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