## STUDI AWAL KARAKTERISASI ESR SAMPEL MANGANAT CaMnO
3
Budhy Kurniawan, Indra Putra Siahainenia, Bambang P.S, Budi Siswanto, DudungA.K, Muzadi Didik O, Suharno, Sumarjianto,Adin Sarmawan,
Y.E. Gunanto dan Lingga Hermanto
Jurusan Fisika, FMIPA - UI Kampus Baru Depok, Depok 16424

## ABSTRAK
STUDI AWAL KARAKTERISASI ESR SAMPEL MANGANAT CaMnO 3 . Fenomena magnetoresistansi adalah fenomena yang menunjukkan terjadinya perubahan resistansi listrik suatu material karena adanya pengaruh medan magnet luar. Fenomena ini banyak ditemukan pada material manganat tanah jarang yang kini telah menjadi pusat perhatian. Karakteristik yang menonjol pada bahan ini adalah terjadinya transisi fasa magnetik dari keadaan isolator (paramagnetik) menjadi konduktor (feromagnetik) atau sebaliknya sebagai fungsi konsentrasi pendopingan material tanah jarang. CaMnO 3 merupakan salah satu senyawa induk yang digunakan dalam material manganat tanah jarang. Hasil pengukuran XRD pada suhu ruang menunjukkan bahwa CaMnO 3 dapat dihasilkan melalui pemanasan sampai 1000 o C setelah dilakukan penggerusan dan milling campuran CaCO 3 dan MnO 2 . Pengukuran ESR terhadap CaMnO 3 pun telah dilakukan pada suhu ruang dengan lebar sapuan 500 mT dan pada frekuensi 9,47 GHz. Hasil pengukuran ESR menunjukkan bahwa CaMnO 3 bersifat paramagnetik dan sifat keparamagnetan CaMnO 3 ini secara dominan dipengaruhi oleh bahan dasar MnO 2 .
Kata kunci : Kolosal magnetoresistansi, manganat perovskite, manganat tanah jarang

## ABSTRACT

## PRELIMINARYSTUDYOF ESR CHARACTERIZATION OFMANGANATE SAMPLE CaMnO
3 . Magnetoresistance phenomenon is the property of some materials to lose or gain electrical resistance when an external magnetic field is applied to them. This phenomenon found at rare earth manganate material which nowadays has attracted much interest. Uppermost characteristic at this material is the magnetic phase transition from isolator (paramagnetic) to conductor (ferromagnetic) or on the contrary as the function of rare earth material concentration. CaMnO 3 is one of the parental compounds which are used in rare earth manganate material. Result of XRD measurement at room temperature indicate that CaMnO 3 can be yielded by heating until 1000 o C after grinding and milling the mixture of CaCO 3 and MnO 2 . ESR measurement of CaMnO 3 have been done at room temperature with sweep width 500 mT and frequency 9.47 GHz. Result of ESR measurement indicate that CaMnO 3 is paramagnetic and this paramagnetism dominantly influenced by its elementary material MnO 2
Key Word : Collosal magnetoresistance, manganate perovskite, rare-earth manganate

