Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
PENGARUH SUBSITUSI ION (TI 2+ ,MN 4+ ) terhadap UKURAN PARTIKEL dan SIFAT MAGNET dari BARIUM HEKSAFERRIT  DENGAN METODA MILLING dan ULTRASONIK TEKANAN TINGGI
Novizal 1,a) , Edie Sasito 2,b) , Maykel T.E. Manawan 2
1 Institut Sains dan Teknologi Nasional, Moh. Kahfi 2, Jakarta Selatan, 12640, Indonesia
2 Refrigeration and Aircondition Departement, Politeknik Negeri Bandun, Bandung, Indonesia.
3 Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia.
Email : a) novizal@istn.ac.id, b) edie.s.didoyo@gmail.com

## Abstrak
Telah  dibuat  material  BaFe 12-2x Ti x Mn x O 19 ferrit    hasil  subsitusi  dari  BHF  dengan    (Ti 2+ -Mn 4+ ) untuk variasi  komposisi  x  =  0,0,  0,2,  0,4,  0,6  dan  0,8.  Material  diproses  dengan  metoda  Milling  dan dilanjutkan dengan sonikasi. Dilakukan analisa terhadap ukuran partikel dan sifat magnet dari material dengan menggunakan peralatan PSA (particle size analyzer), XRD (X-ray diffraction) dan Permagraph EP.3 magnetometer. Dari sampel yang dianalisa dengan XRD diperoleh ukuran Kristal dibawah 70 nm untuk semua sampel, dari PSA didapat ukuran partikel berkisar 200-400 nm, dari data ini berarti setiap butir partikel merupakan polikristalin. Dilakukan sonikasi selama 6 jam dan diperoleh distribusi partikel untuk  x  =  0.0  berkisar  49,21  nm  dan  untuk  x  =  0,6  dan  0,8  berkisar  120,2  -  209,5  nm.  Proses  ini menunjukkan  bahwa  proses  sonikasi  bisa  memperkecil  ukuran  partikel.  Sifat  magnetik  yang dikarakterisasi  menggunakan  magnetometer  menunjukkan  magnetisasi  saturasi  meningkat  hingga komposisi  x  =  0,4  dan  penurunan  untuk  substitusi  lebih  lanjut,  sedangkan  nilai  koersivitas  tetap menurun  monoton  dengan  meningkatnya  substitusi.  Penurunan  ukuran  partikel  dari  200-50  nm, memberi perubahan terhadap  sifat  magnet  material dari hard menjadi soft  magnet dengan koersivitas , tertera pada table 2.
Kata-kata kunci: BHF, substitusi, mechanical alloying, sonikasi, nanopartikel, saturasi, koersivitas.

## Abstract
This  research  has  been  made  on  the  material  BaFe 12-2x Ti x M  xO 19 ferrite  substituted  with  (Ti 2+ -Mn 4+ ) with  variation of composition x = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6 and 0.8. by  sonication.  Analyzing the particle size and  magnetic  properties  of  a  material  using  equipment  PSA  (particle  size  analyzer),  XRD  (X-ray diffraction) and Permagraph EP.3 magnetometer. The result of the XRD analyzed obtained crystal size below 70 nm for all samples, obtained from the PSA particle size range 200-400 nm, from the results of this  means  that  every  item  is  a  polycrystalline  particles.  The  prosesing  sonication  for  6  hours  and  the particle distribution obtained for x = 0.0 nm and ranges from 49.21 to x = 0.6 and 0.8 range 120,2- 209.5 nm.  This  process  shows  that  the  sonication  process  could  reduce  the  size  of  the  particles.  Magnetic properties  were  characterized  using  a  magnetometer  showed  saturation  magnetization  rises  to  the composition  x  =  0.4  and  decline  to  further  substitution,  while  the  value  of  coercivity  permanent decreases  monotonically  with  increasing  substitution.  So  that  decreasing  particle  size  of  200-50  nm, giving a change to the magnetic properties of the hard material becomes soft magnetic coercivity, listed in Table 2.
Keyword : BHF, substitution, mechanical alloying, sonication, nanoparticles, saturation,    coercivity.
