ) disuhu annealing 1000ºC.

Hasil karakteristik menunjukkan bahwa spektrum yang hadir pada sampel kobalt ferit sebelum dan sesudah didoping stronsium terjadi di angka gelombang k sebesar 400-600 cm-1 . Teramati pada nilai k = 590 cm-1 merupakan ciri dari struktur spinel oksida ferit ditunjukkan akibat vibrasi instrinstik dari ikatan antara ion oksigen dengan ion logam tetrahedral site. Sedangkan nilai k = 400 cm-1 berupa vibrasi bending dari kompleks logam di oktahedral site yang terdiri dari ikatan antara ion oksigen dan ion

dapat

Dimana

𝑀2 2

𝑥 𝑘22 𝑥 10−7 𝑁/𝑚

kt

adalah

konstanta

gaya

tetrahedral site, ko adalah konstanta gaya oktahedral site. 𝑀1 dan 𝑀2 adalah massa molekul dari kation di tetrahedral dan oktahedral site. 𝑘1 dan

𝑘2 adalah

angka

gelombang

yang

teridentifikasi kobalt dan ferit. Hasil nilai kt dan ko ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1 . Hasil karakteristik FTIR nilai

dari sudut 2θ = 35,41º . Dari hasil ini diperoleh

spektrum 𝑘1 , 𝑘2 , kt dan ko sebagai berikut: Doping (mol)

k1 (cm-1)

didoping dan setelah didoping stronsium hasil

k2 (cm-1)

kt (N/m)

ko (N/m)

0,0

591,21 402,18

14,91

10,56

0,1

593,14 363,60

15,01

8,63

data indeks Miller hkl

(311). Hasil ini

bersesuaian dengan ICDD nomor 221086 yang merupakan struktur struktur (inverse spinel)

face center cubic (fcc) yang sesuai dengan penelitian sebelumnya [18] . Perbedaan dari besar

Dari hasil karakteristik FTIR ditunjukkan

sudut 2θ yang

bahwa nilai force contstant untuk kt dihasilkan

dihasilkan tidak signifikan. Hasil ini teramati

sedikit lebih besar dengan penambahan bahan

jelas kurva Gambar 3.2. dimana spektral lebih

doping stronsium yaitu dari sebesar 14,91

pendek dari sampel kobalt ferit dengan bahan

menjadi

ko

doping dibandingkan sebelum ditambahkan

dihasilkan semakin menurun dari 10,56 menjadi

doping. Hal ini dapat terjadi akibat dari subtitusi

8,63 N/m. Sehingga hasil ini menunjukkan bahwa

bahan. Selanjutnya dari data puncak tertinggi

nilai ko berubah sangat signifikan dibandingkan

dapat dihasilkan ukuran kristalit, parameter a dan

dengan nilai kt .

densitas melalui persamaan Schereer [19]. Hasil

15,01

N/m.

Sedangkan nilai

Dari hasil ini dapat diasumsikan bahwa

ini disajikan dalam Tabel 2.

material stronsium lebih menekan di oktahedral dibandingkan

oktahedral

site.

Dan

penambahan bahan doping yang semakin besar menyebabkan tegangan kisi yang semakin meningkat. Karakterisasi ini menunjukkan bahwa sifat magnetik dapat bergantung pada komposisi kimia [17]. 3.2. Analisa XRD Karakteristik

spektral

XRD

(220)

x = 0,0

SrxCo1-x Fe2O4 (440) (511)

(400) (422)

x = 0,1

dalam

Gambar 3.2 ditunjukkan lima sudut puncak yang hadir dari sampel kobalt ferit tanpa doping maupun dengan doping stronsium. Hasil ini terkait dengan sudut yang paling tinggi

(311)

Intensitas (a.u)

site

dari

sampel dihasilkan pada sudut 2θ yang cenderung sama yaitu sebesar sudut 2θ = 35,48º sebelum

20

30

40 50 60 Sudut 2 θ (o)

70

Gambar 3.2. Kurva karakterisasi spektral XRD pada kobalt ferit tanpa doping stronsium dan doping sebesar annealing 1000ºC.

0,1 mol disuhu

(440)

o

a

b

60 )

150

0,0

511)

2)

Transmitansi (a.u)

o1-x Fe2O4

x (mol)

70

Ukuran a Parameter Kristal (nm) a ( Å) b

Densitas ( gr/cm3)

37,76±1,05

8,37±0,04 a

5,30±0,07

8,39±0,05

5,26±0,09

800 700 600 500 400

100

0,1

35,30±1,01

b Dari 50

Tabel 2 menunjukkan ukuran

kristalit kobalt ferit dihasilkan lebih kecil dari

Magnetisasi (emu/cc)

200

SrxCo1-x Fe2O4

200

x = 0,0 x = 0,1

0

-200

sebesar 37,76±1,05 nm setelah didoping dengan

4000 3000 2000 1000 stronsium menjadi 35,30±1,01 nm.