## PENDAHULUAN
Manganat tanah jarang dengan rumus umum Ln 1-x A x MnO 3 (Ln= trivalent rare earth , A= divalent alkaline earth ) memiliki karakteristik yang menarik, yaitu magnetoresistansi. Fenomena magnetoresistansi adalah sebuah gejala yang menggambarkan terjadinya perubahan resistansi (hambatan listrik) pada suatu bahan bila diberikan medan magnet luar [1]. Resistansi ini bisa diatur dengan mengatur konsentrasi kation dan medan magnet luarnya [2]. Efek magnetoresistansi ini pertama kali ditemukan oleh William Thomson pada tahun 1857, tetapi medan magnet yang digunakan hanya mampu mempengaruhi hambatan listrik tidak lebih dari 5%.
Sekarang penelitian tentang material Manganat ini berkembang dengan ditemukannya efek giant magnetoresistance (1998), collosal magnetoresistance (1993) dan tunneling magnetoresistance [1]. Perubahan sifat magnet dalam magnetoresistansi ini ditunjukkan dengan adanya perubahan fasa magnetik dari paramagnetik menjadi feromagnetik sebagai fungsi konsentrasi pen doping an tanah jarang pada parental compound AMnO 3 . Material CaMnO 3 merupakan salah satu parental compound yang digunakan [2]. Sifat magnetiknya paramagnetik pada suhu ruang karena bahan penyusun CaMnO 3 ini adalah
CaCO 3 dan MnO 2 yang keduanya bersifat paramagnetik pada suhu ruang.
Penerapan sinar X pada kristal adalah dengan menganggap bidang kisi sebagai cermin dan kristal sebagai tumpukan bidang kisi dengan jarak pemisahan bidang d. Jika selisih panjang jalan merupakan kelipatan bilangan bulat dari panjang gelombang (AB + BC = nλ), maka gelombang yang dipantulkan sefasa dan berinterferensi konstruktif. Hukum ini dikenal dengan hukum Bragg dan digunakan untuk menentukan struktur kristal [3].
Keberadaan elektron yang tidak berpasangan di dalam molekul atau ion dapat menghasilkan pemisahan level energi karena interaksi momen magnet elektron dengan medan magnet luar yang diberikan [4]. Keadaan spin inilah yang dipelajari dalam spektroskopi resonansi spin elektron. Dengan pemberian gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang sesuai dengan beda level energi tersebut, dapat menstimulasi transisi spin elektron antar level keadaan spin yang berada dalam medan magnet ini. Frekuensi gelombang elektromagnetik semacam itu berada dalam daerah frekuensi gelombang mikro [5]. Kemunculan sinyal ESR mencerminkan sifat keparamagnetan dan konsentrasi momen magnet dapat dihitung dengan mengintegrasikan kurva absorbsi [6].

