JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 1, (Sept, 2012) ISSN: 2301-928X B-11

Abstrak—Multiferoik BiFeO3 telah berhasil disintesis denganmetode Sol Gel yang berbasis pasir besi (Pantai Jolosutro, Blitar.Pada penelitian ini digunakan metode Sol Gel dengan variasisuhu kalsinasi antara 250°C - 500°C dengan waktu penahananselama 1 jam pada tungku tabung yang dialiri gas nitrogen. Hasilsintesis dikarakterisasi dengan uji XRD (X-ray Difraction).Multiferoik BiFeO3 yang disintesis menggunakan metode sol gelmemiliki kemurnian 93,13%. Ukuran kristal yang dihasilkanpada rentang suhu kalsinasi tersebut antara 7,2 nm – 62,4 nm.Nilai susebtibilitas bahan semakin meningkat yangmengidentifikasikan bahan bersifat feromagnetik.

Kata Kunci— Sol Gel, Multiferoik BiFeO3, Pasir Besi

I. PENDAHULUAN

EBERAPA tahun terakhir bahan BiFeO3 menjadi temariset yang banyak dikembangkan. Hal ini disebabkan

material BiFeO3 memiliki sifat multiferoik yang tinggi,multiferroik merupakan suatu bahan atau material yangmemperlihatkan sifat feroelektrik dan feromagnetik secarabersamaan. Dengan kata lain bahan Multiferoik ini memilikilebih dari satu sifat dalam satu material.

Salah satu aplikasi dari bahan multiferroik ini yaitu sebagaimagnetoelektrik dalam suhu ruang karena memiliki sifatferroelektrik dan anti-ferromagnetik pada temperatur Curiedan temperatur Neel cukup tinggi yaitu 810oC dan 375oC.Akan tetapi aplikasi praktis dalam pemanfaatan multiferoikBiFeO3 masih terkendala untuk mendapatkan fase tunggalBiFeO3. Hal ini terjadi karena permasalahan kebocoran yangtimbul dari non-stoikiometri sehingga menimbulkan pengotor.Metode dalam mensintesis fase tunggal BiFeO3 yang telahdikembangkan antara lain kopresipitasi, sol-gel, mekanik, dansintesis hidrotermal. Selain itu bahan Multiferroik jugaberpotensi menawarkan jangkauan menyeluruh pada aplikasiterbaru. Salah satu nya yaitu pada bidang spintronik. Mediapenyimpanan data baru dan multiple-state memory. Bahandasar yang akan digunakan pada penelitian ini yaitu pasir besiyang berasal dari pantai Jolosutro yang terletak di desaRingenrejo, kecamatan Wates Blitar. Pasir besi yang terdapatdi daerah Blitar ini memiliki kandungan Fe yang cukup tinggiyaitu 88,29 %, data tersebut didapat setelah melakukan ujiXRF. Sehingga sangat memungkinkan pasir besi tersebut diolah menjadi material yang lebih advance. Oleh sebab itusangat disayangkan jika sumber daya alam yang sangatberpotensi ini tidak dikembangkan dan hanya di eksploitasioleh perusahaan asing. Bahan dasar pasir besi sampai saat ini

sudah telah berhasil disintesa menjadi ferrofluid, Fe2O3, Fe3O4,bahkan telah digunakan dalam sintesa nano-multiferoikBiFeO3 menggunakan metode kopresipitasi. Akan tetapi belumberhasil diperoleh fase tunggal BiFeO3. Sehingga diperlukananalisa lebih lanjut untuk mensintesa multiferoik BiFeO3 daripasir besi menggunakan metode kopresipitasi denganmengatur suhu pemanasan, kecepatan pemanasan sertapendinginan guna memperoleh fase tunggal multiferoik [4].

Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk: (a).Mengetahuiproses sintesis multiferoik BiFeO3 dengan metode sol-geldengan bahan dasar Fe2O3 yang disintesis dari pasir besiBlitar. (b).Mengetahui faktor – faktor yang mempengaruhiterhadap pembentukan fase BiFeO3. (c).Mengetahui pengaruhatmosfer yang digunakan pada proses kalsinasi BiFeO3.(d).Mengetahui fase yang terbentuk serta ukuran kristal bahanmultiferoik BiFeO3. (e).Mengetahui nilai suseptibilitas padasampel BiFeO3.

