## PENDAHULUAN
Nanopartikel berbasis oksida logam transisi khususnya magnetit (Fe 3 O 4 ), telah menjadi perhatian banyak pakar ilmu dan teknologi selama beberapa dekade terakhir [1]. Sifat-sifat fisis nanopartikel Fe 3 O 4 terutama sifat
kemagnetan, optis, dan katalitiknya yang sangat menarik menjadikan magnetit sebagai oksida besi yang paling banyak dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi maju, seperti aplikasi untuk pemisah logam untuk pemurnian
Akreditasi LIPI Nomor : 452/D/2010 Tanggal 6 Mei 2010

## KAJIAN STRUKTUR KRISTAL DAN DIELEKTRISITAS NANOPARTIKEL MAGNETITE
BERBASIS PASIR BESI DOPING Zn 2+ HASIL SINTESIS METODE KOPRESIPITASI
Ahmad Taufiq 1,2 , S. Bahtiar 2 , Sunaryono 1,2 , Nurul Hidayat 1,2 , A. Fuad 2 ,
M. Diantoro 2 , Arif Hidayat 2 , Suminar Pratapa 1 dan Darminto 1
1 Jurusan Fisika, FMIPA-ITS Jl. Arief Rahman Hakim, Sukolilo, Surabaya 60111 2 Jurusan Fisika, FMIPA-Universitas Negeri Malang Jl. Semarang No. 6, Malang 65145 e-mail: a_taufiq_physics@yahoo.com

## ABSTRAK
KAJIAN STRUKTUR KRISTAL DAN DIELEKTRISITAS NANOPARTIKEL MAGNETITE BERBASIS PASIR BESI DOPING Zn 2+ HASIL SINTESIS METODE KOPRESIPITASI . Nanopartikel Fe 3 O 4 berbasis pasir besi doping ion Zn 2 + telah berhasil disintesis melalui metode kopresipitasi pada suhu rendah. Bahan-bahan yang digunakan adalah pasir besi sebagai bahan utama, ZnCl 2 , HCl dan NH 4 OH. Karakterisasi dilakukan menggunakan X-Ray Flourescence ( XRF ), X-Ray Diffraction ( XRD ) dan kapasitansimeter digital AD5822. Hasil uji XRF menunjukkan bahwa komposisi unsur sampel sesuai dengan stoikiometri. Identifikasi fasa menggunakan sotware High Score Plus dan DDView + PDF2 menunjukan bahwa seluruh sampel terbentuk dalam fasa spinel kubik. Hasil analisis refinement menggunakan sofware Reitica menunjukkan semakin banyak doping ion Zn 2+ pada Fe 3 O 4 , nilai parameter kisi kristal juga meningkat dengan ukuran kristal berorde nanometer. Hal ini sebagai konsekuensi dari pengaruh ukuran jari-jari ion Zn 2+ yang menggantikan ion Fe 2+ . Sementara hasil uji dielekrisitas menunjukkan dengan meningkatnya doping ion Zn 2+ pada Fe 3 O 4 , nilai dielektrisitasnya juga meningkat. Mekanisme ini adalah fenomena polarisasi ionik sebagai akibat dari menurunnya volume kristal dan jarak antar atom, sehingga momen dipol semakin besar.
Kata kunci : Struktur kristal, Dielektrisitas, Nanopartikel, Fe 3 O 4 , ion Zn 2 + , Kopresipitasi

