## PENDAHULUAN
Pada beberapa bahan manganate , seperti CaMnO 3 , LaMnO 3 , TbMnO 3 , atau La x Ca 1-x MnO 3 memiliki sifat yang sangat menarik untuk dipelajari dan dikembangkan, Struktur magnetik CaMnO 3 adalah antiferomagnetik type-G [1]. Untuk mengetahui struktur kristal dapat dilakukan dengan metode difraksi sinar-X ( XRD ) namun untuk mengetahui struktur magnetik harus dilakukan dengan metode difraksi neutron. CaMnO 3 memiliki analisis yang baik pada sistem kristal orthorhombik space group Pnma (No.62) [3]. Dalam paper ini, struktur magnetik CaMnO 3 ditentukan melalui difraksi
neutron bentuk serbuk ( = 1,82160 Å) yang bekerja di bawah suhu Neel T N = 131 K[3] atau pada 12 K. Munculnya sifat magnetik pada CaMnO 3 adalah pada atom Mn [2,]. Pada atom Mn ini, ternyata terjadi charge ordered atau perubahan valensi ion Mn, diperoleh bahwa bahwa pada MnO 2 , atom Mn memiliki ion Mn 4+ akan tetapi setelah bercampur dengan La 2 O 3 terjadi perubahan ion Mn dari Mn 4+ menjadi Mn 3+ [4]. Sedangkan pada CaMnO 3 tidak terjadi charge ordered atau perubahan valensi ion Mn, yaitu pada MnO 2 memiliki ion Mn 4+ dan setelah bercampur dengan

## PENENTUAN STRUKTUR MAGNETIK CaMnO 3

## DENGAN DIFRAKSI NEUTRON
Suharno 1 , Agus Purwanto 2 ,Andika Fajar 2 , Budhy Kurniawan 1 , Herry Mugihardjo 2 dan WisnuAriAdi 2
1 Jurusan Fisika, FMIPA - UI Kampus Baru UI, Depok 16424
2 Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang

## ABSTRAK
PENENTUAN STRUKTUR MAGNETIK CaMnO 3 DENGAN DIFRAKSI NEUTRON . Informasi mengenai struktur magnetik tidak dapat diperoleh melalui difraksi sinar-X ( XRD ). Oleh karena itu dibutuhkan data yang berasal dari difraksi neutron. Struktur magnetik CaMnO 3 dalam penelitian ini dijelaskan melalui difraksi neutron metode serbuk. Preparasi sampel CaMnO 3 mula-mula mencampur bahan dasar melalui perhitungan kimia, setelah itu dilanjutkan melalui proses milling dengan variasi waktu dan variasi pemanasan. Dari hasil karakterisasi melalui difraksi sinar-X diperoleh bahwa, fasa baru CaMnO 3 terbentuk pada milling selama 12 jam dan pemanasan 1000 ºC selama 9 jam. Sistem kristal berada pada sistem simetri orthorhombik dengan group ruang (Pnma - 16 2 h D ) dan parameter kisi (di suhu 12 K), a = 5,2801 Å, b = 7,4432 Å, c = 5,2588 Å. CaMnO 3 memiliki suhu Neel di 131 K[3], artinya bahan ini berubah sifat menjadi antiferomagnetik jika berada di bawah suhu Neel. Hasil difraksi neutron CaMnO 3, sifat magnetik muncul pada atom Mn di suhu 12 K sudut hkl (011) dengan struktur magnetik pada atom Mn di posisi simetri 4b(0,0, ½) adalah nonkolinear antiferromagnetik dan momen magnetiknya m (Mn) = 1,73 B .
Kata kunci : Difraksi neutron, suhu Neel , nonkolinear antiferomagnetik, momen magnetik