Penelitian dilakukan dengan memiliki beberapa manfaatbagi beberapa pihak, yaitu: (a).Mengembangkan penelitiandan penguasaan pada bidang material khususnya dalam halsintesa dan karakterisasi multiferoik BiFeO3 yangbermanfaat dalam teknologi dan pengembangan ilmiah. (b).Mengembangkan penelitian dalam rangka meningkatkanpendayagunaan sumber daya alam Indonesia yang dalam halini berupa pasir besi. (c).Memberikan kontribusi dalambidang penelitian yang berkesinambungan sehingga dapatdikembangkan baik dalam bidang penelitian maupunpenerapan teknologi secara berjenjang. (d).Menghasilkanjurnal atau paper ilmiah yang mampu memberikan informasimengenai sintesis multiferoik BiFeO3 dengan metode sol-geldengan raw material Fe2O3 yang disintesis dari pasir besi.

II. URAIAN PENELITIAN

A. Pasir Besi Alam

Pasir merupakan bahan alam yang tersedia sangat melimpahdi Indonesia. Pasir biasa dimanfaatkan untuk bahan bangunansebagai campuran semen dalam pembuatan tembok sebagaipelapis batu bata. Pasir besi pada umumnya mempunyaikomposisi utama besi oksida (Fe2O3 dan Fe3O4), silikon oksida(SiO2), serta senyawa-senyawa lain dengan kadar yang lebihrendah. Komposisi kandungan pasir dapat diketahui setelahdilakukan pengujian, misalnya dengan menggunakan XRD (X-

Sintesis Multiferoik BiFeO3 Berbasis Pasir Besidengan Metode Sol Gel

Mariya Arifani, Malik A.Baqiya, DarmintoFISIKA, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111E-mail: darminto@physics.its.ac.id

B

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 1, (Sept, 2012) ISSN: 2301-928X B-12

Ray Difraction) atau XRF (X-Ray Flouresence), sehinggadapat digunakan dalam penelitian ini.

B. Multiferoik BiFeO3

Multiferoik merupakan bahan yang menarik karenamemiliki sifat magnet dan listrik sekaligus. Penambahan atomdopan ke dalam bahan multiferoik sangat berpengaruh padasifat fisis yang dimiliki bahan tersebut, diantaranya adalahkonstanta dielektrik. Bahan multiferoik akan memiliki sifatlistrik dan sifat magnet sekaligus. Multiferoik merupakanpenggantian unsur-unsur senyawa yang mempunyai strukturyang sama, seperti BiFeO3 dan YmnO3 yang merupakancontoh feroelektrik dan feromagnet. Senyawa BiMnO3

menunjukan sifat sebagai feroelektrik pada saat disinteringdengan suhu curie Tc = 450 K dan feromagnetik pada suhu105 K.

Sifat magnetik terjadi karena adanya interaksi pertukaranantara dipol magnetik, yang berasal dari kulit orbital berisielektron. Sifat elektrik terjadi akibat adanya dipol listrik lokal.Sifat elastis merupakan sifat hasil perpindahan atom karenastrain. Terjadinya simultan magnet dan listrik sangat menarikkarena menggabungkan sifat yang bisa dimanfaatkan untukpenyimpanan informasi, pengolahan, dan transmisi. Hal inimemungkinkan kedua medan magnet dan medan listrik untukberinteraksi dengan magnet dan listrik [2].

C. Struktur Kristal BiFeO3

Bismut ferit memiliki struktur perovskite rhombohedralterdistorsi dengan grup ruang R3c. Ion – ion Bi dan O secarabersama membentuk bangunan cubic close packing dengan ionFe menempati posisi interstisial oktahedron. Struktur kristalmultiferoik BiFeO3 ditunjukkan seperti ada Gambar 2.4 dibawah ini. Multiferoik BiFeO3 memiliki kristal yang berbentukkubik perovskite. Dengan menggunakan software crystalmaker dapat dilihat dengan jelas bentuk kristalnya seperti padaGambar 1

Gambar 1. Struktur kristal kubik perovskite BiFeO3

Posisi atom-atom dalam kristal kubik perovskite ditunjukkandalam Tabel 2.2 di bawah ini. Site A menunjukkan kation dalamhal ini adalah Bi3+, site B juga merupakan kation dengan muatanyang sama dalam hal ini adalah Fe3+ dan site O adalah atomoksigen yang merupakan anion dengan muatan O2- [6].

