SINTESIS BAHAN ND 1 (Fe) x Ba 2-x Cu 3 O y DENGAN METODE REAKSI PADATAN (SOLID STATE REACTION )
Nur Aisyah Humairah Program Studi Pendidikan Fisika FMIPA Universitas Sulawesi Barat e-mail: humairah.amjad@gmail.com

## Abstrak
Telah berhasil dikembangkan bahan paduan oksida  Nd 1 (Fe) x Ba 2-x Cu 3 O y dengan variasi x=+0,1  sampai  +0,5.  Hasil  analisis  struktur  kristal  dengan  menggunakan  pengukuran  XRD menunjukkan telah terjadi ikatan senyawa dengan kristalinitas yang tinggi, yang dapat dilihat pola pertumbuhan kristalnya dengan sangat konsisten mulai dari hasil sampel serbuk. Sedang dari  hasil  pengukuran  EDAX  diperoleh  data  komposisi  penyusun  bahan  paduan  telah  sesuai dengan kerangka penelitian tahun pertama, dengan rasio perbandingan molar Nd:Ba:Fe:Cu = 1: 2-x :x :3,1. Hasil variasi doping Fe pada paduan oksida juga ditunjukkan berdasarkan hasil pengukuran SEM, dimana terjadi perubahan pola pertumbuhan butiran dari X=0 dan x= +0,4.
Demikian  pula  puncak-puncak  ikatan  kimia  terhadap  panjang  gelombang  juga menunjukkan orientasi dan pola ikatan yang sangat konsisten. Hasil ini mingindikasikan bahwa perubahan  sifat  fisis  yang  telah  teramati  tidak  diikuti  dengan  perubahan  sifat  kimia,  berarti telah terjadi ikatan senyawa yang sangat kompak pada paduan Nd 1 (Fe) x Ba 2-x Cu 3 O y berapapun variasi x yang diberikan.
Kata Kunci: Metode reaksi padatan

## 1. PENDAHULUAN
Sejak  ditemukannya  superkonduktor  suhu  tinggi  (SKST)  yang  diawali  oleh  hasil rintisan Bednorz  dan  Muller  [3] ,    kegiatan  penelitian  dalam  bidang  superkonduktor  oksida telah mengalami peningkatan yang luar biasa. Peningkatan ini semula dirangsang oleh potensi peningkatan Tc lebih lanjut yang mendukung aplikasi dalam bidang teknologi yang luas, namun kini telah menumbuhkan pula penelitian ilmiah yang intensif karena banyaknya fenomena baru ( novel )  yang  perlu  diselidiki  dan  dipahami.  Fenomena  baru  ini  selain  menimbulkan  tantangan bagi pengembangan gagasan dan rumusan baru,  juga peningkatan metode/proses sintesis bahan untuk menghasilkan sampel bermutu, serta keperluan untuk memeriksa ulang konsep dan teori dasar  yang  berlaku  selama  ini,    baik  dalam  fisika  padatan  pada  umumnya  maupun  mengenai superkonduktivitas konvensional pada khususnya.
