2321112123_Studi Pembuatan Super Konduktor.pdf

7/29/2019 2321112123_Studi Pembuatan Super Konduktor.pdf

1/7

Kontribusi Fisika IndonesiaVol. 13 No.1, Januari 2002

Studi Pembentukan Superkonduktor Ba1-xKxBiO3 Melalui Proses Elektrokimia

Rahmat Hidayat

1,2,*)

, Darminto

3)

, M.O. Tjia

1)

1)Laboratorium Fisika Material Organik Terkonjugasi dan Superkonduktor (FISMOTS),

Departemen Fisika ITB, Jl. Ganesa 10, Bandung 401322)Jurusan Ilmu dan Teknik Material ITB, Jl. Ganesa 10, Bandung 40132

3)Jurusan Fisika FMIPA ITS, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111

E-mail : [email protected]

AbstrakTelah dibuat film superkonduktor Ba1-xKxBiO3 melalui proses elektrokimia potensiostat yang dilengkapi

dengan proses aniling. Karakterisasi yang dilakukan meliputi pengukuran kurva resistivitas-suhu untuk

menentukan suhu kritis bahan, serta karakterisasi struktur yang dilakukan dengan pengukuran difraksi

sinar-X, dan pengamatan pola Scanning Electron Microscopy (SEM). Pengukuran kurva transisi resistif

menunjukkan suhu kritis Tc0 yang bervariasi antara 10K dan 11K dan Tc

on yang berkisar antara 13K dan

18K, bergantung pada tegangan elektroda yang digunakan dalam proses sintesis. Tc0

tertinggi 11K dicapaipada sampel hasil sintesis dengan tegangan 0,65 V. Hasil analisis data lebih jauh menunjukkan adanya

kemungkinan untuk meningkatkan kualitas sampel dengan tegangan sintesis lebih tinggi dan proses anil

yang lebih tepat.

Kata kunci: Superkonduktor, BaKBiO, Elektrokimia, Potensiostat, tegangan

AbstractSuperconducting films of Ba1-xKxBiO3 have been synthesized by means of potentiostatic electrochemical

method incorporating a post annealing process. The critical temperature was determined from resistivity

characterization, while structural characterization was carried out by X-ray diffraction and Scanning

Electron Microscopy (SEM) measurements. The resistive transition curves show that Tc0

varies between 10K

and 11K and Tcon

varies between 13K and 18K depending on the electrode voltage used in the synthesis

process. The highest Tc0 of 11K was attained in the sample prepared with electrode voltage of 0,65 V.

Further analysis of the data reveals that higher quality sample may result from the synthesis by employing

higher electrode voltage and more appropriate annealing process.

Keywords:Superconductor, BaKBiO, Electrochemical, potentiostatic, voltage

*)Alamat tetap : Product and Development, Asia Pulp and Paper, J l. M.H Thamrin No. 51, J akarta 10350

1. Pendahuluan

Berbeda dari hampir semua sistemsuperkonduktor Tc tinggi (SKST) yang memilikilapisan senyawa oksida tembaga (kuprat) dalamstruktur kristalnya, senyawa Ba1-xKxBiO3 dengankomposisi x 0,4 dapat mencapai Tc setinggi 32

K walaupun tidak memiliki lapisan kuprat dalamkristalnya, sebagaimana dilaporkan dalam tahun19881,2). Di pihak lain, superkonduktor Ba1-xKxBiO3 memiliki struktur perovskite

3) yang jugamerupakan ciri struktur pokok dari SKST. Sistemini memiliki rapat arus kritik sebesar 2 x 105A/cm2 dengan Hc1 = 0,0045 T, Hc2 = 14,8 T,kedalaman penetrasi 1060 , dan panjangkoherensi 52 1).

