DISAIN MATERIAL MAGNETO KALORIK SENYAWA DASAR (La. Ba-Ca)(Mn. Ti)O3 MELALUI PROSES SOLID STATE REACTION

1.Pendahuluan

1.1. Latar Belakang

Material Manganat doping hole Ln1-xAxMnO3 (Ln : La hingga Tb, dan

A : Sr, Ba, Ca, Pb) menjadi topik menarik bagi para ilmuwan dikarenakan sifat

magnetik serta sifat transport yang tidak biasa, ditambah dengan adanya fenomena

colossal magnetoresistance (CMR) yang memiliki banyak aplikasi di masa yang

akan datang[1,2], material ini menjadi fokus utama di berbagai negara maju di

dunia. Selain memiliki sifat CMR, material ini juga memiliki sifat magneto

caloric effect (MCE) saat diberikan medan magnet yang sesuai, hal ini

menunjukkan bahwa material ini juga memiliki kemungkinan untuk diaplikasikan

pada sistem Magnetic Refrigeration (MR) [3]. Pada material manganat,

pemberian medan magnet luar akan mengubah arah dari spin - spin material

tersebut sesuai dengan arah medan magnet eksternal yang diberikan, hal ini akan

menyebabkan berkurangnya entropi (keteraturan) magnet pada sistem tersebut.

Berkurangnya entropi pada material akan disertai dengan bertambahnya entropi

pada kisi material tersebut, sehingga material akan mengalami kenaikan

temperatur.

Material MCE yang memiliki kualifikasi untuk dikomersilkan, harus

memiliki perubahan entropi magnetik yang besar, perubahan temperatur adiabatik

yang besar, serta memiliki Refrigerant Capacity yang baik, ketika berada dalam

pengaruh proses magnetisasi serta de-magnetisasi. Untuk mencapai tujuan ini,

banyak riset yang telah dilakukan pada berbagai variasi material. Material Gd

undoped memiliki perubahan entropi magnet terbesar di suhu 293 K ketika

diberikan medan magnet sebesar 8 Tesla [4]. Akhir - akhir ini, bahan perovskite

mangan oksida menjadi fokus utama dari riset MCE[3,5], dikarenakan beberapa

material dari tipe ini memiliki nilai perubahan entropi magnet yang lebih besar

dibandingkan Gd, terutama pada temperatur Curie[6-8]. Selain itu bahan ini juga

jauh lebih murah dibandingkan dengan bahan material MCE berbasis Gd.

1

Dalam kegiatan ini pengusul mengusulkan suatu kegiatan penelitian

dengan judul "Disain Material Magnetokalorik Senyawa Dasar (La.Ba-Ca)

(Mn.Ti)O3 Melalui Proses Solid State Reaction".

1.2 Tujuan Penelitian

Penelitian ini memiliki tujuan sebagai berikut

1. Mensintesa senyawa La0.67Ba0.33Mn1-xTixO3 dan La0.67Ca0.33Mn1-xTixO3

dengan x = 0 - 0.06 dengan ukuran nano partikel

2. Mengetahui struktur kristal senyawa La0.67Ba0.33Mn1-xTixO3 dan

La0.67Ca0.33Mn1-xTixO3 dengan x = 0 - 0.06

3. Mengetahui karakteristik magnetik senyawa La0.67Ba0.33Mn1-xTixO3 dan

La0.67Ca0.33Mn1-xTixO3 dengan x = 0 - 0.06

4. Mengetahui karakteristik thermal senyawa La0.67Ba0.33Mn1-xTixO3 dan

La0.67Ca0.33Mn1-xTixO3 dengan x = 0 - 0.06

2. Tinjauan Pustaka

Ketika bahan magnetik diberikan medan magnet luar yang cukup, momen

magnetik dari atom bahan tersebut akan teralign sesuai dengan arah medan

magnet yang diberikan. Jika medan magnet luar diaplikasikan secara adiabatik,

temperatur dari material ini akan meningkat, dan jika medan magnet luar kita

hilangkan secara tiba - tiba, suhu dari material akan berkurang secara cepat.

Respon magnetik ini disebut juga sebagai fenomenena Magnetokalorik. Karena

fenomena ini berhubungan langsung dengan perubahan entropi magnetik dan

perubahan temperatur secara adiabatik, maka penting untuk kita memahami

hubungan antara 2 hal tersebut.

2.1 Hubungan antara entropi magnetik dan perubahan suhu adiabatik

Perubahan entropi (S) dari bahan magnetik ketika diberikan medan magnet

luar (H) berhubungan dengan magnetisasi (M) serta temperatur (T), menggunakan

hubungan termodinamika Maxwell.