Tantangan  pertama  yang  dihadapi  oleh  para  peneliti,    baik  untuk  keperluan  ilmiah maupun  demi  kepentingan  aplikasinya,  adalah  masalah  pengembangan  cara  sintesis  yang menghasilkan  sampel  berkualitas  tinggi,    yaitu  sampel  berfase  murni  dan  berkristal  tunggal. Bagi bahan superkonduktor Tc tinggi,  tuntutan itu merupakan persoalan tersendiri karena jenis bahan yang berunsur majemuk dan berstruktur rumit ini memiliki beraneka ragam senyawa dan struktur  yang  mudah  terkontaminasi  dalam  proses    pembentukannya.  Masalah  ini  dipersulit lebih  lanjut  dengan  sifat  pelelehan  yang  bersifat  inkongruen  sehingga  kristalisasi  tidak  dapat dilaksanakan  langsung  dari  lelehan  bersangkutan  melalui  pemanasan  peritektik.  Selain  itu, pembentukannya  pada  suhu  tinggi  juga  menimbulkan  interaksi  dengan  bahan  lain  yang berakibat pencemarannya dengan  impuritas  yang  tidak  dikehendaki. Masalah-masalah tersebut akan  relatif  lebih  mudah  diatasi  untuk  sistem  YBCO  yang  berunsur  tiga,  namun  tidak  untuk bahan  paduan  oksida  NdBCO  yang  memiliki  karakteristik  menarik  dan  berpotensi  baik  untuk aplikasi.  Hal  ini  sebagai  akibat  adanya  transisi  order  dari  ion  Ba + dan  Nd + dalam  proses pembentukannya.  Sehingga  dalam  keadaan  off-stoikiometrik  (tidak  berstruktur  Re-123  seperti
halnya  YBaCuO),  paduan  oksida  ini  pada  temperatur  di  bawah  Tc  masih  bersifat superkonduktor.  Selain  itu  penelitian  pengembangan  superkonduktor  NdBCO  yang  diusulkan ini,  didasarkan  atas  hasil  kajian  riset  sebelumnya  bahwa  bahan  ini  memiliki  stabilitas  kimia yang lebih tinggi dibanding sistem YBCO. Sistem NdBCO memiliki struktur yang sama dengan sistem  YBCO,  namun  NdBCO  diketahui  ber-  Jc  lebih  tinggi  dan  memiliki  fluks pinning yang lebih  kuat. Dengan  demikian  memungkinkan  untuk  diadakan  variasi  doping  impuritas, dalam  penelitian  yang  sedang  dikembangkan  adalah  dengan  doping  Fe  dari  senyawa Fe 2 O 3 yang  bersifat  magnetik. Hal  ini  dengan  pertimbangan  doping  Fe  dalam  paduan NdBaCuO  diharapkan  dapat  meningkatkan  sifat  kemagnetan  bahan  paduan  pada  temperatur kamar. Sehingga hasil sintesis bahan oksida yang direncanakan tidak hanya bermanfaat sebagai bahan  baru  superkonduktor  namun  juga  bertujuan  untuk  menemukan  magnetik  material  yang sangat berguna dalam aplikasi spintronik devais.
Ciri  yang  menonjol  dari  superkonduktor  oksida  tembaga,    selain  Tc  yang  lebih  tinggi adalah  struktur  yang  berlapis  (atau  berciri  struktur  dua  dimensi),    panjang  koherensi  yang pendek,    dan  konsentrasi  pembawa  muatan  yang  rendah.      Semua  ini  merupakan  sumber fluktuasi  termal  yang  tidak  banyak  berperan  pada  superkonduktor  lama  ( konvensional ),  tetapi berpengaruh  penting  pada  superkonduktor  suhu  tinggi.  Sebagai  akibatnya,    efek  pelebaran intrinsik transisi r (T) di dalam medan magnet menurut teori fluktuasi Aslamazov-Larkin (AL) , menjadi  aksesibel  bagi  studi  eksperimental  dan  dapat  diselidiki  dengan  teori  tersebut  di  atas suhu  transisi  Ginzburg  Landau  (GL) T GL ,    dan  dengan  teori Kosterliz-Thouless  (KT)  dibawah T GL [8] .  Analisis  seperti  ini  perlu  dikembangkan  untuk  penentuan    T GL ,    T KT ,    parameter anisotropis g dan energi “hopping” Josepshon J  antar lapisan,  serta penyempurnaan lebih lanjut dari teori tersebut.