Pembuatan superkonduktor Ba1-xKxBiO3telah dilakukan dengan berbagai cara, diantaranya adalah reaksi padat pada suhu 675oCselama 3 hari seperti yang digunakan

sebelumnya1). Dalam cara ini campuran serbukoksida KO2, Bi2O3 dan BaO diletakkan dalamtabung perak yang dialiri gas oksigen selamaproses sintering. Karena masalah stabilitas fasedan volatilitas oksida kalium pada suhu tinggi,maka sintesis superkonduktor sistem Ba1-xKxBiO3memerlukan penanganan khusus yang tidak

sederhana4). Dengan kata lain sintesisBa1-xKxBiO3 secara konvensional melalui oksida-oksidanya tidak mudah menghasilkan bahan yangmemiliki sifat superkonduktivitas. Cara lain yangtelah dikembangkan adalah proses elektrokimiadengan lelehan KOH sebagai elektrolit, danoksida Bi2O3 serta BaO atau Ba(OH)2.8H2Osebagai bahan pereaksinya3-12). Proseselektrokimia ini tetap harus dilakukan dalamaliran gas argon atau gas nitrogen untukmencegah terjadinya oksidasi pada suhu tinggi.

Dalam penelitian ini akan dilakukansintesis superkonduktor sistem Ba1-xKxBiO3

30


2/7

KFI Vol. 13 No. 1, 2002 31

secara elektrokimia melalui proses potensiostatdengan menambahkan air dan ZnO dalam larutanelektrolit. Metoda serupa dengan menggunakanproses galvanostat telah dilaporkan sebelumnya6).Dengan kehadiran air yang akan melarutkan KOHsecara langsung, tidak lagi diperlukan suhu tinggiuntuk pelelehan KOH. Kehadiran ZnO dalamlelehan KOH dimaksudkan untuk mempercepatproses pertumbuhan kristal denganmempermudah reaksi reduksi yang terjadi padakatoda. Proses yang baru diperkenalkan dalamliteratur ilmiah internasional ini mempunyaiberbagai keuntungan dibandingkan dengan carakonvensional yang memerlukan suhu lebih tinggidengan peralatan yang lebih khusus. Keberhasilan

eksperimen ini akan membuka peluang baru bagisintesis bahan superkonduktor dengan cara yangrelatif mudah dan murah.

2. Eksperimen

Sintesis superkonduktor Ba1-xKxBiO3diawali dengan mempersiapkan bahan campurandalam komposisi berat Ba(OH)2.8H2O : Bi2O3 :KOH = 1 : 1,2 1,5 : 10 100. Berdasarkanperbandingan tersebut, berat masing-masingbahan dasar yang digunakan dalam eksperimenini adalah sebagai berikut: 60 g KOH; 4,5 gBi2O3; 4 g Ba(OH)2.8H2O dan 1,2 g ZnO.

Selanjutnya suhu dan waktu dalam proseselektrolisis diambil tetap, sedangkan parameteryang divariasi adalah tegangan elektroda. Prosespotensiostat didahului dengan memasukan KOHdan 25 mL air bidest dalam krusibel aluminayang dilanjutkan dengan pemanasan hingga210oC dan diiringi dengan pengadukan. Setelahtercapai suhu tersebut, bahan-bahan lain berupaBa(OH)2.8H2O, Bi2O3 dan ZnO dimasukkankedalam krusibel, dan larutan elektrolit yangterbentuk siap digunakan untuk proses sintesiselektrokimia dalam krusibel dengan konfigurasielektroda yang diperlihatkan oleh Gambar 1.

Proses elektrokimia tersebut dilaksanakan dengantegangan 0,6; 0,65; 0,70 dan 0,75 V secaraterpisah, dan masing-masing proses sintesisberlangsung selama 45 jam.

Film yang terbentuk pada akhir prosessintesis dibersihkan dengan menggunakan airhasil destilasi. Semua film yang diperoleh diberiperlakuan anil pada suhu 400oC selama 24 jam.Karakterisasi Tc dari hasil tersebut dilakukandengan pengukuran kurva -T, dan karakterisasistruktur dilakukan dengan pengukurandifraktometri sinar-X (XRD) dan perekaman fotoscanning electron microscopy (SEM).

