Sintesis dan Karakterisasi Multiferroik BiFeO3 Didoping...
33
Sintesis dan Karakterisasi Multiferroik BiFeO3 Didoping Pb Tahta Amrillah 1108100003 Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Pembimbing: Prof.Dr. Darminto, M.Sc Malik Anjelh Baqiya, M.Si
Transcript of Sintesis dan Karakterisasi Multiferroik BiFeO3 Didoping...
Sintesis dan Karakterisasi Multiferroik BiFeO3 Didoping Pb
Tahta Amrillah1108100003
Jurusan FisikaFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Pembimbing:Prof.Dr. Darminto, M.Sc
Malik Anjelh Baqiya, M.Si
Multiferroik
• Multiferroik adalah kelas darisuatu bahan yang memiliki duaatau lebih sifat ferroik sekaligusseperti ferroelektrik, ferromagnetik dan ferroelastik[Manfred Fiebig (2005)]
• Struktur ABO3 Perovskite. Sisi AFerroelektrikSisi BFerromagnetikmisal:BiFeO3 http://physics.aps.org/articles/v2/20
Physics 2, 20 (2009) Daniel Khomskii
Ferroelektrik-Polarisasi spontan
Ferromagnetik-Magnetisasi spontan
E
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+-+-+-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
H
Fe2O3 Antiferromagnetik dibawah TN (~260 K )
Paramagnetik di atas TN
-Bi2O3-struktur perovskite rombohedral terdistorsi
AplikasiMultiferroik spontanitas magnetik dan listrik secara simultan (magnetoelectric effect / ME).
ME aplikasi baru seperti elemen memori magnetik yang dipicu oleh medan listrik device elektronik baru (Balamurugan, 2009).
Permasalahan
Fase tersebut mengubah stoikiometri dan menciptakan kekosongan oksigen. Oksida besi yang muncul dapat menghasilkan kebocoran arus yang tidak diinginkan untuk penggunaan praktis (Shami, et al, 2011).
Fasa pengotor lazim muncul pada setiap sintesis BiFeO3 dengan metode apapun, dan sulit dihindari (Hua, et al, 2010; Yuan, et al, 2006).
Solusi:Modifikasi parameter sintesisModifikasi stoikiometriDoping
Sintesis
Karakterisasi
Liquid Mixing•Bi2O3 mudah menguap saat dilarutkan
pengaruh doping Pb•Pb mudah larut dengan HNO3 encer
XRD
Sintesis dan Karakterisasi
Fasa yang terbentuk, prosentase fraksivolume, penyimpangan pola Difraksi
Doping Pb???
Liquid MixingBi2O3+HNO3(larutan A)Fe2O3+HNO3(larutan B)PbO2+HNO3(larutan C)
Bi(1-x)Pb(x)FeO3
serbuk Bi(1-x)Pb(x)FeO3
larutan A + larutan B +larutan C
Strirer 12 jam
Oven 5 jam 200 °CDi gerus
Perlakuan panas
Stoikiometri Bi+Pb:Fe = 1:1
Perlakuan Panas
• Suhu kalsinasi dan Holding TimeDiagram Fasa
DTA-TGATugas akhir sebelumnya dan jurnal
• Peranan holding time• Fasa pengotor terbentuk ketika suhu kalsinasi tidak
dikontrol secara akurat selama kristalisasi fasa BFO menyebabkan kinetika fasa formasi menimbulkantahapan impuritas lain di sistem Bi-Fe-O (Jong, 2005)
• Fasa BiFeO3 yang lebih tinggi diperoleh dengan pemanasan pada suhu rendah dan pemanasan cepat (~1jam) sehingga memperkecil kemungkinanterbentuknya fasa sekunder Bi2Fe4O9 dan Bi25FeO39.(Carvalho dan Tavares, 2008).
