PENGARUH DOPAN Pb DAN Sb TERHADAP ENERGI AKTIVASI SUPERKONDUKTOR BSCCO-2212

## Yustinus Purwamargapratala, Patrisius Purwanto
Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN)-BATAN
Kawasan PUSPIPTEK Serpong,Tangerang Selatan, 15314
E-mail : yustinus_pratala@yahoo.com
(Naskah diterima : 22-12-2010,  diproses : 05-01-2011)

## ABSTRAK

## PENGARUH DOPAN Pb DAN Sb TERHADAP ENERGI AKTIFASI SUPERKONDUKTOR BSCCO-
2212. Telah  dilakukan  penelitian  pengaruh  dopan  Pb  dan  Sb  terhadap  energy  aktifasi superkonduktor  BSCCO-2212.  Garam-garam  nitrat  dari  Bismuth,  Stronsium,  Calsium,  dan  Copper dicampur pada perbandingan stoikiometri Bi:Sr:Ca:Cu = 2:2:1:2. Campuran dilarutkan dalam garam cair  urea  dengan  pemanasan  dan  pengadukan  pada  temperatur  120 o C  selama  16  jam,  kemudian dipirolisis . Hasil pirolisis digerus, dikalsinasi dan disinter dengan temperatur 845 o C selama 10 jam, sintesa diulang dengan penambahan dopan Pb, Sb, dan Pb+Sb dengan fraksi dopan 0,1 terhadap Bi.  Hasil  sintering  diuji  efek meissner, mikroskop  optik,  difraksi  sinar-X,  dan  LCR  meter.  Pengujian menyimpulkan bahwa terbentuk superkonduktor BSCCO-2212. Penambahan dopan Pb menjadikan konduktifitas tertinggi 9,37x10 -3 S/cm dan energi aktifasi terendah sebesar 3197,68 eV pada rentang temperatur 80-240 K.
Kata kunci : dopan, energi aktivasi, superkonduktor BSCCO-2212

## ABSTRACT
INFLUENCE  OF  Pb  AND  Sb  OF  BSCC0-2212  SUPERCONDUCTOR  CONDUCTIVITY  AND ENERGY  ACTIVATION. The  influence  of  Pb  and  Sb  dopan  of  BSCCO-2212  superconductor conductivity and activation energy have been done. Nitrate salts of bismuth, strontium, calcium, and copper stochiometry were mixed in the ratio Bi:Sr:Ca:Cu=2:2:1:2. Mixture were dissolved in a molten salt  of  urea  with  heating  and  stirring  at  a  temperature  of  120 o C  for  16  hours.  The  pyrolysis  were pulverized,  calcined,  and  sintered  at  themperature  of    845 o C  for  10  hours,  the  syntesed  was repeated  with  the  addition  of  Pb,  Sb,  and  Pb+Sb.  Dopan  with  0.1  dopan  fraction  of  Bi.  Sintering result  was  tested  with  meissner  effect,  optical  microscopy,  X-ray  diffraction,  and  LCR-meters.  It  is concluded  that  the  formed  superconductor  BSCCO-2212.  Addition  of  Pb  dopan  result  in  a  highest conductivity  of  9,37x10 -3 S/cm  and  the  lowest  activation  energy  of  3197.68  eV  in  the  temperature range 80-240 K.
Key words : dopan, activation energy, BSCCO-2212 superconductor