3. Hasil dan Pembahasan

Hasil pengukuran T pada sampel hasil

sintesis dengan tegangan elektroda 0,60 V - 0,75V diperlihatkan dalam Gambar 2. Dari perangkatkurva ini didapatkan bahwa Tc

0berkisar antara 10dan 11 K danTc

on bervariasi antara 13 dan 18 K,bergantung pada tegangan sintesis yangdigunakan. Hasil pengukuran tersebut dirangkumdalam Tabel 1. Jelas dari tabel ini bahwa Tc

0 danTc

on tertinggi dicapai oleh sampel yang dihasilkandengan tegangan 0,65 V. Perlu diperhatikanbahwa kurva (T) keempat sampel yangditampilkan dalam Gambar 2 memperlihatkan ciriyang sama, yaitu bersifat non-metalik pada suhudi atas Tc

on dan bersifat superkonduktor pada suhu

di bawah Tc0

. Perubahan ini paling menonjol padasampel yang dihasilkan dengan tegangan 0,60 V,dan makin berkurang dengan peningkatantegangan sintesis. Ini diduga berkaitan denganperalihan sifat listrik sampel yang mengarahkepada sifat metalik dengan meningkatnyategangan sintesis. Lebih lanjut, rentang nilai Tcyang dihasilkan dari eksperimen ini secara umumtampak lebih rendah dibandingkan nilai Tc = 16,5- 27 K dari sampel yang dilaporkan oleh olehZhao, dkk. melalui proses galvanostat6).

Tabel 1. Hasil pengukuran resistivitas suhu

pada tegangan sintesis yang berbeda

Tegangan(volt)

Tc nol (K) Tc onset (K)

0,60 tidak tercapai 180,65 11 180,70 10 170,75 tidak tercapai 13

Hasil pengukuran XRD diperlihatkandalam Gambar 3 untuk masing-masing sampelsecara terpisah. Untuk keperluan analisis data

tersebut telah dilakukan simulasi pola difraksiXRD superkonduktor Ba1-xKxBiO3 menggunakanbantuan program RIETAN dan PDP-11berdasarkan data mengenai posisi masing-masingatom serta perangkat data lainnya13) seperti yangtercantum dalam Tabel 2. Hasil simulasi iniditunjukkan oleh Gambar 4. Dari gambar initampak kehadiran puncak difraksi pada 2 20,55o; 29,13o; 36,43o; 42,31o; 47,59o; 52,67o;61,38o; 65,55o; 68,35o; 73,52o dan 77,38o denganciri paling menonjol yang ditandai intensitastertinggi pada 2 29,13o.


3/7

32 KFI Vol. 13 No. 1, 2002

Gambar 1. Konfigurasi elektroda dan rangkaian listrik bagi proses potensiostat

V

Anoda (CE)

Platina

Elektroda pembanding (RE)

Platina

Katoda (WE)

Platina

Pengatur SuhuPengatur KecepetanPengadukan

Arus

Hambatan

Krusibel alumina

Batang Pengaduk

0 50 100 150 200 250 300 350

0.014

0.016

0.018

0.020

0.022

0.024

0.026

0.028

0.030

0.032

0.034 (a)

Resistivitas(ohm

cm)

Suhu (K)

0 50 100 150 200 250 300 350

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035 (b)

Resistivitas(ohm

cm)

Suhu (K)

0 50 100 150 200 250 300 350

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010(d)

Resistivitas(ohmcm)

Suhu (K)

0 50 100 150 200 250 300 350

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.018

0.020

(c)

Resistivitas(ohmcm)

Suhu (K)

Gambar 2. Kurva hubungan resistivitas terhadap suhu Ba1-xKxBiO3 hasil sintesis secara potensiostat padategangan elektroda (a) 0,60 V, (b) 0,65 V, (c) 0,70 V, (d) 0,75 V


4/7

KFI Vol. 13 No. 1, 2002 33

(a )

222

310

300/221

220

211

210

110

100

(b )

222

310

300/2212

20

211

210

200

111

110

100

(c )

222

310

300/221

220

211

210

200

111

110

100

2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

(d )

2223

10

300/221

220

211

210

200

111

1101

00

2 T h e t a ( d e g)

Gambar 3. Spektrum XRD sampel hasil sintesis dengan tegangan (V):(a) 0,6 V (b) 0,65 V (c) 0,7 V (d) 0,75 V