Kegiatan  penelitian  superkonduktor  dalam  SKST  (Superkonduktor  suhu  Tinggi)  telah dilakukan  oleh  tim  peneliti  di  Laboratorium  Fisika  Material  Elektronik  Jurusan  Fisika  ITB kurang lebih 5 tahun. Kegiatan tersebut dititikberatkan pada penguasaan sintesis bahan bulk dan film  tipis  superkonduktor  YBCO,  serta  potensi  aplikasinya  pada  devais  persambungan Josephson  serta  karakterisasinya  baik  dengan  pengukuran  kurva r -T,  I-V,  maupun  spektrum XRD,  SEM,  dan  EDAX  Sedangkan  untuk  bahan  superkonduktor  oksida  NBCO  telah dikembangkan  selama  2  (dua)  tahun  di  Universitas  Twente  Belanda.  Hasilnya  telah diaplikasikan  dalam  pembuatan  persambungan Josephson, direct injection SQUIDs,dan devais analog to digital converter .
Sehingga  pengembangan  paduan  oksida  baru  ini,  lebih  dititik  beratkan  pada  aspek pengkajian bahan oksida dengan sifat kemagnetan yang kuat pada temperatur di atas temperatur kritis  Tc,  namun  tetap  bersifat  superkonduktor  pada  temperatur  di  bawah  temperatur  tersebut. Dengan  demikian  jika  terealisasi,  maka  temuan  baru  bahan  ini  akan  dapat  bermanfaat  tidak hanya pada saat kondisi bahan bersifat superkonduktor namun juga berguna pada kondisi devais pada temperatur kamar yaitu sebagai material bahan magnet.

## 2. METODE PENELITIAN
Dalam  penelitian  pembuatan  dan  pengembangan  bahan  akan  digunakan  dan dikembangkan:
a.    Proses  reaksi  padatan  dengan  teknik  campuran  kering  untuk  menghasilkan  bahan  serbuk dengan kadar dopan tertentu.
b.    Proses  reaksi  padatan  dengan  teknik  campuran  basah  untuk  menghasilkan  bahan  serbuk dengan  kualitas  kemurnian  yang  tinggi.  Adapun  peralatan  pokok  yang  digunakan  dalam kegiatan a dan b yaitu neraca sarthorius (ketelitian 0,001 gram) untuk penimbangan bahan dasar, serta mortar dan pastel untuk proses penggerusan.
c.        Dengan  memanfaatkan  keunggulan  teknik  campuran  kering  dalam  pembuatan  komposisi serbuk dengan dopan tertentu, setelah proses kalsinasi pertama bahan digerus kembali dan
selanjutnya  digunakan  teknik  campuran  basah.  Pada  proses kalsinasi ,  campuran  bahan dasar dipanaskan dari temperatur ruang hingga 950 ° C selama 10 sampai 20 jam. Hal ini untuk  menghasilkan  proses  pencampuran  yang  lebih  homegen  dari  senyawa  yang dikembangkan.  Setelah  proses  pencampuran  bahan  dasar  selanjutnya  dilakukan  tahap sintering pada  temperatur  tetap  950 ° C  selama  15  sampai  25  jam  dengan  menggunakan peralatan furnace Nabertherm  (gambar  2a,  dan  2b).  Bahan-bahan  tersebut  diletakkan  di dalam crusible . Kegiatan dari a hingga c dievaluasi melalui pengulangan “ rute proses sintesis  precursor ” sehingga dihasilkan bahan yang bermutu tinggi.
d.      Proses  peletisasi  untuk  menghasilkan  bahan bulk dengan  ketahanan  mekanik  yang  baik. Peralatan  yang  digunakan  adalah  alat press yang  dapat  dikontrol  tekanannya  sesuai kebutuhan  penelitian  dan  jenis  bahan.  Kegiatan  ini  dilakukan  di  Laboratorium  Fisika Material Jurusan Fisika Universitas Negeri Makassar (UNM).
