158-461-1-pb

5/15/2018 158-461-1-PB - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/158-461-1-pb 1/6

Jurnal Matematika dan Sains

Vol. 9 No. 3, September 2004, hal 279-284

Sintesis dan Karakterisasi Senyawa BerstrukturAurivillius Empat danLima Lapis dan Penentuan Sifat Feroelektriknya

Edi Mikrianto dan Ismunandar*

Departemen Kimia, FMIPA, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha 10 Bandung 40132*)[email protected]

Diterima Oktober 2003, disetujui untuk dipublikasikan Agustus 2004

Abstrak

Oksida Aurivillius dengan rumus Na0,5 Bi4,5Ti4O15 (NBT), K 0,5 Bi4,5Ti4O15 (KBT), Sr 4 Bi2 Nb2Ti3O18 (SBNT), Ba4 Bi2 Nb2Ti3O18 (BBNT) dan Bi5Ti5FeO18 (BTF) telah disintesis dengan metode reaksi kimia padat. Oksida yangdiperoleh berupa padatan polikristalin berwarna putih kecuali Bi5Ti5FeO18 yang didapatkan berwarna merah bata.Penentuan tipe struktur kristal dilakukan menggunakan data difraksi sinar-X serbuk dan penelusuran struktur dengan program Phasanx dengan data base PDF. Hasil analisis difraktogram senyawa-senyawa yang disintesis

dihasilkan Aurivillius fasa tunggal yang mempunyai group ruang A21am sistem kristal ortorombik dengan parameter sel satuan masing-masing a = 5,427(2) Å , b = 5,459(3) Å dan c = 40,78(2) Å untuk Na0,5 Bi4,5Ti4O15; a =

5,430(1) Å, b = 5,459(3) Å dan c = 41,34(1) Å untuk K 0,5 Bi4,5Ti4O15 ; a = 5,5439(9) Å , b = 5,5258(6) Å dan c =50,747(5) Å untuk Sr 4 Bi2 Nb2Ti3O18; a = 5,540(2) Å, b = 5,579(4) Å dan c = 50,962(8) Å untuk oksida Ba4 Bi2 Nb2Ti3O18; a = 5,520(1) Å, b = 5,569(3) Å dan c = 50,36(1) Å untuk oksida Bi5Ti5FeO18. Berdasarkan hasil pengukuran sifat feroelektrik senyawa-senyawa Na0,5 Bi4,5Ti4O15 , K 0,5 Bi4,5Ti4O15, Sr 4 Bi2 Nb2Ti3O18 , Ba4 Bi2 Nb2Ti3O18 dan Bi5Ti5FeO18 nilai Pr(+) dan Pr(-) (Polarisasi remanen) masing-masing adalah 0,049 µ Ccm-2; 0,051 µ Ccm-2;0,045 µ Ccm-2; 0,050 µ Ccm-2 dan 0,050 µ Ccm-2.

Kata Kunci : Aurivillius, feroelektrik, polikristalin, difraksi sinar-X, reaksi kimia padat.

Abstract

Aurivillius oxides with composition of Na0,5 Bi4,5Ti4O15 (NBT), K 0,5 Bi4,5Ti4O15 (KBT) , Sr 4 Bi2 Nb2Ti3O18 (SBNT),

Ba4 Bi2 Nb2Ti3O18 (BBNT)and Bi5Ti5FeO18 (BTF) have been synthesised using the solid state reaction. The obtained oxides were polycrystalline. All the oxides were white, except that Bi5Ti5FeO18 was brick red in colour. Structuretype determination was carried out using Phasanx software and PDF data base. It can be concluded that all oxidesadopted orthorhombic crystal system and space group A21am with unit cell parameter a = 5.427(2) Å , b = 5.459(3) Å and c = 40.78(2) Å for Na0,5 Bi4,5Ti4O15; a = 5.430(1) Å, b = 5.5258(6) Å and c = 50.747(5) Å for K 0,5 Bi4,5Ti4O15 ;a = 5.5439(9) Å ; b = 5.5258(6) Å and c = 50.747(5) Å for Sr 4 Bi2 Nb2Ti3O18 ; a = 5.540(2) Å, b = 5.579(4) Å and c =50.962(8) Å for Ba4 Bi2 Nb2Ti3O18 ; whilst for Bi5Ti5FeO18 a = 5.520(1) Å, b = 5.569(3) Å and c = 50.36(1) Å.Ferroelectric properties measurement showed that polarization remanent Pr(+) and Pr(-) 0.049 µ Ccm-2 for Na0,5 Bi4,5Ti4O15 ; 0.051 µ Ccm-2 for K 0,5 Bi4,5Ti4O15; 0.045 µ Ccm-2 for Sr 4 Bi2 Nb2Ti3O18; 0.050 µ Ccm-2 for Ba4 Bi2 Nb2Ti3O18 and 0.050 µ Ccm-2 for Bi5Ti5FeO18.