Gambar 4. Hasil Simulasi Pola difraksi XRD superkonduktor Ba1-xKxBiO3 menggunakan Pdp11 dan

RIETAN


5/7

34 KFI Vol. 13 No. 1, 2002

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 5. Pola SEM dari Sampel Ba1-xKxBiO3 yang dihasilkan dengan tegangan elektroda (a) 0,60 V, (b)0,65 V, (c) 0,70 V, (d) 0,75 V


6/7

KFI Vol. 13 No. 1, 2002 35

Tabel 2. Data kristalografi BKBO8) yang digunakan dalam simulasi pola difraksi

Posisi Sel SatuanNo Atom Posisix y z

B(2)

Occupancy

1 K 1a 0 0 0 0,81 0,3742 Ba 1a 0 0 0 0,81 0,6263 Bi 1b 0,5 0,5 0,5 0,412 1,04 O 3c 0,5 0,5 0 1,79 1,0

Perbandingan Gambar 3 dengan Gambar 4menunjukkan bahwa pada umumnya posisipuncak difraksi sampel yang diukurmemperlihatkan pola dasar difraksi yang sesuaidengan hasil simulasi di atas, walaupun berbedadalam rincian distribusi intensitasnya. Secarakhusus dapat disebutkan adanya pelebarandifraksi pada 2 22o dalam Gambar 3 untuksemua sampel. Selain itu intesitas utama pada 2 29o tampak sedikit menurun denganmeningkatnya tegangan sintesis di atas 0,65 V,bersamaan dengan tumbuhnya puncak baru daribidang difraksi (111) pada 2 36o dan puncakdari bidang difraksi (200) pada 2 42o. Iniberarti bahwa pola difraksi sampel-sampeltersebut makin mendekati pola hasil simulasiuntuk tegangan sintesis lebih tinggi. Hasil sekilas

terkesan agak bertentangan dengan hasilkarakterisasi Tc, dan memerlukan penjelasan lebihlanjut dalam hubungannya dengan pembahasanhasil perekaman foto SEM.

Dalam Gambar 5 disajikan hasilkarakterisasi SEM untuk sampel yang diperolehdengan berbagai tegangan sintesis. Dari Gambar5(a) tampak adanya pola butiran yang teraturberbentuk agak bulat dengan ukuran butir sekitar15 m, dan pada bagian lain terlihat adanyasusunan butir yang berlapis, dengan sisipan"rongga" secara agak merata. Dari Gambar 5(b)terlihat bahwa batas butiran yang tidak jelas, dan

bentuk butiran bulat seperti yang tampak dalamGambar 5(a) sudah menghilang. Sebagai gantinyadalam gambar ini tampak terjadinya pola lapisanyang bertumpuk. Pola ini tidak terlihat lagi padaGambar 5(c). Pola yang tampak dalam gambar inimirip dengan sekumpulan kepingan yang pecahakibat tekanan antara sesamanya, ditandai oleh"celah" atau "rongga" (bahan isiannonsuperkonduktif) di antara serpih pecahantersebut. Pola SEM pada Gambar 5(d) tidakmenunjukkan adanya perbedaan yang berarti dariGambar 5(c), hanya "celah" atau "rongga" yangterbentuk dalam sampel ini terlihat semakin besar.Lebih lanjut dapat dikatakan bahwa keadaan dantekstur butir ini merupakan salah satu faktor yang

menentukan nilai Tc seperti telah disebutkan diatas.