## ABSTRACT
ANALYSIS OF CRYSTAL STRUCTURE AND DIELECTRIC OF Zn 2+ ION DOPED NANOPARTICLE MAGNETITE BASED ON IRON SAND SYNTHESIZED BY COPRECIPITATION METHOD . Zn 2+ ion doped Fe 3 O 4 nanoparticles based on iron sand have been successfully synthesized by coprecipitation method at low temperature. The starting materials were iron sand, ZnCl 2 , HCl, and NH 4 OH. Characterizations were conducted by means of X-Ray Flourescence (XRF), X-Ray Diffraction (XRD) and digital capacitance meter AD5822. XRF identification confirms that the elemental composition of all samples is appropriate with the stoichiometry calculation. Phase formation identification by using High Score Plus and DDView+PDF2 software reveals that all samples crystallize in cubic spinel structure. Rietveld refinement analysis by means of Reitica yields the doping of Zn 2+ ion on Fe 3 O 4 increases the lattice parameter with crystal size in the order of nanometer. This is in line with theoretical predictions as a consequence of the influence of Zn 2+ ionic radii that replace Fe 2+ . Furthermore, dielectricity analysis shows that the higher the amount of Zn 2+ doped Fe 3 O 4 nanoparticles the higher the dielectric constant. This mechanism is ionic polarization phenomenom as consequence of the decreasing in the crystal volume and the atomic distance that lead to increase the moment of dipole.
Keywords : Crystal structure, Dielectricity, Nanoparticles, Fe 3 O 4 , Zn 2 + ion, Coprecipitation.
air secara magnetik [2], Magnetic Resonance Imaging ( MRI ) [3], immobilisasi enzim bioseparasi [4], drug delivery and imaging [5] dan hypertemia theraphy system [6].
Luasnya aplikasi nanopartikel Fe 3 O 4 dalam sains dan teknologi, mengharuskan pentingnya pengembangan material ini dari berbagai sisi. Bahkan sampai sekarang para peneliti terus gencar mengembangkan penelitian dengan melakukan pendopingan pada nanopartikel Fe 3 O 4 dengan beragam metode sintesis dan prekursor yang pada umumnya masih relatif kompleks. Tidak hanya melakukan pendopingan yang sangat penting untuk mendapatkan material baru dengan karakteristik yang lebih baik dari sebelumnya [7], atau lebih dari sekedar mengimbangi tren penelitian yang ada, penelitian ini juga menawarkan alternatif metode sintesis magnetite Fe 3 O 4 berbasis pasir besi dari bahan alam menggunakan metode kopresipitasi sederhana pada suhu rendah, peralatan sederhana, serta waktu yang relatif cepat dalam bentuk Fe 3-x Zn x O 4 dalam ukuran dan distribusi nanometer.

## METODE PERCOBAAN
Bahan dasar utama yang digunakan adalah pasir besi dari daerah Lumajang Jawa Timur yang dimurnikan menggunakan magnet permanen sampai diperoleh kemurnian lebih dari 99,5 %. Pasir besi yang telah dimurnikan dilarutkan dalam HCl (12 M, 99,9 %) selama 20 menit, kemudian disaring mnggunakan kertas saring, selanjutnya larutan hasil saringan dicampur dengan ZnCl 2 (99,9%) kemudian ditetesi NH 4 OH (6,5 M, 99,9 %) secara terus menerus sebanyak 35 mL. Proses sintesis ini dilakukan sekitar 30 menit sampai dihasilkan endapan berwarna hitam. Selanjutnya endapan dicuci berulang-ulang dengan aquadest hingga tidak berbau pada pH 7. Selanjutnya endapan disaring dengan kertas saring dan dikeringkan dalam oven pada suhu 100 o C sekitar 1 jam.
Karakterisasi dilakukan dengan mengunakan XRF merek Philips, XRD X’Pert Pro PAnalytical dan kapasitansimeter digital tipe AD 5822. Sedangkan analisis data dilakukan dengan bantuan Software Reitica , High Score Plus ( HCP ) yang terintegrasi dengan software
DDView 2009 + PDF2 , Microcal Origin dan software Findit .