Keywords : Aurivillius, ferroelectric, polycrystalline, X-Ray diffraction, solid state reaction.

279

1. Pendahuluan

Oksida Aurivillius ini merupakan suatukeluarga senyawa yang terdiri dari struktur berlapisyang terdiri atas lapisan [An-1BnO3n+1]

2- yang disebutdengan lapisan perovskit dan lapisan [Bi2O2]

2+ 1-4).Kation A merupakan ion-ion yang bermuatan +1, +2atau +3 yang mempunyai koordinasi dodekahedral.Kation A yang berukuran besar ini diantaranyaadalah beberapa logam alkali, alkali tanah, unsur tanah jarang atau campurannya. Sedangkan kation Bmerupakan suatu unsur transisi dengan koordinasioktahedral yang berukuran lebih kecil dari kation Adan n merupakan bilangan bulat (1 ≤ n ≤ 5) yangmenunjukkan jumlah oktahedral pada lapisan perovskit.

( a ) ( b )

Gambar 1. (a) Koordinasi kation-kation dalam oksidaAurivillius; (b) Struktur oksida Aurivillius simetri I4/mmm dengan jumlah n oktahedral n = 2.

5/15/2018 158-461-1-PB - slidepdf.com


280 JMS Vol. 9 No. 3, September 2004

Oksida Aurivillius mempunyai beberapasifat fisik yang karakteristik salah satunya adalahsifat feroelektrik. Sifat feroelektrik pertama kalidiidentifikasi oleh Subbarao tahun 1960-an padaoksida Aurivillius ABi2 Nb2O9 (A = Sr, Ba, dan Pb)

yang mempunyai temperatur Curie (Tc) masing-masing 420 oC, 210 oC dan 560 oC 5).

Sifat feroelektrik ini sangat potensialterutama bagi industri elektronika yang berkembangsangat cepat. Material ini dapat diaplikasikan sebagaikapasitor, maupun FRAMs (Ferroelectric Random Access Memorys)6). Melihat fungsinya, maka perludilakukan eksplorasi oksida-oksida Aurivillius baru.Pada umumnya struktur Aurivillius disusun olehkation A yang memiliki jari-jari ~ 1Å dan kation Byang memiliki jari-jari ~ 0,6 Å.

Pada penelitian ini dilakukan sintesis oksidaAurivillius tipe Na0,5Bi4,5Ti4O15 (NBT) dan

K 0,5Bi4,5Ti4O15 (KBT) yang memiliki empat lapisoktahedral di lapisan perovskitnya sertaSr 4Bi2 Nb2Ti3O18 (SBNT), Ba4Bi2 Nb2Ti3O18 (BBNT)dan Bi5Ti5FeO18 (BTF) yang memiliki lima lapisoktahedral, dengan menggunakan metode reaksikimia padat pada tekanan atmosfir. Terhadap oksida-oksida Aurivillius yang dihasilkan, dilakukankarakterisasi dengan menggunakan metoda difraksisinar-X (XRD). Untuk menganalisis produk yangterbentuk digunakan database PCPDFWIN (PDF,Powder Difraction File ). Sifat feroelektrik materialhasil sintesis juga dilaporkan.