2

( ∂ S∂ H )

T

=−( ∂ M∂ T )

H (1)

Perubahan entropi magnetik ΔSM(T,H), dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan

∆ SM (T , H )=SM (T , H )−SM (T , 0 )

¿∫0

H

( ∂ SM (T , H )∂ T )

H

d H (2)

Untuk perhitungan magnetisasi pada medan yang diskrit dan pada interval

temperatur tertentu, nilai perubahan entropi magnet didapatkan dengan

menggunakan ekspresi sebagai berikut

∆ SM (T , H )=∑i

M i+1 (T i+1, H )−M i (T i , H )T i+1−T i

∆ H

(3)

Selain itu, nilai perubahan entropi magnet dapat dihitung dari ketergantungan

medan magnet terhadap kapasitas panas yang kemudian di integralkan

∆ SM (T , H )=∫0

TC (T , H )−C (T , 0 )

TdT

(4)

Dimana C(T,H) dan C(T,0) adalah nilai kapasitas panas pada medan magnet H

dan pada medan magnet H = 0. Sehingga perubahan temperatur adiabatik dapat

diperoleh dengan cara mengintegralkan persamaan tersebut terhadap medan

magnet.

∆ T ad=−∫0

HT

C p , H( ∂ M

∂ T )H

d H (5)

Dari persamaan 2 dan 5, dapat diketahui bahwa efek magnetokalorik akan

besar (ΔSM dan ΔTad), ketika (∂ M /∂ T )H besar dan C(T,H) kecil untuk temperatur

yang sama [9,10] . Karena nilai (∂ M /∂ T )H biasanya maksimal pada temperatur

magnetic ordering, maka fenomena MCE terbesar dari suatu material biasanya

terjadi pada saat transisi fasa magnetik. Meskipun metode perhitungan ∆ SM

3

dengan menggunakan persamaan 3, terbukti cukup baik untuk menentukan

potensial suatu bahan menjadi bahan magnetokalorik, komparasi akurat antara

material yang berbeda harus menggunakan perhitungan ΔTad. [9,10]. Hal ini

dikarenakan nilai kapasitas panas berbeda beda untuk setiap bahan material

magnetik. Sebagai contoh, nilai kapasitas panas untuk bahan alloy basis Gd lebih

kecil dibandingkan bahan material manganat[9].

2.2 Perilaku Magnetokalorik serta Transisi Magnetik

Sudah dijelaskan sebelumnya bahwa besarnya perubahan entropi magnetik

dan hubungannya dengan temperatur serta medan magnet tergantung dari jenis

transisi fasa magnetiknya. Transisi fasa first order (paramagnetik-feromagnetik)

dapat menyebabkan meningkatnya fenomena magnetokalorik. Contohnya pada

bahan Gd- Si-Ge dan Mn-Fe-P-As [9,10].

Sebagian besar bahan feromagnetik memiliki transisi fasa second order,

kedua jenis transisi fasa ini memiliki perbedaan pada range temperatur

magnetokalorik. Dimana untuk transisi first order memiliki range temperatur yang

kecil sedangkan transisi second order umumnya memiliki range temperatur yang

cukup besar.

Besarnya magnetokalorik tidak hanya tergantung pada momen magnetnya

naum perubahan magnetisasi terhadap waktu juga. Semakin besar nilai perubahan

ini, maka semakin besar pula fenomena magnetokalorik. Pada bahan manganat,

cepatnya perubahan magnetisasi terhadap temperatur (pada saat transisi fasa

magnetik) yang menuebabkan besarnya perubahan entropi magnetik [11].

2.3 Kriteria pemilihan bahan pendingin magnetik

Perubahan entropi magnetik serta perubahan temperatur adiabatik

yang besar

Hysterisis magnetik sekecil mungkin (hal ini berhubungan dengan

efisiensi dari kerja bahan pendingin magnetik)

Hysterisis thermal yang sangat kecil (berhubungan dengan

reversibilitas dari fenomena magnetokalorik pada bahan pendingin

magnetik)

Konduktivitas thermal yang besar

4

Metode pembuatan yang simple juga dibutuhkan untuk bahan

pendingin magnetik yang akan dikomersialkan.

Daftar Acuan

[ 1 ] J.M.D. Coey, M. Viret, S. Von Molnar, Adv. Phys.48 (1999)167.

[ 2 ] M.B. Salamon, M. Jaime, Rev. Mod. Phys. 73 (2001) 583.

[ 3 ] M.H. Phan, S.C. Yu, J. Magn. Mater. 308 (2007) 325.

[ 4 ] S.Y. Dan'kov, A.M. Tishin, V.K. Pecharsky, K.A. Gschneider, Phys.

Rev. B.57, 3478(1998).

[ 5 ] P. Sarkar, P. Mandal, P.Choudhury, Appl.Phys.Lett.92, 182506(2008).

[ 6 ] S.B. Tian, M.H. Phan, S.C. Yu, N.H.Hur, Physica B 327,221 (2003).

[ 7 ] Z.M. Wang, G. Ni, Q.Y.Xu, H. Sang, Y.W. Du, J. Appl.Phys. 90,5689

(2001).

[ 8 ] L.Si, Y.L.Chang, J. Ding, C.K. Ong, B. Yao, Appl.Phys. A. 77,641

(2003).

[ 9 ] V.K. Pecharsky, K.A. Gschneidner, A.O. Tsokol, Rep. Prog. Phys.

68(2005)1479.

[10] E. Bruck, J.Phys. D: Appl. Phys. 38 (2005) R381.

[11] M.H. Phan, S.C. Yu, N.H. Hur, Appl. Phys. Lett. 86(2005)072504.

5