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil Uji X-Ray Diffraction
Hasil uji difraksi sinar-X sampel nanopartikel Fe 3-x Zn x O 4 ditampilkan dalam Gambar 1.
Berdasarkan Gambar 1 di atas tampak adanya perubahan pada setiap komposisi doping . Selain adanya puncak yang semakin melebar seiring dengan bertambahnya doping , juga terdapat pergeseran puncak difraksi ke arah kiri. Pergeseran puncak-puncak difraksi pada bidang (311), (400)), (422), (511) dan (533) ke arah kiri disebabkan adanya perubahan struktur kristal, yaitu menurunnya parameter kisi kristal. Pola tersebut mengindikasikan bahwa ion Zn 2+ telah berhasil menggantikan sebagian ion Fe 2+ pada sampel Fe 3-x Zn x O 4 . Sebagai gambaran, struktur kristal untuk sampel x = 1 atau Fe 2 ZnO 4 dapat dilihat pada Gambar 2. Berdasarkan Gambar 2 terlihat bahwa sebagian posisi ion Fe 2+ telah digantikan oleh ion Zn 2+ . Banyaknya ion Fe 2+ yang digantikan bersesuaian dengan komposisi ion Zn 2+ yang diinjeksikan mewakili komposisi X. Lebih lanjut, hasil analisis pencocokan fase menggunakan High Score Plus menunjukkan bahwa semua sampel mengkristal dengan struktur spinel kubik mengikuti struktur kristal Fe 3 O 4. Hasil analisis struktur kristal Fe 3-x Zn x O 4 disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1 memberikan informasi bahwa parameter kisi dan volume kristal Fe 3-x Zn x O 4 berubah lebih kecil pada setiap tingkatan dopant . Perubahan volume sel ini
Tabel 1 . Ukuran dan struktur spinel kubik nanopartikel Fe 3-x Zn x O 4 (0  x  1)
x a (Å) α V (Å 3 ) Ukuran (nm) 0 8,396 90 591,89 23,26 0,2 8.389 90 590,42 19,16 0,5 8,383 90 589,16 16,56 0,8 8,377 90 587,78 16,02 1,0 8,370 90 586,29 14,59
Gambar 2 . Pola Difraksi Fe 3-X Zn x O 4 . Gambar 1 . Pola Difraksi Sinar-X Fe 3-X Zn x O 4 . 20 30 40 50 60 70 80 90 4 4 0 5 3 3 5 1 1 4 2 2 4 0 0 3 1 1 2 2 0 x=1 x=0.8 x=0.5 x=0.2 x=0 In te n s it y (a .u .)
terjadi karena penyisipan ion Zn 2+ yang memiliki jari-jari lebih kecil dari pada ion Fe 2+ menyebabkan ukuran agregat (Fe, Zn) semakin kecil. Dengan demikian, peluang aplikasi lanjutan untuk sampel dengan ukuran yang semakin mengecil dalam skala nanometer menjadi tantangan tersendiri yang menarik untuk dikaji lebih jauh. Salah satu hasil penelitian terbaru pada tahun 2011 menunjukkan bahwa untuk sampel Fe 3-x Zn x O 4 pada x = 1 atau Fe 2 ZnO 4 nanopartikel menunjukkan kualitas yang baik pada aplikasi ferofluida [8].
Hasil Uji X-Ray Flourescence
Tabel kandungan unsur berdasarkan hasil uji XRF disajikan pada Tabel 2. Berdasarkan Tabel 2 diatas dapat diketahui bahwa seiring dengan bertambahnya doping ion Zn 2+ , maka kandungan Fe dalam senyawa Fe 3- x Zn x O 4 (0  x  1) juga menurun. Hal ini jelas menunjukan bahwa ion Zn 2+ telah berhasil menyisip masuk ke dalam sistem nanopartikel Fe 3-x Zn x O 4 . Hasil uji XRF ini juga memperkuat data hasil uji XRD yang menunjukkan bahwa seiring dengan meningkatnya doping ion Zn 2+ , tidak terbentuk fasa kristal baru pada sist em Fe 3-x Zn x O 4 . Artinya bertambahnya komposisi doping ion Zn 2+ secara keseluruhan masuk pada struktur kristal spinel kubik.

## Hasil Uji Dielektrisitas
Dielektrisitas Nanopartikel Fe 3-x Zn x O 4 yang dinyatakan oleh nilai konstanta dielektrik dievaluasi dalam variasi frekuensi. Secara serempak hubungan antara peningkatan jumlah komposisi doping ion Zn 2+ dan konstanta dielektrik serta invers volume kristal Nanopartikel Fe 3-x Zn x O 4 ditampilkan dalam Gambar 3.
Berdasarkan Gambar 3 dapat diamati bahwa semakin besar frekuensi semakin menurun nilai dielektrisitas sampel. Secara implisit, fenomena ini erat sekali kaitannya dengan mekanisme polarisasi dari muatan pembawa spinel kubik Fe 3-x Zn x O 4 dengan meningkatnya frekuensi, polarisasi menjadi menurun [9] dan pada gilirannya menurunkan nilai konstanta dielektrik. Berlawanan dengan pengaruh frekuensi sebagai faktor eksternal, volume kristal, faktor intstrinsik dalam bahan, yang semakin kecil malah meningkatkan sifat dielektrik nanopartikel Fe 3-x Zn x O 4 .
Mekanisme mikroskopik yang terjadi adalah terjadinya polarisasi yang berkorelasi dengan pergeseran muatan pada sampel. Gerakan dipol listrik akibat medan listrik dalam material dalam jangkauan perpindahan pendek karena elektron-elektron valensi lebih sulit berpindah akibat bertambahnya doping ion Zn 2+ pada Fe 3 O 4, menyebabkan ikatan inti terhadap elektron terluar akan semakin kuat dan elektron terluar semakin sulit lepas serta momen dipol semakin besar. Lebih dari itu, meningkatnya dielektrisitas juga disumbang oleh polarisasi pada kompleks tetrahedral struktur spinel Fe 3-x Zn x O 4 . Pada kompleks tetrahedral ini, polarisasi memiliki nilai tertentu walaupun sampel belum diberi medan listrik.

