Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. XI No.1 Mei 2011
Stabilitas termal dan struktur kacaTeO2-ZnO-Li2O-MgO Sulhadia,* a Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika, Fakultas MIPA,Universitas Negeri Semarang Gd. D9 Lt.1 Kampus Sekaran Gunungpati Semarang * Email:
[email protected]
Abstrak Pengaruh penambahan Li2O dan MgO terhadap stabilitas termal dan struktur kaca zinc–tellurite yang difabrikasi dengan melt– quenching technique dikaji dengan TG/DTA dan FTIR spectroscopy. Dari hasil TG/DTA menunjukkan bahwa penambahan Li2O dan MgO pada kaca zinc-tellurite dapat menurunkan temperatur transisi kaca, temperatur kristalisasi dan titik lebur kaca.Stabilitas termal kaca tertinggi sebesar 97oC tercapai pada penambahan 1mol% Li2O dan 1mol% MgO. Dari analisis hasil FTIR spectroscopy menunjukan adanya pengaruh penambahan Li2O dan MgO pada perubahan struktur kaca. Perubahan yang teramati konsisten pada stretching vibration mode TeO4 trigonal bipyramid (tdp), TeO3 trigonal pyramid (tp), dan bending vibration mode Te-O-Te (atau OTe-O) yang terjadi pada semua komposisi. Penambahan MgO dan Li2O pada kaca zinc-tellurite menunjukan adanya kecenderungan menurunnya intensitas absorpsi sekitar 1636cm-1 dan 3422cm-1–3434cm-1 yang merupakan stretching vibration dari hydroxyl group. Kata kunci :TG/DTA, FTIR Spectroscop, melt–quenching technique
Penggunaan doping erbium (Er3+) pada kaca zinc– tellurite menghasilkan kaca dengan sifat optik dan kimia yang sesuai untuk aplikasi optik [6,7] yang sangat baik untuk aplikasi modulator cahaya laser [8] dan mempunyai stabilitas termal yang sesuai untuk aplikasi fiber drowing [9]. Dilaporkan juga bahwa doping erbium (Er3+) pada kaca zinc–tellurite dapat menaikkan daya emisi karena hanya memerlukan energi phonon yang rendah.Untuk pengembangan lebih lanjut pada kaca laser ini, sangat penting untuk mengetahui sifat termal kaca dan perubahan struktur unit kaca untuk dapat menentukan komposisi dan konsentrasi material yang diperlukan.Dari sebagian besar studi tentang kaca zinc-tellurite menitikberatkan pada kajian komposisi kaca dan perubahan strtuktur unit.Dari spectrum FTIR, dapat ditunjukkan adanya perubahan network struktur kaca terhadap komposisi pembentukan kaca.Kajian tentang struktur kaca ini sangatlah penting untuk menginterpretasi sifat kimia dan fisika dari kaca yang terjadi.Dari beberapa literature menunjukkan bahwa stabilitas termal dari kaca yang dibentuk sangat mempengaruhi perubahan struktur unit kaca yang terjadi [1]. Paper ini melaporkan kajian pengaruh Li2O dan MgO terhadap stabilitas termal dan perubahan struktur dari kaca zinc–tellurite yang terbentuk.
1. Pendahuluan Telah banyak dilakukan penelitian teknologi pembuatan kaca untuk berbagai aplikasi dalam kehidupan sehari-hari.Pada perkembangan berikutnya kaca dimanfaatkan untuk aplikasi bahan optik dengan teknik fabrikasi tertentu. Langkah penting dalam pembentukan material kaca adalah pendinginan dari keadaan cair, kondensasi dari uap sekitar, tekanan pencetakan (quenching) dan proses annealing. Dari banyak teknik yang dikenal dalam pembentukan material kaca, yang paling banyak digunakan adalah melt quenching technique dan sol-gel formation. Tellurium dioxide (TeO2) merupakan oksida yang stabil dari tellurium (Te) dengan titik didih (melting point) 773oC.Stabilitas dari TeO2 ini merupakan bagian penting untuk diteliti lebih lanjut sebagai bahan crystalline maupun bahan amorphous (kaca) [1]. Kaca tellurite diketahui merupakan salah satu system amorphous yang penting karena memungkinkan untuk aplikasi komesial. Kaca tellurite mempunyai sifat opto-elektronik yang khas karena tidak hanya memiliki temperatur transisi kaca yang rendah tetapi juga merupakan bahan dengan daya transmisi infrared yang sangat baik [2,3] yaitu antara 0,4 – 6,0 µm [4]. Dengan sifat tersebut kaca tellurite sangat baik untuk aplikasi sensor tekanan atau sebagai bahan laser.Sidebottom dkk (1997) melaporkan bahwa kaca zinc-tellurite sangat baik sebagai bahan dasar optik aktif (optically-active) jika didoping dengan ion lanthanide (rare earth) karena mampu meminimalkan kebocoran nonradiative sehingga mempunyai ketahanan kimia dan sifat optik yang baik [5].