## ABSTRACT
DETERMINATION OF MAGNETIC STRUCTURE CaMnO 3 BY NEUTRON DIFFRACTION . Information about magnetic structure can not be obtained through X ray diffraction method. Therefore data from neutron diffraction are needed to find out substance magnetic structure. Magnetic strukture CaMnO 3 in this research from Neutron powder diffraction. The research is aimed to find out magnetic structure at CaMnO 3 dan LaMnO 3 in powder. The preparation of CaMnO 3 and LaMnO 3 substance is made through powder method and stoikiometric calculation. Basic substance of CaMnO 3 is CaCO 3 and MnO 2 . After the substances are mixed, time varied milling, temperature varied sintering and annealing are conducted. It is hoped that the substances will be united or form a new phase. Crystal system on orthorhombic simetri with space group (Pnma - 16 2 h D ) and lattice parameter (at 12 K) a = 5.2801 Å, b = 7.4432 Å, c = 5.2588 Å. CaMnO 3 has Neel temperature at 131 K[3]. Result CaMnO 3 , from Neutron powder diffraction is properties magnetic at Mn hkl (011) with magnetic structure at position simetri 4b(0,0, ½) is nonkolinear antiferromagnetik and value magnetic momen m(Mn) = 1.73 B .
Key words : Neutron diffraction, Neel temperature, nonkolinear antiferromagnetik, magnetic momen
Penentuan Struktur Magnetik CaMnO 3 dengan Difraksi Neutron (Suharno)
CaCO 3 dengan terbentuk fasa baru CaMnO 3 , tetap memiliki ion Mn 4+ [5]. Harga valensi anion Ca 2+ ini mempengaruhi valensi atom Mn yang akibatnya mempengaruhi struktur magnetik atom Mn pada CaMnO 3 dan LaMnO 3 .

## METODE PERCOBAAN
Diawali dengan preparasi sampel, yaitu CaMnO 3 dibuat dari bahan dasar CaCO 3 dan MnO 2 , selanjutnya kedua bahan dasar tersebut dicampur melalui perhitungan stoikiomteri.
Karakterisasi awal CaMnO 3 dilakukan dengan metode difraksi sinar X ( = 1,5204 Å), untuk mengetahui terbentuknya fasa baru CaMnO 3 . Karakterisasi akhir CaMnO 3 dilakukan dengan difraksi neutron menggunakan High Resolution Powder Diffractometer, HRPD ( = 1,82160 Å) pada suhu 12 K dan 180 K. Data hasil difraksi neutron dianalisis dengan program FULLPROF [4].

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil difraksi sinar-X pada suhu ruang, teridentifikasi bahwa terbentuk fasa baru CaMnO 3 terjadi pada milling selama 12 jam dan pemanasan 1000 o C selama 9 jam, sementara sampel yang lain belum terbentuk fasa baru CaMnO 3 , seperti terlihat pada Gambar 1. Rietveld refinement dapat dilihat pada Tabel 1. CaMnO 3 hasil difraksi neutron pada suhu 12 K seperti pada Gambar 2, diperlihatkan bahwa analisis baik pada sistem kristal orthorhombik space group Pnma[5] dan parameter kisi (a, b, c) melalui Rietveld refinement dapat dilihat pada Tabel 2.

## Struktur Magnetik
Hasil difraksi neutron CaMnO 3 dengan High-Resolution Powder Diffractometer , HRPD
Milling (jam) Pemanasan (°C) Lama Pemanasan (jam) 3 400 3 6 9 600 3 6 9 800 3 6 9 1000 3 6
9 6 400 3 6 9 600 3 6 9 800 3 6 9 1000 3 6 9
9 400 3
6 9
600 3
6 9 800 3 6
9
1000 3 6 9 12 400 3 6 9 600 3 6
9 800 3 6 9 1000 3
6 9
Tabel 1 . Refinement posisi atom dan parameter kisi CaMnO 3 hasil XRD Space Group P n m a (No.62)
V = 201.9623 (A 3 ) a = 5.2600 Å b = 7.4425 Å c = 5.1590 Å Atom x Y z B (A 2 ) Ca 0.03944 0.25000 -0.00768 -0.93459 Mn 0.00000 0.00000 0.50000 2.27195 O 1 0.49440 0.25000 0.07490 -0.97009 O 2 0.28890 0.02457 0.70742 0.35619 Faktor R (%) ; p R wp R 2 Faktor R (%) ; R p = 14.4; R wp = 13.1; Residu 2 (Chi2) = 2.86
Gambar 1 . CaMnO 3 dengan XRD
Gambar 2 . CaMnO 3 dengan HRPD di suhu 12 K
( = 1.82160 Å) pada suhu 12 K dan 180 K dapat dilihat pada Gambar 3.
Pada suhu 180 K, memberikan kontribusi nuklir pada struktur kristal. Pada suhu 12 K dengan parameter kisi a = 5,2692 Å, b = 7,4403 Å, c = 5,2596 Å, terdapat puncak Bragg yang memberikan kontribusi sifat magnetik. Sifat magnetik terjadi pada posisi hkl (011) pada sudut (2 ) = 24.486° berada pada atom Mn 4+ dengan momen magnetik m (Mn) = 1.73 µ B . Hasil refinement parameter magnetik ditunjukkan pada Tabel 3.