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.012.04
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## 1. PENDAHULUAN
Barium hexaferrite (BaFe 12 O 19 ) sudah dikenal sebagai material magnet permanen dan merupakan salah satu material yang paling banyak digunakan dibidang media perekaman magnetik, yang tidak dapat  dengan  mudah  diganti  dengan  magnet  lain  [1,2,3].  Dari  sudut  pandang  ilmiah,  dan  aplikasi teknologi,  barium  hexaferrite  menyajikan  sesuatu  sifat  khusus,  seperti:  remanen  tinggi  dan koersivitas,  stabilitas  termal,  listrik  dan  kimia  [4,5].  Pemakaian  Material  ini  sebagai  perekam magnetik,  divais  gelombang  mikro  (microwave)  dan  absorber  [6]  sangat  diminati  sehingga  banyak usaha  dilakukan  untuk  memproduksi  subtitusi  kation  yang  mungkin  ke  dalam  BaFe 12 O 19 guna meningkatkan  sifat  magnetiknya.  Divalen  logam  transisi  seperti  Co,  Ti  [7]  dan  Mn  [8]  sering digunakan karena persamaan jari–jari ionik dan konfigurasi elektron. Di antara banyak material yang diteliti, material berbasis ferrite merupakan material yang berpeluang besar untuk digunakan sebagai microwave absorber [9,10,11]. Pembuatan yang relatif mudah dan termasuk pada golongan senyawa oksida sehingga mempunyai nilai resistivitas yang relatif tinggi dibanding material magnet berbasis logam, menjadi faktor utama yang menarik perhatian para peneliti sejak tahun 1940.
Pada  penelitian  ini  barium  heksaferit  disubtitusi  menggunakan  ion  (Ti 2+ -Mn 4+ ).  Pembuatan magnet permanen (barium heksaferit) dilakukan dengan metoda ball mill, dimana serbuk bahan dasar di  milling  bersama  selama  50  jam.  Selama  proses  milling  Interaksi  antar  butir  bahan  yang  sudah disubsitusi sangat berpengaruh terutama untuk ukuran butir yang semakin kecil. Hal ini disebabkan karena semakin kecil ukuran butir maka interaksi antar butir semakin besar dan mempengaruhi sifat kemagnetan  dari  material  yang  dihasilkan.  Struktur  kristalin  dari  nano  material  BaFe 12-2x Ti x Mn x O 19 ferit  dengan  variasi  komposisi  x  dari 0,0,  0,2,  0,4,  0,6  dan  0,8  dianalisis  menggunakan  data X-Ray Diffraction  (XRD).  Sifat  kemagnetan  dari  material  dapat  di  tunjukkan  dengan  hasil  data  yang diperoleh dari hasil pengukuran dengan Fermagraph.

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian ini  menggunakan  metode mechanical  alloying dengan planetary  ball  mill. Proses ini dimulai  dengan  kontak  atar  partikel  sampai  mencapai    suatu  fasa  homegenisasi  dengan  fracturing (penggetasan) yang mengakibatkan pengecilan ukuran partikel pada tumbukan-tumbukan berikutnya. Teknik preparasi sampel harus dilakukan untuk menghasilkan kualitas data yang baik. Untuk sampel yang  berbentuk  padatan  ( bulk ),  permukaan  sampel  harus  dihaluskan  untuk  mengurangi  efek kekasaran permukaan ( surface roughness ) dan pergeseran radial ( sample displacement ).
Karakteristik dilakukan dengan  XRD Phillips PW3710 menggunakan anoda Co, divergence slit 1/40,  receiving  slit  1/5  dan  dikalibrasi  dengan  Si-standard  pada  sudut  33.124 o menggunakan  menu pattern  treatment  pada  software  Phillips  Automated  Powder  Difraction  (APD).  Pengambilan  data dilakukan pada sudut 20-100 derajat dengan step scan 0.02 dan scan time 1 detik yang menghasilkan 4000 data selama ~ 1 jam.
Distribusi  ukuran  partikel  dikarakterisasi  dengan  Malvern  Zetasizer  Ver.  6.20  particle  size analyzer (PSA) dengan kemampuan sampai 20 nm. Untuk sampel magnetik seperti BHF, gaya tarik antar partikel-partikel magnetik yang sangat kuat perlu dipisahkan dengan penggunaan ultrasonik dan penambahan  surfaktan  untuk  menghindari  terjadinya  aglomerasi  sehingga  data  yang  dihasilkan merupakan ukuran partikel yang sesungguhnya.