2. Metode penelitian Melt–quenching technique digunakan untuk fabrikasi kaca zinc–tellurite dengan komposisi 80TeO2(20-2x)ZnO-xLi2O-xMgO system (1mol%≤x≤5mol%). Sampel 10 g dipreparasi dari powder TeO2 (99%), ZnO (99%), Li2O (99.9%) dan MgO. Campuran tersebut 11
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. XI No.1 Mei 2011
dimilling selama 30 menit, kemudian dileburkan dalam krusibel silica pada temperatur 1000oC selama 1 jam. Sampel yang telah lebur itu dituang untuk quenching dalam plat stainless steel dan diannealing pada suhu 250oC selama 5 jam. Pyris Diamond TG/DTA (Themogravimetric/Differential Thermal Analyzer) digunakan untuk menentu-kan parameter termal dari kaca yang dihasilkan. Sampel kaca dengan massa 1020 mg dimasukkan dalam furnace TG/DTA, kemudian dipanaskan dengan laju 10oC/min dari 30OC sampai 900OC. Parkin Elmer GX FTIR spectroscopy digunakan untuk menentukan spectrum absorpsi infrared. Teknik yang dipakai menggunakan pellet campuran sampel kaca dan KBr dengan perbandingan 1 : 100. Spectrum FTIR direkam pada range 400 cm-1 – 4000 cm-1.
merupakan temperatur kristalisasi dari kaca Tc. Perubahan berikutnya adalah puncak endotermik sekitar 580oC-627oC yang merupakan titik lebur (melting temperature) dari kaca Tm. Grafik hubungan antara Tg, Tc, Tc-Tg yang menunjukkan stabilitas termal kaca fungsi dari konsentrasi Li2O dan MgO dapat dilihat pada Gb.2. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa penambahan Li2O dan MgO pada semua sampel kaca zinc-tellurite menyebabkan penurunan temperatur transisi kaca dari 313oC sampai 293oC, demikian juga untuk temperatur kristalisasi dari 405oC sampai 372oC dan titik lebur kaca dari 627oC sampai 580oC. Penurunan temperatur transisi Tg tersebut memungkinkan terjadinya penurunan rigiditas dari network struktur unit dari kaca zinc-tellurite [10]. Terjadi perubahan eksotermik yang merukapan indikasi temperatur kristalisasi, dimana intensitas puncak eksotermik tersebut semakin turun (kecil) pada penambahan Li2O dan MgO dari 1mol% sampai 5mol% menunjukkan bahwa sample semakin mudah membentuk kristal. Hal tersebut dimungkingkan adanya pengaruh MgO yang lebih mudah membentuk kristal, sementara Li2O lebih berpengaruh pada perubahan struktur unit [11].
3. Hasil dan pembahasan
Heat Flow Endo Down (mW)
Hasil analisis TG/DTA ditunjukkan pada Gb.1 dan Tabel 1. Kurva TG/DTA dari sampel kaca menunjukkan perubahan endotermik sekitar 293oC313oC yang merupakan temperatur transisi dari kaca Tg. Perubahan temperatur selanjutnya yaitu sampai puncak eksotermik sekitar 372oC-405oC yang
70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
x=0mol%
x=1mol% x=2mol% x=3mol% x=4mol% x=5mol%
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
o
Temperature ( C) Gambar 1. Kurva TG/DTA dari 80TeO2-(20-2x)ZnO-xLi2O-xMgO system dengan (1mol%≤x≤5mol%)
12
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. XI No.1 Mei 2011
Tabel 1. Komposisi kaca zinc-tellurite dengan karakteristik termal dari hasil TG/DTA
No Sampel S0 S1 S2 S3 S4 S5
Komposisi (mol%) TeO2 ZnO MgO Li2O 80 20 0 0 80 18 1 1 80 16 2 2 80 14 3 3 80 12 4 4 80 10 5 5
Tg 313 300 303 302 302 293
Temperatur (oC) Tc Tc-Tg 405 92 397 97 391 88 382 80 382 80 372 79
Tm 627 611 605 608 591 580
700
Tm
Temperatur (oC)
600 500
Tc
400
Tg
300 200
Tc-Tg
100 0 0
1
2
3
4
5
Konsentrasi MgO dan Li2O (mol%)
Gambar 2. Grafik fungsi Tg, Tc, Tm dan Tc-Tg terhadap konsentrasi penambahan MgO dan Li2O