-20

0,1 mol

Angka dengan gelombang, k (1/cm) Hasil ini sebanding ini terjadi karena pengaruh komposisi bahan doping pada proses pembentukkan kristal

-10 0 10 20 Medan Magnet, H (kOe)

Gambar 3.2. Histerisis magnetik di suhu 1000ºC

yang semakin kecil

pada nanopartikel kobalt ferit tanpa

sehingga menyebabkan nilai densitas turun

doping

semakin kecil dari 5,30±0,07 menjadi 5,26±0,09

stronsium.

dan

doping

0,1

mol

gr/cm3. Sedangkan pengaruh dari suhu annealing

Kurva karakteristik menunjukkan bahwa

juga menjadi peran penting dalam pembentukkan

nanopartikel kobalt ferit dengan doping 0,1 mol

kristal [20]. Selanjutnya didapatkan nilai dari

stronsium kurva terbentuk lebih lebar sedangkan

parameter kisi a yang meningkat dari 8,37±0,04

tanpa doping stronsium terbentuk lebih pipih. Hal

untuk kobalt

ini disinyalir karena komposisi dari komponen

ferit

tanpa

doping

menjadi

8,39±0,05 Å setelah dilakukan doping stronsium.

serta

Sehingga ini dapat disinyalir bahwa nilai

berpengaruh pada sifat magnetik yang dihasilkan

parameter a yang dihasilkan bergantung pada

yang ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3.Hasil

konsentrasi bahan yang digunakan.

karakteristik nilai (𝐻𝐶 ),(𝑀𝑟 ) dan (𝑀𝑠 ).

3.3

atom

Analisa VSM Karakteristik sifat magnetik ditunjukkan

dalam kurva histerisis yang terbentuk pada

Doping (mol)

kristalnya.

Medan koersif Hc (kOe)

Gambar 3.2. Sifat magnetik yang terukur dari

Sehingga

dapat

Magnetisasi remanen Mr (emu/cc)  102

Magnetisasi Saturasi MS (emu/cc) 102

nilai medan koersif (𝐻𝐶 ), magnetisasi saturasi

0,0

0,70±0,01

1,20 ± 0,01

3,12± 0,01

(𝑀𝑠 ) dan magnetisasi remanen (𝑀𝑟 ) .

0,1

1,05±0,02

0,77±0,01

1,79± 0,01

Dari hasil pengukuran magnetik pada

sedangkan pengukuran sifat magnetik dihasilkan

nanopartikel kobalt ferit dihasilkan nilai medan

besar magnetisasi saturasi dan remanen semakin

koersif yang semakin besar setelah didoping 0,1

menurun dengan kenaikan medan koersif.

mol stronsium dari 0,70±0,01 kOe menjadi

Dengan

demikian

metode

sintesis,

1,05±0,02 kOe. Hasil ini berbanding terbalik

perlakuan panas, komposisi bahan, berpengaruh

dengan nilai magnetisasi saturasi dan remanen

kuat dalam sifat magnetik.

yang dihasilkan. Teramati jelas pada Tabel 3. bahwa magnetisasi saturasi dan remanen semakin

V.

DAFTAR PUSTAKA

menurun dengan kenaikan medan koersif. Sehingga hasil medan koersif ini terkait dengan sifat magnetik yang bergantung pada komposisi Sedangkan perubahan koersifitas terjadi karena adanya perubahan keadaan multi domain menjadi keadaan domain tunggal superparamagnetik. Selain itu perlakuan panas juga mempengaruhi magnetisasi saturasi. IV.

KESIMPULAN Pengaruh doping stronsium dengan 0,1

mol pada nanopartikel kobalt ferit menyebabkan adanya tegangan kisi (lattice strain) sehingga dihasilkan nilai (force constant) di kedua kisi berupa kt dan ko terkait distribusi kation. Dari hal ini dapat disinyalir ada sebuah tegangan dari penekanan di tetrahedral site sehingga diidentifikasi

bahwa

intensitas

dapat

konstanta

menyebabkan nilai konstanta gaya oktahedral ko lebih kecil dibanding nilai konstanta gaya tetrahedral kt. Selanjutnya dihasilkan ukuran kristal semakin kecil dengan penambahan doping stronsium yang sebanding dengan densitas yang semakin kecil dengan kenaikan nilai parameter kisi. Hal ini terjadi akibat subtitusi doping.