Sumber : Palai et al, 2008
NamaPenulis
Suhu yang dipakai
Holding time
% fasaBiFeO3
% fasasekunder
% totalfasa BFO
% fasapenyusun
Metode
Nurul 750 C 3 jam 45 % - - - kopresipitasi
Yuli 750 C 3 jam 38,6 % - - - liquid mixing
Retno 500 C 1 jam 50,7 % 11,55% 62,29% 37,7% liquid mixing
S.J kim 800 C 2 jam 100% - - - Ball mill
Variasi sintesis
• Suhu : 550˚C - 900˚C• Holding time :1,2,3,4 jam dan bertahap 2+2 jam• Konsentrasi Pb : x=0,25 dan 0,5• Bahan dasar:Fe2O3 dari pasir besi dan Fe
Fe2O3 dari Pasir Besi
Sintesis Fe2O3
Pasir besi ekstrak Pasir besi ekstrak
Larutan pasir besi ekstrak
Endapan
Fe2O3 dan Fe3O4
Larutan Fe2O3 dan Fe3O4
Endapan
Fe2O3 !H2O
Kopresipitasi kedua
Kopresipitasi pertama
Di larutkan dengan HCl
Di endapkan dengan NH4OH
Di keringkan 70 C 5 jam
Kasinasi 800 C 2 jam
Di larutkan dengan HCl
Di endapkan dengan NH4OH
Di keringkan 70 C 5 jam
Subsitusi Pb terhadap Bi memperbesar kemungkinan terbentuklnya fasa BiFeO3
Jari-jari Pb hampir sama dengan Bi (Bi=83;Pb=82), sehingga dapat mensubsitusi Bi yang mudah menguap
•Doping Pb terhadap fraksi volume BiFeO3
Penguapan komponen Bi yang terjadi dengan mudah diawal sintesis karena rendahnya suhu penguapan garam bismuth sehingga Bi2O3 muncul kembali diakhir proses sebagai impuritas (Hua, et al, 2010)
Pb
Struktur kristal BiFeO3.Sumber:Ederer, 2009
-Dopan Pb tersubsitusi semua
-Terdapat unsur bahan dasar
-BFO sekunder ,BiFeO3
-BFO sekunder ,BiFeO3 , bahan dasar
-Ukuran kristal semakin besar
-Ukuran kristal semakin besar
Fasa yang terbentuk• Variasi Suhu
konsentrasi doping x=0,25600˚C
650˚C
700˚C
750˚C
800˚C
850˚C
900˚C
konsentrasi doping x=0,5
Pb2O3
-BFO sekunder ,BiFeO3
-BFO sekunder ,BiFeO3 , bahan dasar
-Ukuran kristal semakin besar
-Ukuran kristal semakin besar
• Variasi Holding Time
konsentrasi doping x=0,5
konsentrasi doping x=0,25
-Dopan Pb tersubsitusi semua
-Terdapat unsur bahan dasar
Prosentase Fase BiFeO3 danUkuran Kristal
t BiFeO3 Ukuran (nm) 1 jam 44% 862 jam 43% 933 jam 37% 115
T BiFeO3 Ukuran (nm) 600 38% 53650 40% 75700 42% 87750 43% 93800 39% 103850 36% 107900 33% 112
t BiFeO3 Ukuran (nm)- 13% 97
1 jam 38% 572 jam 40% 673 jam 41% 664 jam 39% 87
2+2 jam 58% 77
T BiFeO3 Ukuran (nm)550 16% 37600 20% 37650 55% 38700 50% 49750 40% 57800 42% 65850 42% 75900 53% 81
Konsentrasi doping Pb X=0,25 Bahan dasar Fe
Konsentrasi doping Pb X=0,5Bahan dasar Fe
• Variasi konsentrasi doping650˚C-2 jam
(012)
Tugas Akhir sebelumnya
Fraksi volume maksimum
NamaPenulis
Suhu yang dipakai
Holding time
% BiFeO3
% fasasekunder
% totalfasa BFO
% fasapenyusun
Metode
Yuli 750 ͦC 3 38% - - - liquid mixing
Retno 750 ͦC 3 42% 57% 100% - liquid mixing
Retno 500 ͦC 1 50 % 11% 62% 37% liquid mixing
Tahta(0,25)
750 ͦC 1 44 % 55% 100% 0% liquid mixing
Tahta(0,5)
750 ͦC 2+2 58% 5% 73% 26% liquid mixing
Nilai Susceptibilitas (χ)
BiFeO3 (%) Total BFO (%) Fasa Lain (%) Konstanta R Susceptibilitas (χ)
38,95 95,56 4,44 846 5,33x10-7
39,30 100 - 977 6,73x10-7
42,11 100 - >1000 >1 x10-6
44,41 100 - >1000 >1 x10-6
BiFeO3 (%) Total BFO (%) Fasa lain (%) Konstanta R Susceptibilitas (χ)
38,96 60,24 39,76 780 4,18x10-7
39,02 75,50 24,49 797 4,66x10-7
42,79 52,86 47,13 >1000 >1 x10-6