1102cm-1–1113cm-1, 1636cm-1 dan 3422cm-1– 3434cm-1. Pada saat konsentrasi MgO dan Li2O ditambah hingga 4 mol%, muncul pucak absorpsi sekitar 604cm-1–612cm-1 dan 679cm-1–682cm-1. Pada saat konsentrasi MgO dan Li2O mencapai 5 mol%, muncul lagi puncak absorpsi sekitar 724cm1 . Puncak absorpsi utama sekitar 650cm-1 dan 760cm-1 (Gb.3) pada kaca zinc-tellurite mungkin merupakan mixing dari beberapa struktur unit TeO3 group, symmetric TeO4 group dan deformed TeO4 group [12]. Terjadinya pergeseran puncak absopsi sekitar 650cm-1 pada saat konsentrasi MgO dan Li2O ditambah (0mol%-1mol%), menunjukan adanya mixing struktur unit symmetric TeO4 group dan deformed TeO4 group pada kaca. Pergesaran posisi puncak utama kedaerah nomer gelombang (wave-number) panjang, menunjukan berkurangnya energi ikatan (energi vibrasi) pada struktur TeO4 tbp. Akan tetapi, posisi puncak tersebut bergeser kedaerah nomer gelombang (wave-number) pendek
Dari Gb.2 dan Tabel 1, dapat dilihat bahwa penambahan Li2O dan MgO sampai 1mol% menunjukkan peningkatan stabilitas termal dari 92oC sampai 97oC, berikutnya terjadi penurunan stabilitas termal kaca sampai 79oC. Dengan merujuk hasil stabilitas termal tersebut dapat dikatakan bahwa penambahan Li2O dan MgO yang optimal hanya sampai 1mol%, yang memungkinkan sebagai bahan dasar (host) kaca yang stabil. Peningkatan stabilitas termal kaca ini kemungkinan berhubungan dengan pembentukan struktur unit dari ZnTeO3[3]. Dari Tabel 1, hubungan antara TcTg dengan Tc yang relative linear mengindikasikan bahwa kaca dengan komposisi ini memungkinkan untuk difabrikasi dengan mudah [2]. FTIR spectra dari kaca zinc-tellurite ditunjukkan pada Gb.3 dan Tabel 2. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa muncul puncak absorpsi sekitar 456cm-1–462cm-1 pada semua komposisi kaca, begitu juga pada puncak absorpsi 758cm-1–768cm-1, sekitar 646cm-1–652cm-1, 13
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. XI No.1 Mei 2011
pada saat konsentrasi MgO dan Li2O ditambah hingga 4 mol%, menunjukan bertambahnya energi ikatan (energi vibrasi) pada struktur TeO4 tbp. Hal tersebut sesuai dengan analisis stabilitas kaca diatas. Munculnya puncak baru sekitar 604cm-1 – 612cm-1 dan 679cm-1 – 682cm-1, dimungkinkan adanya substitusi ion Mg2+ atau Li+ terhadap ion Zn2+ pada struktur unit yang ada. Pada saat yang sama, tengkuk (shoulder) antara 758cm-1 – 768cm-1 mulai muncul dan diasumsikan sebagai struktur unit TeO3 dari ZnTeO3[2]. Munculnya puncak baru sekitar 724cm-1, dimungkinkan adanya subtitusi ion Mg2+ atau Li1+ terhadap ion Zn2+ pada struktur unit yang ada. Dari hasil spectra yang terbentuk dapat dilihat pula munculnya puncak absorpsi sekitar 456cm-1– 459cm-1 pada semua komposisi kaca, diasumsikan merupakan ikatan Zn-O tetrahedral [13]. Kecilnya puncak yang terjadi tersebut dapat diasumsikan karena hanya merupakan deformasi dari vibrasi ikatan Te-O [4,14].
x=0mol%
Sebagai tambahan, munculnya puncak absorpsi sekitar 1102cm-1 – 1113cm-1 pada semua sample kaca yang merupakan ikatan Te-O-Zn [13], akan tetapi ini tidak merupakan pengaruh dari vibrasi pada struktur unit (ikatan) tertentu. Stretching vibration yang merupakan indikasi adanya hydroxyl group ditunjukkan dengan munculnya puncak absorpsi di sekitar 1636cm-1 dan 3422cm-1 – 3434cm-1. Puncak tersebut dapat diasumsikan dengan strong-metal-bonding dan hydrogen-bonding.Ikatan OH- ini merupakan impuritas pada kaca, yang salah satunya dapat menyebabkan keretakaan (crack). Dari spectra yang terbentuk, dapat dilihat bahwa penambahan MgO dan Li2O pada kaca zinc-tellurite menunjukan adanya kecenderungan menurunnya intensitas absorpsi sekitar 1636cm-1 dan 3422cm-1–3434cm-1. Hal ini dimungkinkan adanya substitusi Li+ terhadap ion Zn2+ yang mengakibatkan menguatnya struktur network karena adanya peningkatan dari bridging-oxygen-ions[11].