## Analisis Struktur Magnetik
Pendekatan Teori Group, diperoleh representasi magnetik menghasilkan analisis simetri atom-atom Mn pada kedudukan 4b [6], yaitu :
Mn(1) = ( x, y, z ) = ( 0, 0,½) Mn(2) = ( -x+½, -y, z+½ ) = (½, 0,0 ) Mn(3) = ( -x, y+½, -z ) = ( 0, ½,½) Mn(4) = ( x+½, -y+½, -z +½) = (½,½, 0 )
Lambang simetri dan keterangannya dari elemen group (Pnma - 16 2 h D ) dapat dilihat pada Tabel 4. Karakter representasi magnetik untuk group G k [6] :
j gj j p h p h q m j g a iQ R S g , ) ( )] , ( . exp[ ) (
artinya untuk atom pada kedudukan 4(b), diperoleh
12 ) ( ) ( 25 ) ( 1 ) ( h h q m q m dan lainya nol.
Dari fungsi Basis representasi irreducible [7] untuk elemen group diperoleh seperti pada Tabel 5. Dari Tabel 5 dengan propagasi vektor q = 0 diperoleh kemungkinan konfigurasi struktur magnetik atom Mn seperti pada Tabel 6. Arah
Gambar 3 . Kontribusi sel magnetik dan sel nuklir pada CaMnO 3 di suhu 12 K dan 180 K
Tabel 2 . Refinement Posisi atom dan parameter kisi CaMnO 3 pada suhu 12 K.
Space Group P n m a (No.62)
V = 206.6297 (A 3 ) a = 5.2692 Å b = 7.4403 Å c = 5.2596 Å Atom x Y z B (A 2 ) Ca 0.04067 0.25000 -0.00768 -1.03426 Mn 0.00000 0.00000 0.50000 2.55500 O 1 0.49480 0.25000 0.07490 -1.05375 O 2 0.28969 0.02207 0.70605 0.43976 Faktor R (%) ; p R = 14.4; wp R = 13.1; Residu 2 (Chi2) = 2.86
Tabel 3 . Refinement parameter magnetik CaMnO 3 pada suhu 12 K Intensitas Refleksi Observasi Kalkulasi (011) 31.1 31.6 m (Mn) = 1.73 µ B nonkolinear antiferromagnetik axis-c Reduksi 2 = 2.86
Tabel 4 . Lambang dan operator simetri Kovalev Kovalev Simetri Operator Simbol Operator Keterangan 1 h ) , , ( z y x 1 Identitas 2 h ) , , ( 2 1 2 1 2 1 z y x 2 1 4
Rotasi [1 0 0] sebesar 180º 3 h ) , , ( 2 1 z y x 2 1 4
Rotasi [0 1 0] sebesar 180º 4 h ) , , ( 2 1 2 1 z y x 2 1 4
Rotasi [0 0 1] sebesar 180º
25 h ) , , ( z y x -1 Inversi 26 h ) , , ( 2 1 2 1 2 1 z y x 1 m Refleksi terhadap (1 0 0)
27 h ) , , ( 2 1 z y x 2 m Refleksi terhadap (0 1 0)
28 h ) , , ( 2 1 2 1 z y x 3 m Refleksi terhadap (0 0 1)
Tabel 5 . Representasi irreducible group G k 1 h 2 h 3 h 4 h 25 h 26 h 27 h 28 h 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 3 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 4 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 5 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 6 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 7 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 8 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1
Penentuan Struktur Magnetik CaMnO 3 dengan Difraksi Neutron (Suharno)
momen magnetik atom Mn pada masing-masing sumbu (x,y,z) berikut dengan tipe struktur magnetik, seperti terlihat pada Tabel 7.
Dari Tabel 7, melalui resultan arah momen magnetik diperoleh arah momen magnetik atom Mn nonkolinear antiferromagnetik. Gambar 4, memperlihatkan struktur magnetik atom Mn pada CaMnO 3 di posisi simteri 4b(0,0, ½) dengan empat kemungkinan.

## KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dan analisis dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Cara preparasi sampel ternyata mempengaruhi hasil penelitian dalam hal ini struktur magnetiknya berbeda dibandingkan hasil penelitian sebelumnya.
2. Pada CaMnO 3 analisis baik dengan sistem kristal orthorhombik space group Pnma, yang memiliki
parameter kisi a = 5,2692 Å, b = 7,4403 Å, dan c = 5,2596 Å 3. Sifat magnetik CaMnO 3 muncul pada atom Mn 4+ pada suhu 12 K dengan bidang pantulan hkl (011) pada sudut 2 = 24,486º . Karena sifat magnetik CaMnO 3 hanya muncul di satu puncak Bragg maka untuk memastikan struktur magnetik di puncak tersebut cukup sulit sehingga dalam hasil penelitian ini dilaporkan ada empat kemungkinan konfigurasi struktur magnetik CaMnO 3 di posisi simetri 4b(0,0, ½)
4. Momen magnetik atom Mn pada CaMnO 3 , m(Mn) = 1,73 B

## DAFTARACUAN
[1]. Q. HUANG et.al., Physical Review B , 55 (22) (1997)
[2]. C. MARTIN et.al., Physical Review B , 62 (10) (2000)
[3]. J.J. NEUMEIER et.al., Physical Review B , 61 (21) (2000) [4]. JUAN RODRIGUES CARVAJAL, Chrystallographi et Neutron with Fullprof program , CEA/Saclay 91191 Gif Yvette Cedex, France, (1997)
[5]. P.J. BROWN, International Tables for Crystallography , AJC Wilson Editor (Kluver Academic Publisher, Dordrecht Netherlands, (1970)
[6]. J.ROSSAT-MIGNOT, Group Theory and Magnetic Structure Determination , Academic Press, France, (1987).
[7]. O.V. KOVALEV, Irreducible Representations of the Space Group , Gordon and Breach Science Publisher, NewYork, (1955).
[8]. PURWANTO AGUS, Magnetic Neutron Diffraction on Uranium Intermetallics , New Mexico State University (1995).
Gambar 4 . Kemungkinan konfigurasi struktur magnetik Atom Mn pada CaMnO 3
Tabel 6 . Representasi irreducible group G k dengan q = 0
1 h 2 h 3 h 4 h 25 h 26 h 27 h 28 h 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 5 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 7 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1
Tabel 7 . Representasi irreducible yang menghasilkan struktur magnetik CaMnO 3 di posisi simetri 4b(0,0, ½)
IRrep (1) = 1 Mn_1 Mn_2 Mn_3 Mn_4 Type 1 ( 1 0 0 ) ( -1 0 0 ) ( -1 0 0 ) ( 1 0 0 ) x AFA 2 ( 0 1 0 ) ( 0 -1 0 ) ( 0 1 0 ) ( 0 -1 0 )
y AFG 3 ( 0 0 1 ) ( 0 0 1 ) ( 0 0 -1 ) ( 0 0 -1 )
z AFC
IRrep (3) = 3 Mn_1 Mn_2 Mn_3 Mn_4 Type 1 ( 1 0 0 ) ( -1 0 0 ) ( 1 0 0 ) ( -1 0 0 ) x AFG 2 ( 0 1 0 ) ( 0 -1 0 ) ( 0 -1 0 ) ( 0 1 0 ) y AFA 3 ( 0 0 1 ) ( 0 0 1 ) ( 0 0 1 ) ( 0 0 1 )
z F
IRrep (5) = 5 Mn_1 Mn_2 Mn_3 Mn_4 Type 1 ( 1 0 0 ) ( 1 0 0 ) ( -1 0 0 ) ( -1 0 0 ) x AFC 2 ( 0 1 0 ) ( 0 1 0 ) ( 0 1 0 ) ( 0 1 0 ) y F 3 ( 0 0 1 ) ( 0 0 -1 ) ( 0 0 -1 ) ( 0 0 1 ) z AFA
IRrep (7) = 7 Mn_1 Mn_2 Mn_3 Mn_4 Type 1 ( 1 0 0 ) ( 1 0 0 ) ( 1 0 0 ) ( 1 0 0 )
x F 2 ( 0 1 0 ) ( 0 1 0 ) ( 0 -1 0 ) ( 0 -1 0 )
y AFC 3 ( 0 0 1 ) ( 0 0 -1 ) ( 0 0 1 ) ( 0 0 -1 ) z AFG