Karakterisasi magnetik sampel dilakukan dengan menggunakan Permagraph EP.3 magnetometer dengan  medan induksi maksimum 1700  kA/m (21.5 kOe). Variabel yang dimasukan pada software data  akuisisi  berupa  densitas  yang  dilakukan  dengan  density  meter    untuk  menghasilkan  data  yang tidak bergantung pada volume atau ukuran sampel.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari  hasil  difraksi XRD  terlihat  pola  yang  serupa  dan  tidak  terdapat  puncak  lain  selain  puncak- puncak  pola  BHF  diperlihatkan  pada GAMBAR  1 .  Jumlah  elektron  Mn  dan  Ti  yang  lebih  sedikit dari Fe menyebabkan turunnya intensitas dengan meningkatnya substitusi, GAMBAR 1 .
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
20 30 40 50 60 70 80 90 029 020 008 012 006 220 127 030 026 025 110 023 114 017 x = 0.2 x = 0.0 x = 0.4 x = 0.6 Int en sity (a .u. )  x = 0.8 011
GAMBAR 1. Pola XRD BaFe 12-2x Ti x Mn x O 19 untuk x = 0.0 – 0.8
Hasil dari Rietveld refinement terhadap data XRD dengan software High Score Plus (HSP).  Nilai R Exp lebih kecil dari 10% menunjukan kualitas data yang baik pada bahan dengan kristalinitas tinggi sehingga nilai RWP pun dapat lebih kecil dari 10%. Rata-rata nilai  2 sudah cukup baik, namun tidak demikian pada x = 0.8 yang masih cukup besar walaupun lebih kecil dari 2.0 yang menjadi standard refinement, diperlihatkan pada TABEL 1 .
TABEL 1. Hasil refinemen data XRD x R Exp R WP  2 a (Å) c (Å) Volume (Å 3 ) 0 5.134 5.678 1.223 5.885 23.192 696.13 0.2 5.007 5.666 1.280 5.885 23.185 695.66 0.4 5.279 5.929 1.261 5.887 23.189 695.68 0.6 4.884 5.593 1.311 5.888 23.180 695.52 0.8 4.575 6.250 1.866 5.888 23.174 695.35
Parameter  kisi a cenderung  konstan  dan  parameter  kisi c membesar  dengan  meningkatnya substitusi. Hasil ini sesuai dengan kajian literatur yang  menyimpulkan bahwa low level substitution pada BHF mengubah parameter kisi c namun parameter kisi a cenderung konstan [12]. Perubahan kecil pada x = 0.4 menunjukan pengisian pada 2a dan [13,14], diperlihatkan pada GAMBAR 2 .
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 5.80 5.82 5.84 5.86 5.88 5.90 5.92 5.94 a c X a ( Å ) 23.14 23.16 23.18 23.20 23.22 23.24 23.26 23.28 c ( Å )
GAMBAR 2. Parameter kisi BaFe 12-2x Ti x Mn x O 19 untuk x = 0.0 – 0.8
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Peningkatan logaritmik ukuran kristalit dengan bertambahnya substitusi. Terlihat bahwa semakin besar  ukuran  kristalit  maka  semakin  lebar  distribusinya  dengan  peningkatan  yang  signifikan  terjadi pada x = 0.6 dan x = 0.8.
Hasil ini menunjukan bahwa substitusi Ti dan Mn memiliki kecenderungan mempercepat proses pertumbuhan kristal atau mempermudah perbesaran grain selama proses sintering, GAMBAR 3 .
100 200 300 400 500 600 700 800 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 209.5 120.2 65.7 51.3 Fr eq ue ncy ( a.u .) Crystallite size (nm) x = 0.0 x = 0.2 x = 0.4 x = 0.6 x = 0.8 42.9
GAMBAR 3. Crystallite size BaFe 12-2x Ti x Mn x O 19 untuk x = 0.0 – 0.8
Ukuran  grain  yang  dihasilkan,  jika  dibandingkan  dengan  ukuran  kristalit  yang  memiliki  nilai antara  35  -  60  nm,  maka  dapat  dikatakan  bahwa  grain-grain  tersebut  terdiri  8  –  10  kristalit  yang menunjukan bahwa sampel tersebut polikristalin. Ukuran grain cenderung tidak berubah pada x = 0.0 sampai x = 0.6. Namun pada x = 0.8 terlihat lonjakan ukuran grain yang signifikan, GAMBAR 4 .
