Sintesis dan Simulasi Atomik Oksida Aurivillius Rolan Rusli Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung 2006

Pendahuluan Oksida Aurivillius merupakan senyawa struktur berlapis terdiri atas lapisan perovskit (lapisan [A n-1 B n O 3n+1 ] 2- ) dan lapisan [Bi 2 O 2 ] 2+. Kation A merupakan atom berukuran besar, mempunyai koordinasi dodekahedral. Kation B merupakan unsur transisi dengan koordinasi oktahedral n adalah jumlah oktahedral pada lapisan perovskit (1 < n < 5)

Struktur Oksida Aurivillius

Aplikasi Material Feroelektrik sebagai penyimpan memori Fe-RAM (ferroelectric non-volatile memories) Kapasitor Piezoelektrik Konduktor Katalis Material Magnetik

Tujuan Penelitian Untuk mengetahui sifat magnetik oksida Aurivillius Sr 2 Bi 4 Ti 5-x Fe x O 18 dengan x = 0,25; 0,5; 0,75 dan 1. Untuk membandingkan data hasil eksperimen menggunakan XRD dengan simulasi atomic menggunakan software GULP

Metode Percobaan Metode Solid State Karakterisasi difraksi sinar-X serbuk, dengan difraktometer sinar-X PW1710, radiasi Cu – Kα. Pola difraksi dianalisis dengan menggunakan metode Le Bail program Rietica. Sifat magnetik diukur dengan Magnetic Susceptibility Balance (MSB) Simulasi Atomik GULP

Metode Solid State Bi 2 O 3 SrCO 3 TiO 2 Fe 2 O 3 Sr 2 Bi 4 Ti 5-x Fe x O 18 Ditimbang sesuai dengan komposisi stoikiometri oksida target Dicampur, ditambahkan aseton p.a. Digerus dengan menggunakan mortar agate Campuran Bi 2 O 3, SrCO 3, TiO 2, dan Fe 2 O 3 Dimasukkan ke dalam krus alumina Dibakar pada suhu 850°C, 950°C dan 1100°C selama 24 Jam secara bertahap Digerus ulang pada setiap selesai tahap pembakaran setelah didinginkan

Hasil dan Pembahasan Oksida Aurivillius yang disintesis dalam penelitian ini adalah Sr 2 Bi 4 Ti 4,75 Fe 0,25 O 18, Sr 2 Bi 4 Ti 4,5 Fe 0,5 O 18, Sr 2 Bi 4 Ti 4,25 Fe 0,75 O 18, dan Sr 2 Bi 4 Ti 4 FeO 18 Pola difraksi sinar-X nya khas untuk fasa aurivillius

Difraksi Sinar- X Difraksi Sinar-X oksida Sr 2 Bi 4 Ti 4 FeO 18

Difraksi Sinar- X Difraksi Sinar-X oksida Sr 2 Bi 4 Ti 4.25 Fe 0.75 O 18

Difraksi Sinar- X Difraksi Sinar-X oksida Sr Bi 4 Ti 4.5 Fe 0.5 O 18

Difraksi Sinar- X Difraksi Sinar-X oksida Sr 2.25 Bi 4 Ti 4.75 Fe 0.25 O 18

Parameter Hasil Refinement Parameter Sel SBTSBTF-1SBTF-2SBTF-3SBTF-4 Space Grup B2cb a (Å)5,4647(2)5,621(1)5,533(7)5,565(5)5,542(8) b (Å)5,4625(2)5,492(9)5,464(7)5,491(9)5,474(9) c (Å)48,8515(7)49,78(4)48,595(2)49,097(1)48,947(1) Rp (%)4,676,306,075,865,48 Rwp (%)6,068,768,777,697,18 χ21,430,3520,5340,3480,245 Z44444 SBT = Sr 2 Bi 4 Ti 5 O 18 [1], SBTF-1 = Sr 2 Bi 4 Ti 4 FeO 18, SBTF-2 = Sr 2 Bi 4 Ti 4,25 Fe 0,75 O 18, SBTF-3 = Sr 2 Bi 4 Ti 4,5 Fe 0,5 O 18, dan SBTF-4 = Sr 2 Bi 4 Ti 4,75 Fe 0,25 O 18

Plot Le Bail Plot Le Bail Sr 2 Bi 4 Ti 4 FeO 18 Rp = Rwp = χ2 = 0.452

Plot Le Bail Plot Le Bail Sr 2 Bi 4 Ti 4.25 Fe 0.75 O 18 Rp = Rwp = χ2 = 0.554

Plot Le Bail Plot Le Bail Sr 2 Bi 4 Ti 4.5 Fe 0.5 O 18 Rp = Rwp = χ2 = 0.444

Plot Le Bail Plot Le Bail Sr 2 Bi 4 Ti 4.75 Fe 0.25 O 18 Rp = Rwp = χ2 = 0.297

Momen Magnet SenyawaMr(g/mol) μ hit. (BM) μ eks. (BM) Sr 2 Bi 4 Ti 4 FeO Sr 2 Bi 4 Ti 4,25 Fe 0,75 O Sr 2 Bi 4 Ti 4,5 Fe 0,5 O Sr 2 Bi 4 Ti 4,75 Fe 0,25 O

Kemagnetan Semakin besar fraksi Fe dalam senyawa semakin tinggi nilai momen magnetnya Oksida Aurivillius yang disintesis ini diduga berada pada keadaan spin tinggi. Perhitungan nilai momen magnet hanya keadaan spin, terdapat perbedaan dengan hasil eksperimen, diduga karena adanya interaksi antar atom dan orientasi atom- atomnya.

