## Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika
ISSN 2089-6158 (Print) 2620-3944 (Online) Volume 12, Nomor 1, pp. 6-13 2022 DOI : https://doi.org/10.20961/jmpf.v12i1.27532 URL : https://jurnal.uns.ac.id/jmpf/article/view/27532

## Refinement Struktur Kristal Superkonduktor BSCCO–2212 dengan Substitusi Pb
Dwi Teguh Rahardjo 1*
1 Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Jalan Ir. Sutami No. 36A, Jebres, Surakarta, Jawa Tengah, Telp/Fax (0271) 648939 *Corresponding author e-mail: teguhra@yahoo.com
Info Artikel

## ABSTRAK
Riwayat Artikel : Diterima 27 Desember 2020 Disetujui 2 April 2022 Diterbitkan 28 Mei 2022 Analisis  refinement  struktur  kristal  telah  dilakukan  pada  data  XRD superkonduktor  BSCCO-2212  yang  disubstitusi  Pb.  Superkonduktor  fase BSCCO-2212  disintering  pada  suhu  8200C  dan  dikalsinasi  pada  suhu  8000C. Waktu sintering sampel divariasi pada 0, 12, 24, 36, dan 48 jam. Pembentukan bahan superkonduktor BSCCO-2212 dimulai dari komposisi awal stoikhiometri melalui metode reaksi padatan. Analisis refinement data XRD dilakukan melalui analisis Rietveld dengan metode Least Square yang data model awal dicocokkan dengan  data  dari  XRD.  Hasil  analisis  profil  XRD  oleh  software  Celref menunjukkan  bahwa  terdapat  kecenderungan  peningkatan  fraksi  volume BSCCO-2212 dan impuritas bersamaan dengan waktu sintering yang lebih lama. Hasil  analisis  refinement  pada  faktor  reliabilitas  melalui  software  Fullprof menunjukkan  ada  kecenderungan  penurunan  faktor  reliabilitas  profil.  Residu profil  terendah  adalah  Rp  =  23%,  Rwp  =  20,3%,  dan  χ2  =  23,5%  tanpa refinement  isotropik  suhu.  Dari  analisis  refinement  struktur  kristal  juga menunjukkan bahwa struktur kristal BSCCO-2212 adalah orthorombik dengan grup ruang Fmmm.
Kata Kunci: BSCCO-2212; Least Square ; Refinement ; Rietveld method .