[1] P. A. Lima A.C, J. Araujo, M. Morales, M. S. .N and J. Soares, "The effect of Sr+2 on the structure and magnetic properties of nanocrystallie cobalt ferrite," Material Letters, 2012. [2] C. A. H. Goswami P Partha and C. S. M. S. Vijayanand, "Sonochemical synthesis of cobalt ferrite nanoparticle," Hindawi international journal of chemical engineering, p. 6, 2013. [3] H. Zhang, V. Malik, S. Mallapragada and M. Akinc, "synthesis and Characterization of Gd doped magnetite nanoparticles," journal of magnetism and magnetic materials , vol. 423, pp. 386-394, 2016. [4] M. E. S. Ghahfarokhi, R. F and Z. M. Shouhstari, "A Study of the properties of SrFe12-xCoxO19 Nanoparticles," journal of magnetism dan magnetic materials , vol. 349, pp. 80-87, 2014. [5] G. A. Sivakumar M and Z. W, "Nanophase formation of stronsium hexaferrite fine powder by the sonochemical method using Fe(CO)5," Journal of magnetism and magnetic materials, vol. 268, pp. 95-104, 2004. [6] R. Safi, A. Ghasemi, S. R. Razavi and M. Travousi, "The role of pH on the size and magnetic consequence of cobalt ferrite,"

Journal of magnetism and magnetic material, vol. 396, pp. 288-294, 2015. [7] C. Murugesan, M. Perumal and G. & Chandrasekaran, "Structural, sielectric and magnetic properties of cobalt ferrite prepared using auto combution and ceramic route," physica B, pp. 53-56, 2014. [8] K. Maaz, S. Karim, A. Mumtaz, S. Hasanain, J. Liu and J. Duan, "Synthesis and magnetic characterization of nickel ferrite nanoparticles prepared by coprecipitation route.," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 321, pp. 1838-1842, 2009. [9] F. Huixia, C. Baiyi, Z. Jiangiang and L. J. Tan, "Preparation and characterization of the cobalt ferrite nano-particles," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 356, pp. 68-72, 2014. [10] R. &. S. J. Kotnala, Ferrite Materials: Nano to spintronic regime, vol. 23, New Delhi, India.: Handbook of Magnetic Materials, 2015. [11] C. Amalia, "Fabrikasi Nanopartikel Cobalt Ferrite Hasil Ko-Presipitasi dengan Two Step Annealing," Skripsi, 2015. [12] S. V. Puli, S. Adireddy and V. C. Ramana, "Chemical bonding and magntic properties of gadolinium (Gd) subtituted cobalt ferrite," journal of alloys and compounds , vol. 644, pp. 470-475, 2015. [13] U. V. &. C. V. S. Ancharova, "Nanodomain states of strontium ferrites SrFe1yMyO2.5+x," Journal of Solid State Chemistry, vol. 255, pp. 410-416, 2015. [14] R. &. K. M. Kumar, "Lattice strain induced magnetism in subtituted

nanocyrstalline cobalt ferrite," journal of magnetism and magnetic materialls, vol. 416, pp. 335-341, 2016. [15] G. Zhijun, X. Xiang, F. Guoli and F. Li, journal of Physics chemical compound , vol. 112, pp. 18459 - 18466, 2008. [16] F. Cheng, C. Liao, J. Kuang, C. Yan, C. Liangyao, H. Zhao and z. Liu, "Nanostructure magneto optical thin films of rare earth (RE = Gd, Tb, Dy) doped cobalt spinel by sol-gel synthesis," journal of applied physics , vol. 85, p. 2782, 1999. [17] S. &. S. H. Amiri, "Magnetic and structural properties of RE doped Coferrite (RE=Nd, Eu, and Gd) nanoparticles synthesized by co-precipitation.," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 345, pp. 18-23, 2013. [18] S. Gubin, Y. Koksharov, G. omutov and G. Yurkov, "Preparation, Structure and Properties," Magnetic nanoparticles: preparation, structure and properties. Jounal of Magnetic Nanoparticles, vol. 74, pp. 489-520, 2015. [19] M. Hoshiar, F. Zebhi, Z. Razi and A. &. A. Z. Alidoust, "Synthesis of cobalt ferrite (CoFe2O4) nanoparticles using combustion, coprecipitation and precipitation methods: A comparison study of size, structural, and magnetic properties," Journal of magnetism and magnetic materials, vol. 371, pp. 43-48, 2014. [20] L. Kumar, P. Kumar and A. &. K. M. Narayan, "Rietveld analysis of XRD patterns of different sizes of nanocrystalline cobalt ferrite," International nano letters , vol. 3, p. 8, 2013.

[21] J. Stohr and H. Siegmann, "Magnetism from fundamentals to nanoscale dymanics," springer , 2006 . [22] K. S. Chawla, M. S. S, P. Kaur, M. K. R and M. S. Yusuf, "Effect pf site preferences on structural and magnetic switching properties of CO-Zr doped strontium hexaferrite SrCoxZrxFe(122x)O19," Journal of Magnetism and mmagnetic materials , vol. 378, pp. 84-91, 2015.