Simulasi Atomik GULP Julian Gale dari Royal Institute - Inggris, Program simulasi mekanika klasik Teknik simulasi atas dasar model potensial interatomik Digunakan model Born sebagai interaksi Coulomb range panjang dan range pendek serta gaya van der Waals.

Potensial Interatomik a) Short-rangeA (eV)  (Å) C (eV Å 6 ) Ba 2+.. Ba Ba 2+.. O Sr 2+.. O Ca 2+.. O Bi 3+.. Bi Bi 3+.. O La 3+..O Fe 3+..O Ti 4+.. O Mo 4+..O Nb 5+.. O Ta 5+.. O W 5+.. O O 2-.. O

b) Shell model SpeciesK (eV Å 2 )Shell(e) Ba Sr Ca Bi La Fe Ti Mo Nb Ta W O Pot… lanjutan

Perbandingan Parameter Kisi ParameterCalculatedExperiment Bi 2 Mo 0.25 W 0.75 O 6 a (Å) (7) b (Å) (2) c (Å) (7)  =  =  (°) 90 Energi Kisi kJ/mol Bi 2.6 La 0.4 TiNbO 9 a (Å) (2) b (Å) (2) c (Å) (11)  =  =  (º) 90 Energi Kisi kJ/mol

Perb… Lanjutan Bi 3 TiNbO 9 a (Å) (2) b (Å) (2) c (Å) (9)  =  =  (º) 90 Energi Kisi kJ/mol SrBi 2 Ta 2 O 9 a (Å) (2) b (Å) (1) c (Å) (5)  =  =  (º) 90 Energi Kisi kJ/mol

Perb… Lanjutan Bi 2 Sr 1.5 Ca 0.5 Nb 2 TiO 12 a = b (Å) (3) c (Å) (4)  =  =  (º) 90 Energi Kisi kJ/mol SrBi 4 Ti 4 O 15 (25°C) a (Å) (1) b (Å) (1) c (Å) (8)  =  =  (º) 90 Energi Kisi kJ/mol

Perb… Lanjutan SrBi 4 Ti 4 O 15 (650°C) a = b (Å) (4) c (Å) (5)  =  =  (º) 90 Energi Kisi kJ/mol

Dari hasil simulasi menunjukkan adanya kecocokan antara nilai parameter sel dan posisi atomik dari hasil eksperimen dan hasil simulasi

Kesimpulan Oksida Aurivillius yang disintesis adalah Sr 2 Bi 4 Ti 4,75 Fe 0,25 O 18, Sr 2 Bi 4 Ti 4,5 Fe 0,5 O 18, Sr 2 Bi 4 Ti 4,25 Fe 0,75 O 18, dan Sr 2 Bi 4 Ti 4 FeO 18 menunjukkan fasa Oksida Aurivillius berdasarkan pola difraksi sinar-X nya Oksida Aurivillius yang disintesis memiliki grup ruang B2cb dan Z = 4. Oksida Aurivillius yang disintesis berada pada keadaan spin tinggi, dimana semakin besar fraksi Fe dalam senyawa semakin tinggi nilai momen magnetnya Terdapat Kecocokan antara Hasil Simulasi Atomik dengan Hasil Eksperimen (Data XRD)

Terima Kasih

Bi 2.2 La 0.8 TiNbO 9 a (Å) (3) b (Å) (2) c (Å) (10)  =  =  (º) 90 Energi Kisi Bi 2.4 La 0.6 TiNbO 9 a (Å) (2) b (Å) (2) c (Å) (9)  =  =  (º) 90 Energi Kisi

Bi 2.8 La 0.2 TiNbO 9 a (Å) (2) b (Å) (3) c (Å) (11)  =  =  (º) 90 Energi Kisi BaBi 2 Ta 2 O 9 a = b (Å) (1) c (Å) (6)  =  =  (º) 90 Energi Kisi

CaBi 2 Ta 2 O 9 a (Å) (1) b (Å) (1) c (Å) (4)  =  =  (º) 90 Energi Kisi Bi 1.8 Sr 2.2 Ti 0.8 Nb 2.2 O 12 a = b (Å) (1) c (Å) (1)  =  =  (º) 90 Energi Kisi

Bi 2 SrCaNb 2 TiO 12 a =b (Å) (3) c (Å) (4)  =  =  (º) 90 Energi Kisi Bi 2 Sr 1.5 Ba 0.5 Nb 2 TiO 12 a = b (Å) (2) c (Å) (3)  =  =  (º) 90 Energi Kisi

Bi 2 SrBaNb 2 TiO 12 a = b (Å) (2) c (Å) (3)  =  =  (º) 90 Energi Kisi Bi 5 Ti 1.5 W 1.5 O 15 a (Å) (3) b (Å) (3) c (Å) (3)  =  =  (º) 90 Energi Kisi

Bi 2 Sr 2 Nb 2 TiO 12 a = b (Å) (2) c (Å) (3)  =  =  (º) 90 Energi Kisi Bi 5 TiNbWO 15 a (Å) (2) b (Å) (2) c (Å) (1)  =  =  (º) 90 Energi Kisi

Bi 5 Ti 3 FeO 15 a (Å) (1) b (Å) (1) c (Å) (1)  =  =  (º) 90 Energi Kisi