58,35 73,62 26,38 >1000 >1 x10-6
Tabel nilai susceptibilitas sampel variasi bahan Fe, konsentrasi doping Pb x=0,25
Tabel nilai susceptibilitas sampel variasi bahan Fe, konsentrasi doping Pb x=0,5
Kesimpulan
1. BiFeO3 didoping Pb dapat disintesis dengan metode liquid mixing
2. Doping Pb memperbesar kemungkinan terbentuknya fasa BiFeO3 Pemanasan Bertahap
3. Semakin besar suhu kalsinasi, holding time, dan konsentrasi doping Pb semakin kecil ukuran kristal
Terimakasih
Penyimpangan Puncak Akibat Doping Pb
Bi=83;Pb=82
Sin θ berbanding terbalik dengan d dan a. sehingga ukuran BiFeO3semakin kecil saat didoping Pb
a
a
Pb
a’a > a’
Gambar 4 : Bentuk Puncak Difraksi BiFeO3 yang di doping Ti (x=0,05;0,01;0,015) pada Bidang (012)
pada 2θ = 22,2˚-23,2˚. (sumber: S.J kim et all, 2010)
Hukum bragg :
• Pola XRD dari BiFeO3 menggunakan Fe2O3 dan Fe dengan konsentrasi doping x=0,5
t BiFeO3 Ukuran (nm)1 jam 23,91 29.312 jam 19,84 33.353 jam 17,25 41.03
t BiFeO3 Ukuran (nm)1 jam 11,91 40.612 jam 8,46 45.733 jam 5,93 69.28
variasi suhu 600 dengan bahan dasar Fe2O3, X=0,5
variasi suhu 750 dengan bahan dasar Fe2O3, X=0,5
t BiFeO3 Ukuran (nm)1 jam 25,81 28.312 jam 18,64 31.353 jam 12,35 41.03
t BiFeO3 Ukuran (nm)1 jam 15,61 43.612 jam 8,46 47.633 jam 4,73 65.38
variasi suhu 600 dengan bahan dasar Fe2O3, X=0,25
variasi suhu 750 dengan bahan dasar Fe2O3, X=0,25
% fraksi volume BiFeO3
Ukuran kristal
Konfigurasi elektron
Pb82=[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p2
Fe26=1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
+80
e ̄
e ̄
e ̄
e ̄
+20e ̄
e ̄
e ̄
e ̄ e ̄
+80e ̄
e ̄
Bi83=[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3
Bahan BiFeO3 (%) Total BFO (%) Fasa lain (%) R Susceptibilitas (χ)
Fe 16,27 32,98 67,02 679 1,83x10-7
20,49 47,61 52,39 697 2,14x10-7
Fe2O3 17,25 57,76 42,23 678 1,69x10-7
19,84 58,05 41,95 689 1,93x10-7
Tabel nilai susceptibilitas sampel variasi bahan Fe dan Fe2O3, konsentrasi doping Pb x=0,5
Struktur Perovskite Rombohedral Terdistorsi
Hukum 1 Pauling :Kation akan berkoordinasi dengan polihedron aniondengan ukuran yang relativ sama
kation(Bi)>>anion(O):Konfigurasi koordinasi tidak stabil E
Kation Bi
Bi83=[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3
“the stereo-chemically active 6s2 lone pair electrons ofBi3+ (and Pb2+) ions in the A-site offers an alternative way to get the ferroelectricordering irrespective of the kind of (magnetic) ions present in the B-site [Nicola(2000)]”
E
+ -
Sifat Magnetik pada Fe2O3
• Anti ferromagnetik di bawah TN
• Paramagnetik di atas TN– Pengaruh suhu yang lebih besar meningkatkan keacakan domain
magnetik
Fe O
Net Momen=0
Net Momen=0 susceptibilitas <<<< 1
Ketidakseimbangan Ion
Bi3+
Fe3+
Pb2+ lebih stabil dengan bilangan +2
Masing-masing mengikat 3 ion oksigen, karena Bi dan Fe akan lebih stabil membentuk senyawa oksida dengan bilangan +3
Efektifitas Fe dan Fe2O3
• Fe2O3 yang di pakai masih ada kandungan H2O yang merusak keseimbangan stoikiometri
• Kandungan H2O berasal dari pencucian Fe2O3 dengan aquades karena memakai metode Kopresipitasi dan pemanasan yang dilakukan belum dapat menguapkan kandungan air di dalam Fe2O3