2. Bahan dan MetodaOksida Aurivillius yang akan disintesis

oksida Aurivillius tipe NBT; KBT untuk empat lapisdan SBNT, BBNT dan BTF untuk lima lapis dibuatdengan mereaksikan oksida-oksida penyusunnyasesuai dengan stoikiometri yang diinginkan. Oksida-oksida penyusun dari oksida Aurivillius yang akandisintesis adalah Bi2O3 (99,99% Aldrich), TiO2

(99,99% Aldrich), Na2CO3 (99,99% Aldrich), KNO3 (Merck), Nb2O5 (99,99% Aldrich), BaCO3 (99,99%Aldrich), Fe2O3 (99,99% Aldrich), SrCO3 (99,99%Aldrich). Setiap campuran yang dibuatdihomogenkan dengan penggerusan dan dengan bantuan pembasah pelarut organik aseton yangmudah menguap.

Campuran pereaksi dipanaskan pada suhu di bawah titik leleh pereaksi yang memiliki titik lelehterendah (~100 °C di bawah titik leleh reaktandengan titik leleh terendah) selama 24 jam. Sampelkemudian digerus ulang dan dipanaskan ulangdengan suhu 100 °C lebih tinggi dari pemanasansebelumnya selama 24 jam. Perlakuan ini diteruskansampai diperkirakan reaksi telah berlangsungsempurna, yaitu jika sudah ada perubahan yangmenandakan terjadinya suatu reaksi. Tanda-tanda itu

antara lain berubahnya warna sampel dan tekstur (mengeras dan kasar) dari sampel.Jika reaksi telah diperkirakan terjadi, sampel

dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X (XRD). Dari

difraktogram yang dihasilkan dapat diketahui apakahsenyawa target telah terbentuk atau belum. Jikasenyawa target belum terbentuk, pemanasandilajutkan pada suhu yang lebih tinggi dan atauwaktu pemanasan yang lebih lama dan dilakukan

karakterisasi ulang. Pola difraksi yang didapatkandianalisis dengan menggunakan program Phasanx7) dengan menggunakan database PDF (Powder Diffraction File). Penentuan parameter sel dilakukandengan pengindeksan pola difraksi dengan bantuan program Reitica8).

Sifat feroelektrik senyawa oksida Aurivilliushasil sintesis ditentukan dengan menggunakanistrumen tipe RT66A Feroelektrik Sistem–RadiantTechnology. Sampel dibuat dalam bentuk pelet dandipanaskan pada temperatur ¾ dari temperatur sintesis selama 24 jam hingga membentuk keramik.Keramik yang telah diolesi pasta perak pada kedua

sisi lalu kedua sisi ditempelkan kaca evaporator dandipanaskan pada temperatur 150 oC selama 3 jamsehingga membentuk kapasitor. Seting pengukuransifat feroeleketrik dilakukan pada teganganmaksimum (Vmax) 7 Volt dan kapasitor pembobot0,05 µF dengan jumlah titik 300 buah.

3. Hasil dan Pembahasan

Oksida-oksida Aurivillius tipe NBT dan KBT,SBNT, BBNT dan BTF yang telah disintesis berupaserbuk polikristalin berwarna putih kecuali oksidaAurivillius tipe BTF berwarna merah bata.

Hasil difraksi sinar-X menunjukkan bahwaoksida Aurivillius NBT dan KBT empat lapis padagambar 2 dan 3 terbentuk setelah pemanasan padasuhu 1100 °C selama 24 jam dan 48 jam. Dari hasil penelusuran struktur dengan program Phasanx dandengan menggunakan database PDF data file nomor 43-0972 disimpulkan bahwa terbentuk oksidaAurivillius tipe NBT dan KBT fasa tunggal. Padagambar 2 dan 3 difraktogram menunjukkankemiripan, namun pola difraksi produk sintesis pada1100 oC nampak lebih tajam, yang menunjukkanderajat kristalinitas yang lebih tinggi. Kedua oksidamulai terdekomposisi pada suhu 1200 °C. Data

parameter sel hasil pengindeksan disajikan pada tabel3.1.

48 Jam

24 Jam

Gambar 2. Difraktogram oksida Aurivillius tipe Na0,5Bi4,5Ti4O15 hasil reaksi setelah pemanasan1100oC selama 24 jam dan 48 jam.

5/15/2018 158-461-1-PB - slidepdf.com


JMS Vol. 9 No. 3, September 2004 281

Gambar 3. Difraktogram oksida Aurivillius tipeK 0,5Bi4,5Ti4O15 hasil reaksi setelah pemanasan1100oC selama 24 jam dan 48 jam.