## PENDAHULUAN
Kualitas superkonduktor BSCCO- 2212  antara  lain  dapat  ditentukan  dengan nilai temperatur kritis dan rapat arus kritisnya. Peningkatan  nilai  temperatur  kritis  dan  rapat arus kritis dapat dilakukan dengan pemberian suatu  dopan,  yaitu  bahan  yang  disisipkan pada struktur suatu senyawaan. Bahan dopan mempunyai  sifat  listrik  yang  mirip  atau  lebih baik  dari  bahan  senyawaan  utamanya, sehingga  dapat  memperbaiki  sifat  listriknya. Dopan  juga  diharapkan  bisa  memperbaiki sifat  mekanik,  seperti  keuletan,  kekerasan, kekuatan tarik, dan lain-lain [1].
Energi  aktifasi  dapat  digambarkan  pada reaksi eksotermal sebagai berikut :
Gambar 1. Energi aktifasi pada reaksi kimia [2]
Jika partikel-partikel bertumbukan dengan  energi  yang  lebih  rendah  dari  energi aktivasi,  tidak  akan  terjadi  reaksi.  Partikel tersebut  akan  kembali  ke  keadaan  semula. Hanya  tumbukan  yang  memiliki  energi  sama atau  lebih  besar  dari  aktivasi  energi  yang dapat menghasilkan terjadinya reaksi.
Di  dalam  reaksi  kimia,  ikatan-ikatan diceraikan  dengan  membutuhkan  energi  dan membentuk ikatan-ikatan baru dengan melepaskan energi. Ikatan-ikatan harus diceraikan  sebelum  yang  baru  terbentuk. Energi  aktivasi  dilibatkan  dalam  menceraikan beberapa dari ikatan-ikatan tersebut.
Ketika  tumbukan-tumbukan  tersebut relatif  lemah  dan  tidak  cukup  energi  untuk memulai  proses  penceraian  ikatan  maka
mengakibatkan  partikel-partikel  tersebut  tidak bereaksi.  Energi  aktivasi  memegang  peranan penting  dalam  menentukan  suatu  tumbukan menghasilkan  reaksi,  hal  ini  sangat  berguna untuk  menentukan  bagian  partikel  yang mendapatkan  cukup  energi  ketika  mereka bertumbukan.
Keberadaan partikel-partikel akan memiliki  berbagai  variasi  besar  energi.  Untuk gas, dapat diperlihatkan melalui diagram yang disebut dengan  Distribusi  Maxwell-Boltzmann dimana  setiap  kumpulan  beberapa  partikel memiliki  energinya  masing-masing.  Luas dibawah kurva merupakan ukuran banyaknya partikel berada.
(a)
(b)
Gambar 2. Energi dan luasan partikel [2]
Ketika  reaksi  berlangsung,  partikel- partikel harus bertumbukan guna memperoleh  energi  yang  sama  atau  lebih besar daripada aktivasi energi untuk melangsungkan reaksi. Energi aktivatisi
berlangsung  dapat  diketahui  dari  distribusi Mazwell-Boltzmann.  Sebagian  besar  dari partikel-partikel  tidak  memiliki  energi  yang cukup untuk bereaksi ketika mereka bertumbukan. Untuk membuat bereaksi dapat dilakukan  dengan  mengubah  bentuk  kurva atau  memindahkan  aktivasi  energi  lebih  ke kanan [2] .
Pada  penelitian  sebelumnya  telah dilakukan penelitian mengenai peranan dopan  Pb  dan  Sb  dalam  superkonduktor BSCCO-2212,  yang  menunjukkan  bahwa penambahan Pb dan Sb dapat meningkatkan nilai temperatur kritis dan rapat arus kritis [3-4] .
Penambahan
dopan dapat mempengaruhi juga nilai energi aktifasi suatu senyawa,    yaitu  suatu  nilai  ambang  batas energi  yang  harus  dicapai  agar  suatu  reaksi dapat  terjadi.  Penentuan  energi  aktifasi  E a dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan Archenius :
σ = σ o exp (1) Keterangan : σ = konduktifitas (S/ cm) σ o = konduktifitas pada saat frekuensi tertentu k = konstanta Boltzman T = temperatur Kelvin
Pada  penelitian  ini  akan  diamati  pengaruh penambahan Pb dan Sb terhadap konduktifitas dan energi aktifasi superkoduktor BSSCO-2212 dengan mengolah
data hasil pengukuran menggunakan  LCR-meter.    Diharapkan  juga dapat  diketahui  karakteristik  konduktifitas BSCCO-2212  dan  BSCCO-2212  dengan dopan Pb, Sb, dan PB+Sb. Dengan mengetahui  nilai  energi  aktifasi  maka  dapat dipilih  superkonduktor  BSCCO-2212  dengan
dopan yang lebih mudah terbentuk.