Distorsi yang lebih dikenal dan memungkinkan untukterjadinya distorsi ini yaitu menjadi stuktur rhombohedraldengan space group R 3 c. Bentuk strukturnya ditunjukkanpada Gambar 2.5 . Ukuran atom yang bertindak sebagai kationakan mempengaruhi bentuk distorsi Kristal.

Gambar 2. Unit sel perovskite rhombohedral R3c.Bola berwarna birumenunjukkan kation , bola kuning sebagai kationdan bola merah sebgai atomoksigen.

D. Metode Sol GeL

Metode sol-gel dikenal sebagai salah satu metode sintesisnanopartikel yang cukup sederhana dan mudah. Metode inimerupakan salah satu “wet method” karena pada prosesnyamelibatkan larutan sebagai medianya. Pada metode sol-gel,sesuai dengan namanya larutan mengalami perubahan fasemenjadi sol (koloid yang mempunyai padatan tersuspensidalam larutannya) dan kemudian menjadi gel (koloid tetapimempunyai fraksi solid yang lebih besar daripada sol). Bahan-bahan yang biasanya digunakan sebagai katalis adalah urea,polyvinyl alcohol atau asam sitrat. Proses sol-gel merupakanproses yang banyak digunakan untuk membuat keramik danmaterial gelas. Pada umumnya, proses sol-gel, melibatkantransisi sistem dari sebuah liquid “sol” menjadi solid “gel”.Melalui proses sol-gel, maka produksi keramik atau materialgelas dalam berbagai jenis dan bentuk dapat dilakukan.

III. METODOOGI PENELITIAN

A. Diagram Alir Penelitian

Gambar 2. Diagram alir penelitian perovskite BiFeO3

Bi2O3 +HNO3

Fe2O3.H2O +HNO3

Bi – Fe Sol

Bi – Fe Gel kering

Bi – FePowder

di tambahkan Asam Asetat

Di tambahkan Etylene Glycol

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 1, (Sept, 2012) ISSN: 2301-928X B-13

B. Prosedur Kerja

Tahap persiapan ini meliputi menyiapkan semua peralatanyang akan digunakan dalam penelitian. Peralatan yangdigunakan dalam penelitian ini antara lain gelas beker ukuran(50,100,250,500) ml, gelas ukur ukuran (5,10,100) ml,thermometer, magnetic bar, hot-plate stirrer, spatula kaca danlogam, crucible, combustion boat, alumunium foil, pipet, pipetukur 1 ml, corong kaca, cawan keramik, magnet permanen,kertas saring, pH paper, mortar, furnace, furnace tubular,timbangan analitik. Bahan-bahan yang digunakan dalamsintesis multiferoik BiFeO3 adalah pasir besi sebagai bahandasar pembuatan Fe2O3, serbuk Bi2O3 Aldrich 99,9%, larutanHCl 37%, aquades DM, HNO3 65%, Asam Asetat, EtyleneGlycol, dan gas nitrogen. Sedangkan peralatan yang digunakanuntuk karakterisasi fasa digunakan difraktometer sinar-X(XRD).

IV. HASIL DATA DAN PEMBAHASAN

Pasir besi alam nantinya akan digunakan sebagai bahandasar pembuatan Fe2O3 dengan menggunakan metodekopresipitasi yang di ekstrak terlebih dahulu kemudian akan disintesis lagi dengan bahan dasar lain yaitu Bi2O3 menggunakanmetode Sol Gel yang nantinya akan menghasilkan materialbaru yaitu BiFeO3.

Gambar 3. Pola Difraksi dari Pasir Besi [1].