Tabel 3.1 Parameter sel hasil pengindeksan dengan program Proszki oksida Aurivillius NBT dan KBT.

Sedangkan oksida Aurivillius tipe SBNTdan BBNT mulai terbentuk setelah pada temperatur 1000 oC dan 1100 oC selama 24 jam Dari hasil penelusuran struktur dengan program Phasanx dandengan menggunakan database PDF data file nomor 21-0101 disimpulkan bahwa terbentuk oksidaAurivillius tipe SBNT dan BBNT fasa tunggal. Pada

gambar 4 dan 5 masing-masing diberikandifraktogram produk sintesis pada temperatur 1000oC dan 1100 oC yang menunjukkan kemiripan.Seperti pada kasus NBT dan KBT, pola difraksi produk sintesis pada temperatur 1100 oC lebihkristalin.

Oksida Aurivillius tipe BTF terbentuk padatemperatur 900 oC namun ketika pemanasandilanjutkan pada temperatur 1000 oC muncul puncak baru pada 30,40o (2θ) (gambar 6) yangmengindikasikan terjadi perubahan struktur atausenyawa mulai terdekomposisi. Parameter sel hasil pengindeksan pola difraksi untuk ketiga oksidadisajikan pada tabel 3.2.

Gambar 4. Difraktogram oksida Aurivillius tipeSBNT hasil reaksi setelah pemanasan 1000oC selama24 jam dan pemanasan 1100 oC selama 24 jam

1100OC

48 Jam

1000O

C

24 Jam900OC

Gambar 5. Difraktogram oksida Aurivillius tipeBBNT hasil reaksi setelah pemanasan 900oC, 1000 oCdan 1100 oC selama 24 jam.

Oksida AurivilliusParameter

NBT KBT

S. Kristal Ortorombik ortorombik G. Ruang A21am A21am

a : 5,427(2) A : 5,430(1)b : 5,459(3) B : 5,459(3)

Parametersel satuan ( Å )

c : 40,78(2) C : 41,34(1)

1000OC

900OC

Gambar 6. Difraktogram oksida Aurivillius tipeBi5Ti5FeO15 hasil reaksi setelah pemanasan 900oCselama 24 jam dan pemanasan 1000 oC selama 24 jam

Tabel 3.2 Hasil pengindeksan program Proszkioksida Aurivillius SBNT, BBNT dan BTF.

Oksida AurivilliusParameter

SBNT BBNT BTFS. Kristal ortorombik ortorombik ortorombik G. Ruang A21am A21am A21am

a : 5,5439(9) a : 5,540(2) a : 5,520(1)

b : 5,5258(6) b : 5,579(4) b : 5,569(3)

Parametersel satuan (Å)

c: 50,747(5) c : 50,96(2) c : 50,36(1)

Pengukuran sifat feroelektrik pada semuaoksida Aurivillius hasil sintesis dilakukan pada Vmaxdari 7 Volt dan kapasitor pembobot 0,05 µF dengan jumlah titik 300 buah. Rangkuman hasil pengukuransifat feroelektrik untuk senyawa oksida Aurivillius

tipe NBT dan KBT untuk jumlah lapis oktahedralempat disajikan pada tabel 3.3, sedang pola histerisisdari dua oksida Aurivillius tipe NBT dan KBTditunjukkan pada gambar 7 dan 8.

Tabel 3.3 Data hasil pengukuran sifat feroelektrik senyawa oksida Aurivillius tipe NBT dan KBT.

1100OC

Oksida AurivilliusPengukuranNBT KBT

Ps 16,2 16,2Pr(+) 0,049 0,051Pr(-) 0,049 0,051

Kef 189.248 193.083Kapasitans (nF) 252,5677 263,2777

1000OC

5/15/2018 158-461-1-PB - slidepdf.com



Kuat medan listrik (kV cm-1)Kuat medan listrik (kV cm-1)

Gambar 7. Pola histerisis senyawa Aurivillius tipe NBT

Kuat medan listrik (kV cm-1)Kuat medan listrik (kV cm-1)

Gambar 8. Pola histerisis senyawa Aurivillius tipe KBT.