## TATA KERJA
1.  Bahan
Bismuth nitrat, stronsium nitrat, calcium  nitrat,  dan  copper  nitrat  dari  MERCK dalam  derajat  analisis.  Sebagai  pelarut digunakan urea dari MERCK.

## 2.  Alat
Difraksi  sinar-X  (XRD),  LCR-meter, dan magnet permanen Meissner

## 3.  Cara Kerja
Bismuth nitrat, stronsium nitrat, calcium  nitrat,  dan  copper  nitrat  dengan perbandingan  stoikiometri  Bi:Sr:Ca:Cu  = 2:2:1:2  ditambah  urea  dengan  perbandingan 1  :  1.  Campuran  diaduk  dan  dipanaskan dalam  gelas  beaker  dan  pemanas  magnit pada  temperatur  120 o C  selama  16  jam sehingga  campuran  melarut  dan  membeku kembali.  Selanjutnya  bahan  dipirolisis  untuk menghilangkan  zat-zat volatile ,  dilakukan pendinginan  udara  dan  penggerusan.  Hasil penggerusan dikalsinasi pada temperatur 900 o C  selama  6  jam,  kemudian  dibuat  pelet  dan disinter  pada  temperature  925 o C  selama  10 jam.  Pekerjaan  ini  diulangi  terhadap  sampel dengan  penambahan  bahan  dopan  timbal nitrat,    stibium  nitrat,  dan  campuran  timbal nitrat+stibium  nitrat  sesuai  perbandingan stoikiometris (Bi+M):Sr:Ca:Cu = 2:2:1:2 dimana M adalah Pb, Sb, dan Pb+Sb, dengan perbandingan mol Bi:M = 1,9:0,1.
Hasil  sintering  kemudian  digerus  dan dikarakterisasi  menggunakan  difraksi  sinar-X untuk  mengamati  struktur  mikro  dengan kondisi pengukuran 30 kV, arus 30 mA, sudut difraksi  10-70 o ,  kecepatan  sapuan  2 o /  menit, target CuK α dari Shimadsu. Untuk mengamati konduktivitasnya digunakan Impedance
Conductance and Resistance (LCR) meter.
₍