## KESIMPULAN
Nanopartikel spinel kubik Fe 3-x Zn x O 4 fasa tunggal berbasis pasir besi telah berhasil disintesis dengan metode kopresipitasi pada suhu rendah. Bertambahnya doping ion Zn 2+ mampu menurunkan parameter kisi kristal d an ukuran p artikel d an meningkatkan dielektrisitas nanopartikel Fe 3-x Zn x O 4 . Lebih lanjut, variasi frekuensi juga berkontribusi menurunkan nilai konstanta dielektrisitas senyawa Fe 3-x Zn x O 4 mengikuti pola teoritis.

## DAFTAR ACUAN
[1]. A. DURDUREANUANGHELUTA, A. DASCALU, A. FIFERE, A. COROABA, L.PRICOP, H.CHIRIAC, V. TURA, M. PINTEALA, B. C. SIMIONESCU, J. of Magnetism and Magnetic Materials , 324 (2012) 1679-1689
[2]. Y. F. SHEN, J. TANG, Z. H. NIE, Y. D. WANG, Y. REN, L. ZUO, Separation and Puriûcation Technology , 68 (2009) 312-319
[3]. C. SUN, J. S. H. LEE, M. ZHANG, Advanced Drug Delivery Reviews , 60 (2008) 1252-1265
[4]. D. G. LEE, K. M. PONVEL, S. HWANG, I. S. AHN, C. H. LEE, Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic , 57 (2009) 62-66
[5]. OMID VEISEH, JONATHAN W. GUNN, MIQIN ZHANG, Advanced Drug Delivery Reviews , 62 (2010)284-304
Tabel 2 . Komposisi Fe dan Zn Hasil Uji XRF. No Bahan Fe (%) Zn (%) 1 Fe 3 O 4 99,7 0 2 Fe 2,8 Zn 0,2 O 4 93,6 6,4 3 Fe 2,5 Zn 0,5 O 4 83,4 16,6 4 Fe 2,2 Zn 0,8 O 4 73,9 26,1 5 Fe 2 ZnO 4 63,5 36,5 Gambar 3 . Pola Dielektrisitas Fe 3-x Zn x O 4 . 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 20 40 60 80 100 120 140 f = 200 KHz f = 100 KHz f = 10 KHz f = 1 KHz Variasi Doping x K o n s ta n ta D ie le k tr ik 1.7x10 -3 1.7x10 -3 1.7x10 -3 1.7x10 -3 1.7x10 -3 1.7x10 -3 1 /V (1 /A 3 )
[6]. M. SUTO, Y. HIROTA, H. MAMIYA, FUJITA, R. KASUYA, K. TOHJI, JEYADEVAN, J. of Magnetism and Magnetic Material , 321 (2009)
1493-1496
[7]. A. TAUFIQ, TRIWIKANTORO, S. PRATAPA, DARMINTO, Jurnal Nanosains dan Teknologi , 1 (2) (2008) 67-73
[8]. J.A. GOMES, G.M. AZEVEDO, J. DEPEYROT, J. MESTNIK-FILHO, G.J. DASILVA, F.A.TOURINHO,
R. PERZYNSKI, Journal of Magnetism and Magnetic Material , 323 (2011) 1203-1206
[9]. V. S.YADAV, K. DEVENDRA, SAHU,Y. SINGH, M. KUMAR, D. C. DHUBKARYAE , Frequency and Temperature Dependence of Dielectric Properties of Pure Poly Vinylidene Fluoride (PVDF) Thin Films , AIP Conf. Proc. , 1285 (2010) 267-278