Prosedur kerja secara garis besar dapat digambarkan sebagai berikut :
Ditimbang berdasarkan   variasi dan dicampur dalam mortar
Digerus selama ±3 jam
Dimasukkan dalam crusible dan dikalsinasi selama ±40 jam Disisihkan Beberapa mg Digerus ulang selama ±3 jam untuk karakterisasi XRD; SEM; dan EDAX Dibuat pellet berdiameter 1.25 cm
Dimasukkan dalam crusible disintering selama ±67 jam
Dikarakterisasi dengan XRD; SEM; dan EDAX
Gambar 1. Diagram alir prosedur kerja untuk eksperimen sintesis sampel serbuk dan bulk paduan oksida Nd 1 Fe x Ba 2-x Cu 3 O y . Bahan Dasar: Nd 2 O 3 , CuO, BaCO 3 dan Fe 2 O 3 Campuran Bahan Dasar Campuran Bahan Homogen Bahan Hasil Kalsinasi Bahan Hasil Kalsinasi (halus) Pelet Pelet Hasil Sintering
(a) (b)
Gambar 2. (a) kurva pola kalsinasi sampel. (b) kurva pola sintering

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  karakterisasi  struktur  kristal  menunjukkan  bahwa  sampel  bahan  paduan  yang disintesis  dengan  menggunakan  metode  reaksi  padatan  memiliki  kualitas  kristal  yang  baik, dengan  orientasi  pertumbuhan  pada  sumbu- c  (0  0  l). Pada  gambar  3.  diperlihatkan  hasil pengukuran XRD pada sampel NdBaFeCuO dengan variasi doping x =+0,1 sampai dengan    x =+0,4. Hasil karakterisasi juga menunjukkan variasi doping tersebut sangat konsisten mengikuti pola pertumbuhan kristal NdBaCuO stoikiometri pada x=0.
10 0 20 30 40 T ( o c ) 950 Waktu (jam) 30 o c 10 0 20 30 40 T ( o c ) 950 Waktu (jam) 30 o c 450 50 60 67
107 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 5 EKO001.spe Binding Energy (eV) c/ s - C 1s - O K LL - O 2s - O 1s - B a M N N 1 - B a M N N - B a4 p3 - B a4 d - B a3 d5 - B a3 d3
- C u lm m - C u LM M 3 - C u LM M 2
- C u LM M 1
- C u LM M
- C u3 p - C u2 p3 - C u2 p1 -C u2 p 157 160 168 195 165 NdBaCuO Sampel bulk hasil sintering dan annealing 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 theta (deg.) In te n si ty (a .u ) x = 0.1 x = 0.2 x = 0.3 x = 0.4
Gambar 3. Hasil pengukuran XRD sampel bulk hasil sintering dan annealing berdasarkan variasi x  pada bahan paduan Nd 1 Fe x Ba 2-x Cu 3 O y
Selanjutnya untuk menguji apakah paduan oksida  Nd 1 Fe x Ba 2-x Cu 3 O y telah terjadi pada seluruh  permukaan  bulk,  maka  pada  sampel  juga  telah  dilakukan  pengukuran  XPS  ( X-ray photoelectron  spectra )  yaitu  untuk  melihat  pola  reaksi  senyawa  bahan  yang  ditunjukkan perbandingan  komposisi  atomik  bahan  terhadap  profil  kedalaman/tebal  sampel.  Hasil karakterisasi  ditunjukkan  pada  gambar  4.  Tabel  1.  Dari  data  tersebut  nampak  bahwa  reaksi senyawa  paduan  oksida  Nd 1 Fe x Ba 2-x Cu 3 O y telah  terbentuk  dengan  baik  pada  seluruh  sampel. Dengan  demikian  dapat  dikatakan  bahwa  paduan  oksida  dapat  ditumbuhkan  dengan menggunakan reaksi padatan.
Gambar 4. Hasil karakterisasi XPS pada bahan paduan NdBaFeCuO berdasarkan variasi x
Selanjutnya  hasil  karakterisasi  XPS  juga  didukung  dengan  hasil  analisis  komposisi kimia bahan oksida yang telah disintesis dengan menggunakan EDAX. Hasilnya menunjukkan bahwa  senyawa  NdBaFeCuO  telah  terbentuk  dengan  perbandingan  fraksi  molar  yang stoikiometrik sesuai program penelitian yang telah dirancang yaitu Nd:Ba:Fe:Cu = 1 : 2-x : x : 3,1.