## Gambar 3. Diagram alir pembuatan BSCCO-2212 dengan dan tanpa dopan

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Sampel  terdiri  empat  jenis  berdasarkan komposisinya yaitu :
1.  BSCCO-2212 (tanpa dopan),
2.  BSCCO-Pb
(sampel BSCCO-2212 dengan dopanPb).
3.  BSCCO-Sb
(sampel BSCCO-2212
dengan dopan Sb).
4.  BSCCO-Pb-Sb (sampel BSCCO-2212 dengan dopan Pb dan Sb).
Hasil uji levitasi menggunakan magnet permanen  efek meissner menunjukkan  bahwa ketika  sampel  dikondisikan  pada  temperatur kritis,  dengan  cara  mencelupkan  dalam nitrogen  cair  maka  semua  sampel  melayang di  atas  magnet  tersebut.  Hal  ini  menunjukkan bahwa  semua  sampel  tersebut  mempunyai sifat superkonduktif. Seperti diperlihatkan pada Gambar  4.  Sampel  superkonduktor  pada temperatur  kritis  melayang  di  atas  magnet permanen.
Hal  ini  didukung  dengan  hasil  analisis difraksi  sinar-X  seperti  diperlihatkan  pada Gambar  5.  yang  dikonfirmasi  dengan  JCPDS No.460545, 420415, 031153, 170125, 460576, 340975  menunjukkan  bahwa  hasil  sintering sampel-sampel tersebut merupakan superkonduktor. Penambahan dopan Pb maupun Sb teridentifikasi dengan kemunculan puncak-puncak  pada  2 =  23,04 o ;  24,84 o ; 27,4 o ;  28,92 o ;  30,9 o ;  33,08 o ;  35,1 o ;  44,56 o ; 47,52 o ; 50,34 o .
Bi(NO 3 ) 2 Sr(NO 3 ) 2 Ca(NO 3 ) 2
Cu(NO 3 ) 2
Pengadukan dan Pemanasan Pirolisis Penggerusan S intering BSCCO-2212 Pem eletan Urea Ca(NO 3 ) 2 Kalsinas i
Gambar 4. Uji efek Meissner.
Gambar 5. Pola difraksi sinar-X BSCCO tanpa dopan dan dengan dopan Pb dan Sb
Hasil pengolahan data LCR-meter dan perhitungan  nilai  konduktifitasnya  ditampilkan pada  Gambar 6.a). sampai dengan 6.d), yang merupakan  karakter  perubahan  konduktifitas fungsi  temperatur.  Pada  Gambar  6  a).  terlihat bahwa nilai konduktifitas superkonduktor BSCCO-2212 pada berbagai frekuensi terdapat  kecenderungan  bertambah  tinggi dengan adanya penurunan temperatur sampel.    Untuk  seluruh  kondisi  frekuensi  nilai konduktifitas    tertinggi    teramati    pada temperatur  140  K,  dengan  nilai  konduktifitas 0,0004-0,0007 S/cm. Semakin
tinggi frekuensinya  maka  nilai  konduktifitasnyapun semakin  tinggi  pada  temperatur  tersebut.
Sedangkan
pada
BSCCO-Pb nilai konduktifitas  akan  mengalami  penurunan sangat  nyata  untuk  setiap  frekuensi  pada temperatur  220-280  K,  yaitu  dari  8,5x10 -6 - 5,5x10 -2 S/cm sedangkan pada temperatur 80- 220  K  nilai  konduktifitasnya  relatif  sama  yaitu berkisar  4,5x10 -6 -  8,5x10 -6 S/cm,  seperti diperlihatkan pada Gambar 6 b).
Menurut  Khairul  Basar [4] ,  tingginya konduktivitas ionik bahan konduktor superionik
terjadi akibat adanya ketidakteraturan
( disordered ) atau cacat ( defect ) dalam struktur kristal bahan konduktor
superioni k .
Ketidakteraturan  posisi  atom  atau  adanya cacat dalam struktur menyebabkan tersedianya posisi kosong pada tempat-tempat tertentu  dalam  kristal.  Posisi  yang  kosong  ini dapat  diisi  oleh  atom  lain  di  sekitarnya  dan meninggalkan  posisi  kosong  yang  baru, demikian  seterusnya  sehingga  ion  dalam kristal tersebut dapat berpindah-pindah. Hal ini menunjukkan  bahwa  pada  temperatur  80-220 K  penambahan  Pb  menyebabkan  adanya keteraturan struktur kristal, maka konduktifitasnya lebih kecil dibandingkan pada temperatur 220-280 K.
Pada Gambar 6.c). ditunjukkan bahwa superkonduktor
BSCCO-Sb konduktifitas tertinggi  7x10 -5 S/  cm  dicapai  pada  kondidi temperatur  150  K  dan  konduktifitas  akan menurun kembali. Hal ini menunjukkan bahwa struktur  kristal  BSCCO-Sb  akan  mengalami keteraturan  pada  penurunan  temperatur  140  - 80 K.
Gambar 6. Konduktifitas superkonduktor pada temperatur dan frekuensi tertentu a.  Superkonduktor BSCCO-2212
c. Superkonduktor BSCCO-2212+Sb b.  Superkonduktor BSCCO-2212+Pbd
d.Superkonduktor BSCCO-2212+Pb+Sb