80TeO2-(20-2x)ZnO-xMgO-xLi2O
Transmission (%)
x=1mol% x=2mol%
x=3mol% x=4mol%
x=5mol%
4000.
3000
2000
IR Band (cm-1)
1500
1000
400.0
Gambar 3. Spectrum Transmisi IR dari kaca zinc-tellurite
Tabel 2. Komposisi kaca zinc-tellurite dengan posisi puncak FTIR
No Sampel S0 S1 S2 S3 S4 S5
TeO2 80 80 80 80 80 80
Composition (mol%) ZnO MgO Li2O 20 0 0 18 1 1 16 2 2 14 3 3 12 4 4 10 5 5
IR Bands (cm-1) 462 650 456 652 456 652 456 652 459 612 648 682 459 604 646 679 724 14
768 758 760 760 766 764
1111 1102 1110 1113 1113 1113
1636 1636 1636 1636 1636 1636
3434 3434 3434 3434 3422 3422
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. XI No.1 Mei 2011
[13] Liu, H.S., Chin, T.S., Yung, S.W. (1997).Mater. Chem&Phys 50, Hal. 1. [14] Xia, H., Nie, Q., Zhang, J., Wang, J. (2003).Mater. Lett 4446, Hal. 1.
4. Kesimpulan Telah dapat difabrikasi kaca zinc-tellurite dengan penambahan MgO dan Li2O pada konsentarsi 1mol% sampai 5 mol% dengan melt–quenching technique.TG/DTA dan FTIR Spectroscopy digunakan untuk mengkaji pengaruh penambahan MgO dan Li2O terhadap stabilitas termal dan struktur kaca yang dihasilkan. Terjadi penurunan temperatur transisi kaca, temperature kristalisasi dan titik lebur kaca pada semua sampl yang dihasilkan. Stabilitas termal kaca tertinggi mencapai 97oC yaitu pada penambahan konsentrasi MgO dan Li2O 1mol%. Perubahan struktur unit yang teramati terhadap penambahan MgO dan Li2O konsisten pada stretching vibration mode TeO4 trigonal bipyramid (tdp), TeO3 trigonal pyramid (tp). Dari spectra yang terbentuk, dapat dilihat bahwa penambahan MgO dan Li2O pada kaca zinc-tellurite menunjukan adanya kecenderungan menurunnya intensitas absorpsi hydroxyl group (OH-). Ucapan Terima Kasih Penulis menyampaikan terikma kasih kepada Kementrian Sains, Teknologi dan Innovasi (MOSTI) Malaysia atas bantuannya melalui Vot 74532. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada UTM dan Unnes atas dukungannya pada project ini. Daftar Pustaka [1]
El-Mallawany, R.. (2002).Tellurite Glasses Handbook: Physical Properties and Data, CRC Press LLC. [2] Sahar, M.R., Noordin, N. (1995). J. Non-Cryst. Solids 184, Hal. 137. [3] Sahar, M.R., Jehbu, A.K., Karim , M.M. (1997). J. Non-Cryst. Solids 213&214, Hal. 164. [4] Bǘrger, H., Kneipp, K., Hobert, H., Vogel, W.(1992).J. Non-Cryst. Solids 151 Hal. 134. [5] Sidebottom, D.L. Hruschka, M.A. Potter, B.G. Brow, R.K. (1997).J. Non-Cryst. Solids 222, Hal. 282. [6] Sun, K. (1988).Preparation and Characterization of Rare Earth Glasses, Thesis, Brown University. [7] Marjanovic, S., Toulouse, J., Jain, H., Sandmann, C., Dierolf, V., Kortan, A.R., Kopylov, N., Ahrens, R.G. (2003).J. Non-Cryst. Solids 322, Hal. 311. [8] Uhlmann, D.R., Kreidl, N.J. (1983). Glass: Science and Technology, Vol. 1 Academics Press, New York. [9] Neindre, L.L., Jiang, S., Hwan, B.C., Luo, T., Watson, J., Peyghambarian, N. (1999).J. Non-Cryst. Solids 255, Hal. 97. [10] El-Moneim, A. A. (2002).Mater. Chem&Phys 73, Hal. 318. [11] Feng, X., Tanabe, S., Hanada, T. (2001).J. Non-Cryst. Solids 281, Hal. 48. [12] Hu, L., Jiang, Z. (1996).Phys. Chem. Glasses 37 [1], Hal. 19.
15