Perbandingan  fraksi  molar  yang  telah  dikemukakan,  didukung  oleh  hasil  analisis morfologi  sampel  yang  menunjukkan  pengaruh  doping  Fe  pada  senyawa  paduan  NdBaFeCuO menyebabkan  perubahan  bentuk  butiran  dari  pola  memanjang  segi  empat,  menjadi  pola segiempat  pendek.  Pada  doping  Fe  +0,4  nampak  kumpulan  butiran  segiempat  pendek  yang mencirikan  adanya  pembentukan  Fe 2 O 3 nampak  jelas  pada  morfologi  permukaan  sampel  hasil SEM. Temuan ini selanjutnya pada tahap kedua (tahun 2007) akan dilakukan pengujian khusus kemagnetan, terutama pada pusat butiran tersebut.
Hasil  karakterisasi  FTIR  menunjukkan  pola  ikatan  kimia  pada  paduan  oksida Nd 1 Fe x Ba 2-x Cu 3 O y tidak  mengalami  perubahan  yang  ditunjukkan  dengan  tidak  terjadinya perubahan  pada  %  transmitansi  IR,  dan  intensitas  puncak  pada  panjang  gelombang  tertentu. Dengan  demikian  dapat  dikatakan  bahwa  variasi  doping  Fe  tidak  mempengaruhi  terjadinya reaksi pembentukan senyawa NdBaFeCuO, namun berpengaruh pada sifat fisis bahan.
Hasil analisis struktur dengan XRD, komposisi dengan EDAX, morfologi dengan SEM menunjukkan  bahwa  dengan  melakukan  kalsinasi  pada  temperatur  950 ° C  selama  10  sampai dengan  20  jam  terbentuk  paduan  ’awal’  oksida  NdBaFeCuO  dengan  karakteristik  kristal dan ikatan  kimia  hasil  XPS,  dan  FTIR  yang  sangat  baik  dan  berpotensi  untuk  dikembangkan menjadi bahan baru superkonduktor.
Gambar 5. Hasil karakterisasi FTIR pada bahan paduan NdBaFeCuO pada x= +0,4.

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  analisis  data  serta  pembahasan  yang  telah  dikemukakan  maka, kesimpulan yang dapat dipaparkan adalah sebagai berikut :
1. Metoda reaksi padatan telah berhasil digunakan untuk mensintesis bahan paduan oksida baru  NdBaFeCuO  dengan  pola  pertumbuhan  kristal  yang  sangat  konsisten  mulai  dari sampel serbuk setelah proses kalsinasi, sampai dengan sampel bulk hasil variasi doping Fe mulai +0,1 sampai dengan +0,3, dan menghasilkan struktur tetragonal.
2. Hasil  analisis  komposisi  kimia  bahan  oksida  yang  telah  disintesis  dengan  EDAX menunjukkan  bahwa  senyawa  NdBaFeCuO telah  terbentuk  dengan  perbandingan  fraksi molar  yang  stoikiometrik  sesuai  program  penelitian  yang  telah  dirancang  yaitu Nd:Ba:Fe:Cu = 1 : 2-x : x : 3,1.
3. Hasil analisis struktur kristal dengan menggunakan pengukuran XRD menunjukkan telah terjadi  ikatan  senyawa  dengan  kristalinitas  yang  tinggi,  yang  dapat  dilihat  pola pertumbuhan kristalnya dengan sangat konsisten mulai dari hasil sampel serbuk
4. Perbandingan  fraksi  molar  yang  telah  dikemukakan,  didukung  oleh  hasil  analisis morfologi  sampel  yang  menunjukkan  pengaruh  doping  Fe  pada  senyawa  paduan NdBaFeCuO menyebabkan perubahan bentuk butiran dari pola memanjang segi empat, menjadi  pola  segiempat  pendek.  Pada  doping  Fe  +0,3  nampak  kumpulan  butiran segiempat  pendek  yang  mencirikan  adanya  pembentukan  Fe 2 O 3 nampak  jelas  pada morfologi permukaan sampel hasil SEM.