Pada Gambar 6.d). ditunjukkan bahwa pada  temperatur  sampel  BSCCO-Pb-Sb  160- 280  K  memiliki  nilai  konduktifitas  tertinggi  dan stabil  berkisar  10 -4,8 -10 -4 S/  cm,  nilai  terebut akan  mengalami  penurunan  pada  temperatur 80-160 K menjadi 10 -4,5 -10 -9,2 S/ cm.
Tabel  4.  Konduktifitas  rerata  sampel superkonduktor  pada  rentang temperatur tertentu Sampel Temperatur Konduktifitas ( K ) S/ cm BSCCO 80-280 3,76 x10 -4 BSCCO+Pb(1) 80-240 9,37x10 -3 BSCCO+Pb(2) 240-280 5,38x10 -6 BSCCO+Sb(1) 80-180 8,74x10 -5 BSCCO+Sb(2) 180-280 1,14x10 -5 BSCCO+Pb+Sb(1) 80-100 2,56x10 -4 BSCCO+Pb+Sb(2) 100-140 1,45x10 -5 BSCCO+Pb+Sb(3) 140-280 1,25x10 -7
(a) (c) (b) (d)
Hasil pengukuran tersebut menunjukkan bahwa BSCCO+Pb pada rentang  temperatur  80-240  K  memiliki  nilai konduktifitas  tertinggi  yaitu  9,37x10 -3 S/cm.
Nilai  konduktifitas  tersebut  lebih  tinggi  dari konduktifitas  BSCCO,  hal  ini  berarti  bahwa dopan  Pb  dapat  meningkatkan  konduktifitas bahan  BSCCO  pada  rentang  temperatur  80- 240 K, sedangkan pada temperatur 240-280 K konduktifitasnya  lebih  kecil  dari  BSCCO. Penambahan dopan Sb menyebabkan penurunan  nilai  konduktifitas  BSCCO  menjadi 1,14x10 -5 -8,74x10 -5 S/cm.  Sedangkan  pada rentang  temperatur  80-100  K  terjadi  sedikit kenaikan  konduktifitas,  menjadi  2,56x10 -4
S/cm  dan  untuk  temperatur  yang  lebih  tinggi. Pada  penambahan  Pb  dan  menyebabkan
penurunan konduktifitas.
Gambar 7 menunjukkan bahwa kenaikan  temperatur  pada  sampel  BSCCO akan menyebabkan penurunan energi aktifasi. Sedangkan  BSCCO  dengan  dopan  Pb  pada rentang  temperatur  80-220  K  memiliki  energi aktifasi  yang  relatif  sama  dan  mengalami kenaikan ketika pada rentang temperatur 220- 280  K.  Hal  ini  berbeda  dibandingkan  BSCCO dengan  dopan  Sb  yang  energi  aktifasinya meningkat  seiring  kenaikan  temperatur  pada rentang 80-160 K dan pada rentang 160-280 K mengalami  penurunan  nilai  energi  aktifasi ketika terjadi kenaikan temperatur. Sedangkan pada  BSCCO  dengan  dopan  Pb  dan  Sb  akan mengalami  penurunan  energi  aktifasi  seiring dengan penurunan temperatur.
Gambar 7. Pengaruh temperatur terhadap energi aktivasi superkonduktor
Energi  aktivasi  pada  suatu  molekul tergantung seberapa kuat ikatan antar atomnya  atau  seberapa  besar  deformasi akibat penyisipan atom lain. Pada gambar 7.a) ditunjukkan  bahwa  semakin  tinggi  temperatur BSCCO-2212 maka energi aktifasinya semakin  kecil,  sedangkan  pada  BSCCO-2212 dengan dopan Pb memiliki energi aktifasi yang akan membesar mulai pada temperatur 220 K. Hal  ini  berarti  penyisipan  atom  Pb  yang mengakibatkan  terjadinya  deformasi  akan mempengaruhi struktur
kristal
setelah temperatur  220  K.  Sedangkan  pada  BSCCO- 2212 dopan Sb, energi aktifasi akan mengalami  kenaikan  pada  80-140  K  dengan energi maksimum 7,0x10 -5 eV, pada temperatur  yang  lebih  tinggi  menyebabkan penurunan  energi  aktifasi.  Sedangkan  energi aktifasi  pada  BSCCO-2212  dengan  dopan  Pb dan  Sb  akan  mengalami  peningkatan  pada kenaikan temperatur, yang  menunjukkan bahwa  struktur  kristal  yang  terbentuk  pada kenaikan  temperatur  akan  semakin  rapat sehingga  terjadi  peningkatan  nilai  energi aktifasinya.
Tabel  5.  Energi  aktifasi  rerata  sampel superkonduktor pada rentang
temperatur tertentu.
Pada Tabel 5 diperlihatkan nilai energi aktifasi  sampel  BSCCO  tanpa  dopan  dan dengan  dopan.  Nilai  energi  aktifasi  terendah didapat  pada  sampel  BSCCO  dengan  dopan
Pb  yaitu  sebesar  3197,68  eV      pada  rentang temperatur  80-240  K,  namun  demikian  pada rentang temperatur 240-280 K didapatkan nilai energi aktifasi paling tinggi yaitu 94494,79 eV. Energi aktifasi suatu bahan diharapkan sekecil mungkin,  hal  ini  berkaitan  dengan  reaktifitas bahan  tersebut.  Bahan  dengan  energi  aktifasi yang  kecil  akan  lebih  mudah  bereaksi  dari pada  yang  energi  aktifasinya  besar.  Dengan demikian  BSCCO  dopan  Pb  adalah  sampel terbaik pada rentang temperatur 80-240 K.