Pasir besi alam tersebut disintesis menggunakan metodekopresipitasi untuk mendapatkan Fe2O3 yang nantinya akandisintesis menggunakan metode sol gel untuk menghasilkanBiFeO3. Berdasarkan hasil uji XRD, serbuk Fe2O3 yangmelalui proses kopresipitasi ulang terbukti menghasilkan faseFe2O3 dengan kemurnian 100% dan dapat larut secarasempurna pada pelarut HNO3.

Gambar 4. Pola difaksi serbuk Fe2O3 yang melalui proses kopresipitasi ulang.

Sintesis multiferoik BiFeO3 menggunakan metode Sol gel.Bahan dasar yang digunakan untuk sintesis multiferoik BiFeO3

yaitu pasir besi alam yang disintesis terlebih dahulu menjadiFe2O3.H2O. Sintesis BiFeO3 tersebut dengan memvariasikansuhu pemanasan dengan variabel kontrol lama pemanasan.

Gambar 5. Pola difraksi sampel BiFeO3 dengan variasi kenaikan suhu danholding time selama 1 jam pada furnice tubular

Pada pola difraksi hasil sintesis BiFeO3 dengan metode solgel dapat dilihat pada gambar 4.4. Pada gambar tersebutmenunjukkan bahwa semakin tinggi suhu kalsinasi makasemakin tajam dan sempit puncak yang terbentuk. Hal tersebutmenunjukan adanya pertumbuhan kristal yang terjadi. Karenapada saat suhu kalsinasi semakin meningkat akan terjadiproses oksidasi dan pertumbuhan fasa BiFeO3 mulai terbentuk.Dimana pada saat sampel dikalsinasi pada suhu 250°C fasayang terbentuk sebagian besar masih amorf, hal tersebut dapatdilihat pada pola difraksi sampel yang landai dan belumterbentuk peak yang sempurna. Sedangkan pada sampel yangdi kalsinasi pada suhu 300°C - 350°C mulai muncul peak yangmenyatakan bahwa telah muncul fase BFO. Hal tersebut sesuaidengan hasil analisa data menggunakan Software Expert HighScore Plus yang menyatakan bahwa pada range suhu 300°C -350°C sudah terbentuk fase BFO murni fase tersebut yaituBi2Fe4O9 dengan nomor PDF 020-0836. Hal tersebut dikarenakan zat – zat organik di dalam prekursor tersebut mulaiterbakar dan membusuk. Transformasi fasa pada prekursorBFO untuk menjadi fase perovskit di mulai pada suhukalsinasi 400°C. Fasa BFO benar – benar mengkristal danmenjadi fase perovskit pada suhu kalsinasi 450°C - 500°C.

Salah satu faktor terbentuknya fasa sekunder padasintesis multiferoik BiFeO3 ini yaitu adanya perbedaan tingkatkeelektronegativan dari masing – masing prekursor. Dimanapada sintesis BiFeO3 dengan menggunakan metode sol geldigunakan etylene glycol (C2H6O2) yang berfungsi sebagaipelarut untuk oksida logam. Etylene glycol sangat baik untukmembentuk larutan yang stabil karena etylene glycol memilikimolekul linier dan dapat bertindak sebagai templete padastruktur padatan. Selain itu etylene glycol pada saat sintesisBiFeO3 ini juga berfungsi untuk menjaga keelektronegativandari komponen Bi maupun Fe selama proses hidrolisissehingga akan didapatkan larutan yang stabil, dimana larutandikatakan stabil saat konsentrasi akhir prekursor dalam kisaran

: BiFeO3 : Bi2Fe4O9

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 1, (Sept, 2012) ISSN: 2301-928X B-14

0,05M – 0,2M. Selain itu juga digunakan asam asetat yangberfungsi sebagai katalis pada sistem sol yang mana dapatmengontrol kecepatan hidrolisis dan juga mengatur konsentrasilarutan [5].

Selain metode sintesis yang dapat mempengaruhi hasil akhirdari sintesis tersebut, atmosfir pada furnice juga sangatmempengaruhi. Berikut akan disajikan data perbedaan hasilakhir sintesis BiFeO3 yang dikalsinasi menggunakan furnicedengan atmosfir oksigen dan hasil sintesis BiFeO3 yangdikalsinasi pada furnice tubular yang di aliri gas nitrogen.