## METODE PERCOBAAN
Proses preparasi sampel dimulai dengan pencampuran bahan dasar CaCO 3 dan MnO 2 dengan komposisi campuran sesuai dengan persamaan reaksi kimia. Sebagian bahan campuran digerus tangan selama 6 jam dengan bantuan katalis 2-propanol, sedangkan sebagian lagi dilakukan proses milling dengan variasi waktu 6 jam dan 24 jam. Pengambilan data XRD dilakukan dengan difraktometer XRD Phillips yang menggunakan radiasi  Cu  Kα  dengan  panjang  gelombang  1,5406  Å. Pengukuran dilakukan terhadap 6 sampel yaitu CaCO 3 dan MnO 2 (sebagai bahan dasar) serta 4 sampel CaMnO 3 (proses gerus setelah pemanasan 1000 o C dan 1200 o C, proses milling 6 jam dan 24 jam setelah pemanasan 1200 o C). Dari data XRD diharapkan, masing-masing sampel CaMnO 3 pada proses penggerusan dan proses milling tidak memperlihatkan adanya kehadiran sinyal XRD bahan dasarnya (yaitu CaCO 3 dan MnO 2 ) yang berarti menunjukkan telah terbentuknya fasa baru CaMnO 3 . Pengambilan data ESR dilakukan dengan spektrometer ESR tipe JES-RE1X. Pengujian ESR dilakukan terhadap bahan CaCO 3 , - MnO 2 dan CaMnO 3 dengan variasi gain dan interval medan magnet. Sampel CaMnO 3 yang digunakan dalam pengujian ESR yaitu dua sampel proses penggerusan (setelah pemanasan 1000 o C dan 1200 o C) dan dua sampel proses milling (6 jam dan 24 jam setelah pemanasan 1200 o C). Diharapkan semua sampel CaMnO 3
menghasilkan spektrum ESR yang berarti menunjukkan sifat keparamagnetan.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengukuran telah dilakukan terhadap 6 sampel yaitu CaCO 3 dan MnO 2 serta 4 sampel CaMnO 3 . Hasil kemudian akan dibandingkan dengan literatur yang diperoleh dari International Centre of Diffraction Data (ICDD) . Bila ternyata pada sampel CaMnO 3 tidak diperoleh lagi peak dan jarak d seperti pada CaCO 3 dan MnO 2 maka dapat disimpulkan sudah terjadi perubahan fasa pada proses pencampuran bahan dasar tersebut. Hasil XRD dan perbandingannya terhadap literatur dapat dilihat pada Tabel 1.
Pola difraksi sinar X bahan dasar CaCO 3 dan MnO 2 telah menunjukkan hasil yang memuaskan. Deviasi terjadi pada 3 angka di belakang koma. Dengan kesalahan rata-rata 0,087% untuk CaCO 3 dan 0,129% untuk MnO 2 . Ini dapat dimaklumi karena kedua material ini adalah bahan dasar yang belum diberikan perlakuan apapun. Kesalahan rata-rata MnO 2 terlihat lebih besar bila dibandingkan dengan kesalahan rata-rata CaCO 3 . Hal ini dimungkinkan karena kemurnian MnO 2 (90% kemurnian). Pola difraksi sinar X untuk CaMnO 3 menunjukkan hasil yang memuaskan. Dengan kesalahan rata-rata kurang dari 1%. Terlihat dengan semakin tingginya derajat pemanasan serta semakin lamanya proses milling maka semakin mirip sampel hasil penelitian dengan literatur. Hal ini telah diprediksikan sebelumnya. Tetapi yang perlu digarisbawahi adalah bahwa fasa baru CaMnO 3 sudah terbentuk dengan pemanasan sampai 1000 o C. Sinyal ESR menunjukkan keparamagnetan suatu material. Pendekatan dalam menentukan konsentrasi momen magnet relatif dari kurva ESR dapat diekspresikan dengan :
2 max ) ( ' pp H Y I   [6].
Nilai g yang merupakan karakteristik suatu material dapat diperoleh dengan rumus :
B hv g  /  [3].
Hasil penelitian ESR dapat dilihat pada Tabel 2 dan Gambar 1.
Tabel 1 . Perbandingan hasil XRD bahan dasar dan sampel Bahan Kesalahan rata-rata d Jumlah d- spacing Ket CaCO 3 0,09% 16 M nO 2 0,13% 12 0,07% 11 Gerus (1000C) 0,31% 13 Gerus (1200C) 0,72% 9 M illing 6 jam (1200C) CaM nO 3 0,26% 13 M illing 24 jam (1200C) BETULIN T
Adanya sinyal ESR pada CaCO 3 menunjukkan bahwa material ini bersifat paramagnetik pada suhu ruang. Sinyal ESR muncul pada kisaran medan magnet 250 mT dengan gain 250 kali. Interval ini mendekati interval munculnya sinyal ESR Mn 2+ yang digunakan sebagai standar sinyal ESR meskipun dengan bentuk sinyal yang berbeda. Dan sinyal ini merupakan khas CaCO 3 menurut B. Engin, O. Güven dan F. Köksal [7]. Diperoleh nilai g yang bervariasi dengan nilai g=2,2459 yang menghasilkan intensitas yang paling besar. Konsentrasi momen magnet total pembawa sifat paramagnetik CaCO 3 sangat lemah (=83,945) yang menunjukkan sifat paramagnetik CaCO 3 tidak terlalu kuat.
Bahan MnO 2 pun menunjukkan adanya sinyal ESR , ini menunjukkan MnO 2 merupakan golongan paramagnetik. Sinyal ESR MnO 2 muncul pada kisaran yang lebih lebar dan jauh lebih tinggi daripada CaCO 3 ( gain MnO 2 125 kali). Diperoleh juga nilai g yang bervariasi dengan nilai g=1,8334 yang menghasilkan intensitas yang paling besar. Konsentrasi momen magnet relatif MnO 2 yang jauh lebih besar dibandingkan dengan CaCO 3 menunjukkan bahwa sifat paramagnetik MnO 2 lebih kuat dibandingkan CaCO 3 . Muncul pula sinyal
overlap Mn 2+ pada sinyal ESR MnO 2 . Menunjukkan bahwa salah satu pembawa sifat keparamagnetan MnO 2 adalah Mn 2+ . Meskipun konsentrasi momen magnet Mn 2+ tidak terlalu besar (=5,5117) dibandingkan dengan konsentrasi momen magnet pembawa sifat yang dominan pada MnO 2 (=29812.75). Keempat sampel CaMnO 3 pun menghasilkan sinyal ESR , ini membuktikan bahwa material CaMnO 3 bersifat paramagnetik pada suhu kamar sebagaimana yang diprediksikan sebelumnya. Konsentrasi momen magnet pembawa sifat paramagnetik CaMnO 3 sangat besar (=576564.4), menunjukkan sifat paramagnetik yang sangat kuat ( gain hanya 5 kali). Bila kita bandingkan ketiga konsentrasi momen magnet bahan CaCO 3 , MnO 2 dan CaMnO 3 terlihat bahwa sifat paramagnetik MnO 2 adalah yang paling dominan mempengaruhi sifat paramagnetik CaMnO 3 . Sebenarnya sifat paramagnetik CaCO 3 pun mempengaruhi CaMnO 3 , tetapi sangat kecil. Hal ini dapat dibuktikan pada spektrum ESR CaMnO 3 , dimana dengan menggunakan standar Mn 2+ – yang menunjukkan interval kemunculan sinyal ESR CaCO 3 – memperlihatkan sinyal ESR CaCO 3 yang sangat kecil.