## SIMPULAN
Penambahan  dopan  Pb  menjadikan konduktifitas  tertinggi  dan  energi  aktifasi terendah  pada  rentang  temperatur  80-240  K, tetapi  pada  rentang  temperatur  240-280  K mengakibatkan  energi  aktifasi  tertinggi  dan konduktifitasnya  rendah.  Penambahan  dopan Pb+Sb  menyebabkan  konduktifitas  terendah pada  rentang  temperatur  140-280  K.  Energi aktifasi  BSCCO-2212  dopan  Pb  terendah maka struktur kristalnya lebih mudah terbentuk dibandingkan  penggunaan  dopan  Sb  dan Pb+Sb.

## PUSTAKA
[1].  D.B.  CURRIE  AND  A.M.  FOREST,.
(1988). “Christal  Structure  and  Hight  Tc
Superconductor  in  The  System  Gd1Ba2- xSrxCu3O7-x, Solid State Comunications, Vol. 66, No.7, pp.715-718.
[2].  YUSTINUS P dkk,. “Pembuatan Komposit YBCO-123/  Ag  Melalui  Pelarut  Garam Cair  Urea,”  Pertemuan  dan  Presentasi
Ilmiah Penelitian Dasar dan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Yogyakrta, 1996. [3].  C.Y. HUANG AND SAPHIRA,. (1987). ”Magnetic Studies of Superconducting  GdBa 2 Cu 3 O 7-x at  Low Temperature  and  High  Field,”  Modern Phisics Letter, B, No,576.
[4]. JIM  CLARK,  (2004). “Teori  Tumbukan”, Chem-is-try.org.
Sampel Temperatur Energi Aktifasi ( K ) (eV) BSCCO 80-280 14046.22 BSCCO+Pb(1) 240-280 94494.79 BSCCO+Pb(2) 80-240 3197.68 BSCCO+Sb(1) 180-280 64314.16 BSCCO+Sb(2) 80-180 10688.08 BSCCO+Pb+Sb(1) 140-280 57058.14 BSCCO+PB+Sb(2) 100-140 51377.56 BSCCO+PB+Sb(3) 80-100 41750.59