Nampak perbedaan pola histerisis padakedua senyawa Aurivillius, yakni KBT mempunyaihisterisis yang lebih lebar dibandingkan NBT.

Demikian juga untuk nilai koefisien dielektrik dankapasitans KBT juga lebih besar dari NBT.

Tabel 3.4 Data hasil pengukuran sifat feroelektrik senyawa oksida Aurivillius tipe SBNT, BBNT danBTF.

Oksida AurivilliusPengukuran SBNT BBNT BTF

Ps 16,2 16,2 16,2Pr(+) 0,045 0,050 0,050Pr(-) 0,045 0,050 0,050Kef 188.250 214.962 212.527

Kapasitans(nF) 256,6879 293,1104 289,7900

Pola histerisis oksida Aurivillius tipe SBNT,BBNT dan BTF ditunjukkan pada gambar 9. 10. dan11. Dari hasil pengukuran polarisasi kedua senyawa

Aurivillius lima lapis tipe, nampak bahwa polahisterisis senyawa oksida Aurivillius tipe SBNT lebihsempit dibanding BBNT. Nilai koefisien dielektrik dan kapasitans BBNT juga lebih besar dibandingkandengan nilai-nilai untuk SBNT.

5/15/2018 158-461-1-PB - slidepdf.com


JMS Vol. 9 No. 3, September 2004 283

Gambar 9. Pola histerisis senyawa Aurivillius tipe SBNT

Gambar 10. Pola histerisis senyawa Aurivillius tipe BBNT.

Sedangkan hasil pengukuran pada oksidaAurivillius tipe BTF menunjukkan bahwa harga Pssebesar 16,2 µCcm-2 dan harga Pr(-) dan Pr(+)sebesar 5,0 µCcm-2. Harga koefisien dielektrik sebesar 212.257 dan nilai kapasitansnya sebesar 289,7900 nF. Pola histerisis untuk BTF disajikandalam gambar 11.

5/15/2018 158-461-1-PB - slidepdf.com



Kuat medan listrik (kV cm-1) Kuat medan listrik (kV cm-1)

Gambar 11. Pola histerisis senyawa Aurivillius tipe BTF

Hubungan sifat-sifat ini dengan struktur kristaloksida saat ini sedang diteliti dan akan dilaporkansegera.

4. Ucapan Terimakasih

Ismunandar mengucapkan terimakasih atasdukungan dana dari HB X dan TWAS. Bantuan pengukuran pola difraksi dan sifat feroelektrik dariDepartemen Fisika juga turut melancarkan penelitianini. Studi Edi Mikrianto di Magister ITB dibiayaioleh dana TPSDP.

5. Daftar Pustaka

1. B. Aurivillius, Mixed Oxides with Layer Lattices, Ark. Kemi 1, 499 (1949).

2. Ismunandar, B.J., Kennedy, Gunawan &Marsongkohadi: “Structure A bi2 NB2O9 A=Sr,Ba:Refinement of Neutron Powder Diffraction Data“ J.Solid State Chem., 126,135 (1996).

3. Ismunandar, B.A., Hunter & B.J., Kennedy,Cation disorder in the ferroelectric Aurivillius

phase PbBi2 Nb2O9: an anomalous dispersion X-ray diffraction study, Solid State Ionics, 112(3-4),281 (1998).

4. Ismunandar, & B.J., Kennedy, “Effect of temperature on cation disorder in A bi2 NB2O9 ( A=Sr,Ba)“ J. Mater. Chem., 9, 541 (1999).

5. E.C., Subbarao, Crystal chemistry of mixed bismuth oxides with layer-type structure, J. Phys.

Chem. Solids 23, 665 (1962).6. C.A.P., de Araujo, J.D., Cuchlaro, L.D.,

McMillan, M., Scott, & J.F., Scott, Fatigue-freeferroelectric capacitors with platinum electrodes, Nature (London) 374, 627 (1995).

7. XraySite.Com. http://www.xraysite.com/. diaksestanggal 20 September 2003.

8. C.J., Howard & B.A., Hunter A Computer Program for Rietveld Analysis of X-Ray and Neutron Powder Diffraction Patterns (NSW,Australia: Lucas Heights Research Laboratories)1-27., (1998).

158-461-1-pb

Documents