## KESIMPULAN
Berdasarkan dari hasil penelitian pembuatan CaMnO 3 dan dengan membandingkannya dengan literatur maka dapat diambil kesimpulan bahwa pada pencampuran bahan dasar CaCO 3 dan MnO 2 dengan perlakuan gerus dan milling serta perlakuan panas sampai 1000 o C dapat menghasilkan fasa baru CaMnO 3. Kemudian fenomena kemagnetan CaMnO 3 pada suhu ruang adalah paramagnetik dan fenomena keparamagnetikan yang paling dominan pada CaMnO 3 berasal dari bahan dasar MnO 2 .

## DAFTARACUAN
[1.] WIKIPEDIA, t he free encyclopedia.
Http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetoresistanc
[2.] J. Z. SUN, T hin Film Trilayer Manganate Junctions , (1998)
[3.] P.W AKINS, Physical Chemistry, Oxford University Press, (1990)
[4.] M. OMAR, Elementary Solid State Physic s, Addison-Wesley, (1993)
[5.] GORDON M. BARROW, Physical Chemistry , McGraw-Hill, (1996)
[6.] J. E. WERTZ AND J.R BOLTON, Electron Spin Resonance Elementary Theory and Practical Applications , McGraw-Hill, (1972)
[7.] B. ENGIN, O. GÜVEN and F. KÖKSAL, Thermoluminescence and electron spin resonance properties of some travertines from Turkey, Journal Physics , 51 (1999) 729-746
Tabel 2 . Pengolahan data ESR bahan dasar dan CaMnO 3 setelah pemanasan 1000 O C
Bahan B g dHpp (mT) dIpp (au) m Gain dIpp* (au) I CaCO 3 300 2.2459 50 1.3 0.1036 250 0.0502 125.48 MnO 2 367.5 1.8334 275 15 0.1522 125 0.7884 59625.49 CaMnO 3 253 2.6631 172.5 14.6 0.1507 5 19.3762 576564.4
MnO 2 CaMnO 3 CaCO 3
Gambar 1 . Perbandingan spectrum ESR bahan dasar dan sampel CaMnO 3