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Gra in Size ( nm ) X GAMBAR 4. Ukuran grain BaFe 12-2x Ti x Mn x O 19 untuk x = 0.0 – 0.8
Kurva histerisis dari BHF substitusi (Ti 2+ -Mn 4+ ) menghasilkan kurva yang semakin kurus dengan bertambahnya subtitusi dan terjadi transformasi dari sifat hard -magnetik  ke soft -magnetik pada x = 0.8,  gambar  5.  Sifat-sifat  kemagnetan  dari  BHF  disubstitusi  (Ti-Mn)  yang  diekstarksi  dari  kurva histerisis pada GAMBAR 5 menggunakan pendekatan Law to Approach Saturation (LAS).
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
-1200 -900 -600 -300 0 300 600 900 1200 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 J ( T) H (kA/m) x=0.0 x=0.2 x=0.4 x=0.6 x=0.8
GAMBAR 5. Kurva histerisis BaFe 12-2x Ti x Mn x O 19 untuk x = 0.0 – 0.8
Dari sifat kemagetan nilai saturasi naik sampai x = 0.4 dan kemudian turun sesuai dengan prediksi bahwa mekanisme site preferential occupation terjadi pada low level substitution .
Nilai saturasi x = 0.6 sama dengan x = 0.0 namun dengan koersivitas 1/3 kalinya. Hal ini akibat substitusi pada 2 b-site yang memiliki kontribusi terbesar pada anisotropi [15].
Nilai  koersivitas  turun  monotonik  terhadap  substitusi  yang  semakin  tinggi.  Selain  pembesaran ukuran grain dan bertambahnya jumlah network antar grain yang didapatkan dari analisis XRD dan PSA,  pertambahan  nilai  substitusi  mengakibatkan  orientasi  anisotropi  magnetik  tidak  lagi  paralel namun membentuk sudut dengan c- axis . Kedua efek ini menghasilkan nilai koersivitas yang semakin kecil dengan bertambahnya substitusi, TABEL 2 .
Konstanta  anisotropi  yang  memiliki  pola  penurunan  yang  sama  dengan  bertambahnya  substitusi yang berbanding lurus dengan penurunan koersivitas. Nilai konstanta anisotropi terbesar pada x = 0.0 (2.67  x10 5 J/m 2 )  lebih  kecil  dari  nilai  literatur single  crystal BHF  (3.2  x10 5 J/m 2 ).  Hal  ini  sesuai dengan  fakta  bahwa  domain-domain  dengan  orientasi  random  akan  mengurangi  efek  anisotropi sampel [16,17],
TABEL 2. Hasil perhitungan properti magnetik dengan metode LAS x Ms (T) Mr (T) Hci (kA/m) Ha (kA/m) K 1 (x10 5 J/m 2 ) FMR (GHz) 0.0 0.37 0.20 282.54 777.15 2.67 27.34 0.2 0.38 0.20 200.13 688.52 2.46 24.23 0.4 0.41 0.20 112.72 671.20 2.59 23.62 0.6 0.37 0.18 89.11 565.59 1.97 19.90 0.8 0.29 0.03 9.18 467.11 1.28 16.44

## 4. KESIMPULAN
Dari  hasil  data  dan  analisis  yang  telah  dilakukan,  diidapatkan  material    nano  partikel  dengan ukuran partikel rata-rata 50 nm dan distribusi yang sempit (FWHM PSA = 7.07 nm, FWHM WPPM = 5.83 nm) dari.metoda milling dan ultrasonik tekanan tinggi dan dilanjutkan dengan sonikasi. Substitusi ion (Ti 2+ -Mn 4+ )    meningkatkan  nilai  saturasi  sampai  pada  x  =  0.4  (10.8%),  sedangkan  nilai  koersifitas menurun dengan bertambahnya nilai substitusi. Hal tersebut menunjukan bahwa substitusi ion dapat merubah sifat kemagnetan BHF dari hard magnet ke soft magnet.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Terimakasih  kepada  Kementrian  Ristek  yang  telah  mendanai  penelitian  ini  dengan  Hibah Bersaing anggaran tahun 2015, sehingga penelitian ini berjalan dengan baik.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## DAFTAR ACUAN
[1] Nowosielski, R; Babilas, R; Dercz, G; Pajak, L; Skowronski, W. J. Achiev. Mater. Manufact. Eng. 27, 51 (2008)
[2] Brzózka,  K.,  Sovák,  P;  Górka,  B;  Szumiata,  T;    Gawroński,  M;    Acta Phys.  Pol.  A  119,  33 (2011).