Gambar 6. Perbandingan pola difraksi BiFeO3

BiFeO3 dengan prosentase fraksi volume tinggi terbentukpada saat suhu kalsinasi yang rendah yaitu 500°C dan holdingtime dalam waktu yang cepat yaitu selama 1 jam pada furnicetubular yang dialiri gas nirogen. Hal ini sesuai denganpenelitian yang telah dilakukan [5]. Fasa BiFeO3 yang tinggiakan diperoleh dengan pemanasan pada suhu rendah danholding time dengan cepat yaitu kurang dari 1 jam. Pemanasanpada suhu rendah dan holding time yang cepat akanmemperkecil kemungkinan terbentuknya fasa pengotor ataufasa sekunder [3].

Ukuran kristal semakin meningkat seiring denganmeningkatnya suhu kalsinasi dan juga seiring denganpertumbuhan fasa BiFeO3. Pada suhu kalsinasi pada suhu250°C dengan holding time selama 1 jam memiliki ukurankristal yang paling kecil yaitu 7,21 nano meter pada suhutersebut fasa BiFeO3 belum terbentuk. Hal tersebut dapat jugadilihat pada pola difraksi yang masih amorf dengan peak yanglandai dan belum sempurna. Dan seiring dengan kenaikan suhukalsinasi ukuran kristalpun semakin meningkat. Terbukti padasampel yang dikalsinasi pada suhu 500°C memiliki ukurankristal yang paling besar yaitu 62,36 nano meter. Semakintinggi suhu yang diberikan maka nilai R juga semakinmeningkat dan akan membuat nilai suseptibilitas bahansemakin tinggi yang mengidentifikasikan bahan tersebutbersifat feromagnetik. Dimana bahan feromagnetik adalah sifatmaterial yang mudah termagnetisasi dengan suseptibilitasmagnetik yang sangat besar. Ferromagnetik bergantung padasuhu, berkurang dengan turunnya suhu dan hilang pada suhuCurie. Pada suhu 500°C memiliki nilai R yang tinggi yaitu>1000 sehingga alat yang digunakan tidak dapat mendeteksinilai R pada sampel tersebut.

V. KESIMPULAN/RINGKASAN

Kesimpulan dari penelitian yang telah dilakukan yaitumetode sol gel terbukti efektif digunakan untuk mensintesisBiFeO3 karena mampu mengurangi timbulnya fasa pengotor.Ukuran kristal yang tebentuk dari sintesis ini pun juga telahberukuran nanopartikel. Nilai susceptibilitas pada sampel yangmenunjukkan sampel tersebut memiliki sifat paramagnetik.

UCAPAN TERIMA KASIH

“Penulis M.A. mengucapkan terimakasih kepadaLaboratorium Material di Jurusan Fisika, Fakultas Matematikadan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi SepuluhNopember Surabaya yang telah menyediakan tempat sertaperalatan yang dibutuhkan selama peneletian”

DAFTAR PUSTAKA

[1] Arifani, Mariya.2011. “Identifikasi dan Karakterisasi Pasir BesiDipantai Selatan Kabupaten Blitar”. Institut Teknologi SepuluhNopember:Surabaya.

[2] Bakar.M.Abu, et al.2007. “Journal of Magnetism and MgneticMaterial”.314.

[3] Carvalho, P.B. Tavares,(2008),"Synthesis and ThermodynamicStability of Multiferroic BiFeO3",Materials Letters 62 (2008) 3984–3986

[4] Fitriyah,Nurul.(2011).”Sintesis Bahan Multiferoik BiFeO3 denganMetode Kopresipitasi”.Institut Taknologi SepuluhNopember;Surabaya.

[5] Jia Huan Xu et al,(2009).” Low Temperature synthesis of BiFeO3

Nanopowder Via a Sol Gel Method”, Journal of Alloy and Compounds437-477.

[6] Levy Mark,(2005),”Crystal Structure and Defect Property Predictionsin Ceramic Materials”, Department of Materials Imperial College ofScience,Technology and Medicine : London.

= BiFeO3

= Bi2Fe4O9

= Bi2O3

= Bi36Fe2O57

= Bi24Fe2O39