## .

## DAFTAR PUSTAKA
A. Grill, 1993, Cold Pl;asma in Material Fabrication , IEEE Press, The Instutute of Electricsl Engtronics Engineers. New York
C.  Suryanarana  and  M.G.Norton,  2000, X-Ray  Difractionr ,  Plenum  Press,  New  York  and London.
Darminto dkk, 1999, Efek Subsitusi Pb pada sifat Tunggal Superkonduktor Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 7- d . Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia volume 10-Nomor 3. 1999. E. H. Sujiono dkk, 1999, Fabrikasi Film Tipis Lapisan Buffer PrBa 2 Cu 3 O 7 d /MGO (100) untuk Meningkatkan Temperatur Kritis  Superkonduktor YBa 2 Cu 3 O 7- d Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia volume 2-Nomor 4 Desember 1999.
E.  H.  Sujiono,  2005, Mengenal  Bahan  Superkonduktor ,  State  University  of  Makassar  Press, Makassar.
H.  Sujatmoko,  2003,  “Rahasia  Dibalik  Kehebatan  Maglev”,  (onlin e)  Pikiran  Rakyat  Cyber Media, (diakses pada tanggal 26 juni 2006)
Ihman  Y,  2004, Efek  Perlakuan  Temperatur  Terhadap  Struktur  Kristal  dan  Perubahan Sampel LaAlO 3 , UNM, Makassar. Ismunandar,  2006, Padatan  Oksida  Logam  (Struktur,  Sintesis,  dan  Sifat-Sifatnya) ,  ITB, Bandung.
Ismunandar  dan  C.  Sen,  2006,  “Mengenal  Superkonduktor”,    (Jurnal  Online  LIPI) http://www.fisikanet.lipi.go.id/utma.cgi, (diakses pada tanggal 19 Juli 2006)
Ismunandar  dan  C.  Sen,  2006,  “ Superkonduktor  Berparitas  Ganjil ”,    (Jurnal  Online  LIPI) http://www.fisikanet.lipi.go.id/utma.cgi, (diakses pada tanggal 10 April 2006) J. Yoshioka,  2002 ,  “ Effect Of CeO 2 and Pt doping on the microstrusture of Nd-Sm123 bulk superkonduktor fabrication in air ”, Superkonduktor Sci. Technol. 15 (2002) 778 -780. Laboratorium  Uji  Polimer  Pusat  Penelitian  Fisika- LIPI,    2006,    “Analisa  Termal (Pendahuluan)”,    (onl ine)  http://www.joomambo.com/,  (diakses  pada  tanggal  10 Agustus 2006).
M.  Siswosuwarjo,  1996 “ Scanning  Electron  Microscopy  Sebagai  Salah  Satu  Teknik Pemeriksaan  Material” laboratorium  Matalurgi  Jurusan  Fisika  Teknik  Mesin  ITB, Bandung.
M. Jannah. 2006. Karakterisasi Struktur Geopolimer Kaolin dengan x-Ray Difraktion (XRD), Universias Negeri Makassar, Makassar
M. Cryottf and D. Pavuna; 1992, Introduction To Superkonductivity and Hight-Tc Materials , World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, Singapore.
M.  Konuma;  1991, Film  Deposition  by  Plasma  Techniques ,  Springer-Verlag.  Berlin Heidelberg New York.
P.B. Mozhaev et all; 2000, Substitutions in the Nd/Ba cation Subsystem in Thin Films of the NdBa 2 Cu 3 O y High-Temperature  Superkonduktor ,  Springer-Verlag.  Berlin  Heidelberg New York.physics of the Solid State Vol 42, No 9, 2000. pp 1590-1959.