[3] Kouřil,  K;  Chlan,  V;    Štěpánková,  H;    Telfah,  A;        Novák,  P;    Knížek,  K;    Hiraoka,  Y; Kimura, T;Acta Phys. Pol. A 118, 732 (2010).
[4] Dasari, M.P;  Sambasiva Rao, K;  Murali Krishna, P;  Gopala Krishna, G; Acta Phys. Pol. A 119, 378 (2011).
[5] Matsumoto,  M.,  &  Miyata,  Y.  (1997).  Thin  electromagnetic  wave  absorber  for  quasi- microwave  band  containing  aligned  thin  magnetic  metal  paticles. IEEE  Transactions  on Magnetics, 33 , 532.
[6] Tang,  Xin.(2005).  influence  of  Synthesis  Variables  on  The  Phase  Component  and  Magnetic Properties  of  M-Ba-ferrite  Powders  Prepared  Via  Sugar-Nitrates  Process.Journal  of  Material Science. ISSN 0022-2461
[7] Mallick,  Kajjal  K.,  Phillip  Shepherd.,  Roger  J  Green.  (2007).  Magnetic  Properties  of  Cobalt Substituted  M-type  Barium  Hexaferrite  Prepared  by  Co-precipitation.  Journal  of  Magnetism Material 312 (2007) 418-429
[8] Vittoria. (2007). BaFe12O19 Thin Films Grown at the Atomic Scale from BaFe2O4 and α– Fe2O3, Applied Physics Letters 91(16), Volume 91, Issue 16, id. 162510 (3 pages)  ·
[9] Matsumoto,  M.,  &  Miyata,  Y.  (1997).  Thin  electromagnetic  wave  absorber  for  quasi- microwave  band  containing  aligned  thin  magnetic  metal  paticles.  IEEE  Transactions  on Magnetics, 33, 532.
[10] Meshram, M. R.; Agrawal, Nawal K.; Sinha, Bharoti; Misra, P. S (2004).. Elsevier B.V.. DOI: 10.1016/j.jmmm.2003.09.045..
[11] Rousselle,  A.  Berthault,  O.  Acher,  J.  P.  Bouchaud,  and  P.  G.  Zerah,  J.  Appl.  Phys.  74,  475 1993
[12] Wohlfart, E. P. (1982). Handbook of magnetic material Vol.3. Netherlands: North-Holland.
[13] Bsoul,  I.,  Mahmood,  S.,  &  Lehlooh,  A.-F.  (2010).  Structural  and  magnetic  properties  of BaFe12−2xTixRuxO19. Journal of Alloys and Compounds, 498, 157–161.
[14] Ghasemi,  A.,  &  Morisako,  A.  (2008).  Structural  and  electromagnetic  characteristics  of substituted strontium hexaferrite nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 320, 1167–1172.
[15] Wartewig,  P.,  Krause,  M.K.,  Esquinazi,  P.,  Rosler,  S.  and  Sonntag,  R.  (1999)  Magnetic Properties of Znand Ti-Substituted Barium Hexaferrite.
[16] Moulson,  A,  J;.  Herbert.  J.M,  ISBN:  978-0-471  49748-6.  576  pages.  June  (2003). Electroceramics: Materials, Properties, Applications, 2nd Edition (0471497487) .
[17] Liu, Y., Sellmyer, D. J., & Shindo, D. (2006). Handbook of advance magnetic material Vol 1: Nanostructural effects. New York: Springer.