4. Kesimpulan

Dalam eksperimen ini telah berhasil dibuatempat film superkonduktor Ba1-xKxBiO3 denganmenggunakan metode elektrokimia melalui prosespotensiostat dengan tegangan 0,6 0,75 V danproses anil pada 400oC. Masing-masing sampeltersebut dikarakterisasi dengan pengukuran (T)dan pola difraksi XRD serta pengamatan fotoSEM. Dari hasil karakterisasi yang dilakukandapat disimpulkan bahwa bahan yang memiliki Tctertinggi yaitu Tc

0 = 11 dan Tcon = 18 K

didapatkan dari hasil sintesis dengan tegangan0,65 V. Sampel tersebut juga menunjukkanadanya orientasi koloni butiran yang membentuk

susunan berlapis-lapis. Sebaliknya peningkatantegangan lebih lanjut tampak merusak strukturbutiran yang terorientasi secara berlapis tersebut,menimbulkan "celah" dengan isian bahannonsuperkonduktif yang makin besar pula.Namun dari pola difraksi XRD diperoleh indikasibahwa kualitas sampel yang lebih baik masihmungkin diperoleh dengan tegangan sintesis lebihtinggi dari 0,65 V apabila digunakan proses anilyang lebih tepat.

Ucapan Terima Kasih

Salah satu penulis (R.H.) mengucapkan

terima kasih kepada Tim URGE atas beasiswayang diterimanya untuk mengikuti program S-2 diJurusan Ilmu dan Teknik Material ITB. Penulisjuga mengucapkan terimakasih kepadaLaboratorium Geologi Kuarterner PPGL Bandunguntuk penggunaan SEM, dan kepada M. Diantoroatas bantuannya dalam analisis data XRD.

Daftar Pustaka

1. L.F Schneemeyer, J.K Thomas, T. Siegrist,B. Batlogg, L.W. Rupp, R.L. Opila, R.J.Cava and D.W. Murphy, Nature Vol. 335(1988) 421-423.


7/7

36 KFI Vol. 13 No. 1, 2002

2. S. Kondoh, M. Sera, K. Fukuda, Y.Ando andM. Sato, Solid State Commun. Vol. 67, No. 9(1988) 879-881.

3. P.D. Han, L. Chang and D.A. Payne, J.Cryst. Growth 128(1993) 798-803.

4. Michael L. Norton and Horng Yi Tang.Chem. Mater. 3 (1991) 431-434.

5. W.D. Moesley, J.Z. Liu, A. Matsushita, Y.P.Lee, P. Klavins and R.N. Shelton., J. Cryst.Growth 128(1993) 804-807.

6. L.Z. Zhao, B. Yin, J. B. Zhang, J. W. Li, C.Y. Xu, S. H. Liu, M. Xie, Y. Li, X. A. Chenand B. M. Chen, Physica C 282-287 (1997)721-722.

7. L.Z. Zhao, J.B. Zhang, C.Y. Xu and S.H. Liu,Solid State Commun. Vol. 108, No. 1 (1998)69-62.

8. S.N. Barilo, S.V. Shiryaev, V.I. Gatalskaya,J.W Lynn, M. Baran, H. Szymczak, R.Szymczak and D. Dew-Hughes, Phys. Rev. BVol. 58, No. 18(1998) 12335-12366.

9. S.N. Barilo, S.V. Shiryaev, V.I Gatalskaya,D.I. Zhigunov, A.V. Pushkarev, V.V.Fedotova, H. Szymczak, R. Szymczak, M.Baran, J.W. Lynn, N. Rosov, S.Skanthakumar, J. Cryst. Growth 198-199(1999) 636-641.

10. S.V. Shiryaev, S.N. Barilo, D.I. Zhigunov,V.V. Fedotova, V.I Gatalskaya, H.Szymczak, R. Szymczak, M. Baran,J. Cryst.Growth 211 (2000) 471-475.

11. S.V. Shiryaev, S.N. Barilo, S.N. Ustinovich,V.V. Fedotova, A.V. Pushkarev, L.A.Kurochkin, A.G. Soldatov, J.Cryst.Growth198/199 (1999) 631-635.

12. M.S Martin-Gonzalez, J. Garcia-Jaca, E.Moran, M.A. Alario-Franco, Physica C 297(1988) 185-191.

13. J.M. Newsam, S.K. Sinha, D. Vaknin andA.J. Jacobson, Phys. Rev. B Vol. 41 No. 7(1990) 4126 4144.

2321112123_Studi Pembuatan Super Konduktor.pdf

Documents

Transcript of 2321112123_Studi Pembuatan Super Konduktor.pdf