## PENDAHULUAN
Sebuah  kristal  terdiri  dari  atom-atom  yang tersusun  dalam  suatu  pola  yang  berulang  secara periodik dalam tiga dimensi dalam bentuk yang khas. Sistem  superkonduktor  Tc  tinggi  pada  umumnya merupakan senyawa multi komponen yang memiliki sejumlah  fase  struktur  yang  berbeda  dan  memiliki struktur kristal yang rumit. Sistem BSCCO-2212 juga merupakan senyawa multi komponen superkonduktor oksida  keramik  yang  mempunyai  struktur  berlapis- lapis  dengan  ciri  khas  sisipan  lapisan  CuO2  yang menyebabkan sistem tersebut mempunyai kecenderungan bersifat metalik pada suhu kamar.
Superkonduktor sistem Bi-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO)  dikenal  terdapat  tiga  fase  superkonduktor masing-masing berkaitan dengan   komposisi   yang
dinyatakan  dengan  rumus  Bi2Sr2Can-1CunOy dengan  n  =  1,2,3.  Ketiga  fase  tersebut  adalah  fase 2201 dengan Tc = 10 K, fase 2212 dengan Tc = 80 K dan fase 2223 dengan Tc = 110 K,   masing-masing memiliki  struktur  kristal  yang  ditunjukkan  dalam gambar 1.
Substitusi  unsur  Pb  (Timbal)  dimaksudkan untuk membuat bahan superkonduktor BSCCO lebih stabil terhadap lingkungan. Substitusi Pb juga dapat menurunkan  suhu  kalsinasi  dan  sintering  bahan superkonduktor.  Sifat  fisik  superkonduktor  yang berlapis - lapis dapat menyebabkan bahan superkonduktor  sistem  BSCCO  mudah  patah  dan sangat rapuh, karenanya sulit untuk diterapkan pada pembuatan kabel aliran listrik. Suhu transisi atau suhu kritis  bahan  superkonduktor  dan  sifat  fisisnya berkaitan  erat  dengan  struktur  kristal  bahan  yang bersangkutan.
© 2022 The Authors This  is  an  open  access  article  under  the  CC  BY license
Gambar 1. Struktur Superkonduktor Sistem Bi (BSCCO)
Analisis pola difraksi XRD dapat mengungkap struktur kristal suatu bahan superkonduktor  dan  menghasilkan  informasi  rinci mengenai:  jumlah  fase  dan  kristalinitas  fase  dalam sampel, ukuran (parameter kisi) dan bentuk sel satuan kristal  masing-masing  fase,  grup  ruang  (simetri penyusunan  atom-atom),  serta  posisi  atom-atom dalam  sel  satuan.  Analisis  pola  difraksi  XRD  dapat menggunakan  analisis  Rietveld  pada  refinement struktur  kristal  dengan  metode  least  square (McCusker, dkk :1999). Analisis pola difraksi XRD dapat  menghasilkan  informasi  rinci  mengenai: jumlah  fase  dan  kristalinitas  fase  dalam  sampel, ukuran (parameter kisi) dan bentuk sel satuan kristal masing-masing fase, grup ruang (simetri penyusunan atom-atom), serta posisi atom-atom dalam sel satuan. Untuk  maksud  tersebut  dapat  digunakan  analisis Rietveld  dengan  bantuan  program  Celref  dan Fullprof.
Data  awal  dari  hasil  pengukuran  XRD  yang bisa dilihat secara langsung yaitu sudut 2 𝜃 , intensitas, dan background .  Dengan  bantuan  program  Celref, data  awal  tersebut  dapat  memberikan  informasi parameter  kisi,  grup  ruang,  dan  hkl  puncak-puncak intensitas data awal. Untuk penghalusan/ penyempurnaan  parameter  kisi  tersebut,  digunakan program  refinement  Fullprof  yang  juga  akan mengekstraksi data XRD dan memberikan informasi lebih lanjut tentang jumlah fase yang ada di sampel, grup  ruang,  parameter  kisi,  posisi  atom-atom  dalam sel  satuan,  termal  isotropik,  okupansi,  dan  bentuk puncak.
Intensitas  terdifraksi  oleh  specimen  serbuk fase tunggal dalam difraktometer dinyatakan sebagai berikut,
𝐼 ∅,ℎ = |𝐹| 2 . 𝑚. 𝐵. 𝐴. 𝑇. 𝑃. 𝐿𝑝                [1]
dimana I p = intensitas terintegrasi, B = faktor temperatur, F = faktor struktur, m = multiplisitas, A= fungsi  asimetri,  T  =  faktor  tranmisi,  P  =  preferred orientasi, dan Lp = faktor Lorentz-polarisasi.
Sedangkan  profil  dapat  dimodelkan  dengan menggunakan  intensitas  kalkulasi  (yci)  yang merupakan  intensitas  refleksi  Bragg  ditambah intensitas background yaitu
𝑦 𝑐𝑖 = ∑ 𝑆 ∅ ∅ ∑ 𝐼 ∅,ℎ Ω(𝑇 𝑖 − 𝑇 ∅,ℎ ) ℎ + 𝑦 𝑏𝑖 [2]
dengan
𝑇 𝑖 = 𝑇 𝑖𝑛𝑖𝑡 + (𝑖 − 1) 𝑠𝑡𝑒𝑝                 [3]
dimana 𝑆 ∅ = faktor skala fase ∅ , dan Ω = fungsi profil refleksi.
a. Fungsi profil (bentuk puncak) Ada  beberapa  model  bentuk  puncak  yaitu diantaranya
Gaussian Ω 0 (𝑥) = 𝑎 𝐺 𝑒 (−𝑏𝐺𝑥2) [4]
𝑎 𝐺 = 2 𝐻 √ ln 2 𝜋 ; 𝑏 𝐺 = 4 ln 2 𝐻 2 𝐻 = 𝐹𝑊𝐻𝑀 ; dan 𝑥 = (𝑇 − 𝑇 ℎ )
Lorentzian Ω 1 (𝑥) = 𝑎𝐿 1+ 𝑏𝐿𝑥2 [5]
𝑎 𝐿 = 2 𝜋𝐻 ; 𝑏 𝐿 = 4 𝐻 2
PseudoVoigt Ω 3 (𝑥) = ƞ𝐿 ′ (𝑥) + (1 − ƞ)𝐿 ′ (𝑥)[6]
b. Preferred Orientation Fungsi eksponensial
𝑃 ℎ = 𝐺 2 + (1 − 𝐺 2 )𝑒 (𝐺1𝛼ℎ 2) [7]

## Fungsi Modified March
𝑃 ℎ = 𝐺 2 + (1 − 𝐺 2 ) ((𝐺 1 𝑐𝑜𝑠 𝛼 ℎ ) 2 + 𝑠𝑖𝑛 2 𝛼 ℎ 𝐺 1 ) − 3 2 [8]
c. Faktor Lorentz-Polarisasi
𝐿 𝑝 = 1 + 𝑐𝑜𝑠 2 2𝜃 𝑠𝑖𝑛 2 𝜃 cos 𝜃 [9]
d. Faktor temperatur
𝐵 = 𝑒 −2𝑇( 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝜆 ) 2 [10]
dengan
𝑇 = 8𝜋 2 〈𝑈〉 2
e. Faktor Struktur
𝐹 ℎ𝑘𝑙 = ∑ 𝑁 𝑛 𝑛 𝑓 𝑛 𝑒 2 𝜋𝑖(ℎ𝑥𝑛+𝑘𝑦𝑛+𝑙𝑧𝑛) [11]
dengan 𝑁 𝑛 = faktor okupasi
Untuk optimasi model struktur yang dibuat terhadap  data  observasi  di  mana  input  model struktur  awal  dibentuk  model  struktur  kalkulasi, diperlukan refinemet dengan metode least square.
𝑅 = ∑ 𝑤 𝑖 𝑛 (𝑦 𝑖𝑜 − 𝑦 𝑖𝑐 ) 2 [12]
Model  dianggap  optimum  jika  jumlah  kuadrat selisih  antara  pola  observasi  dan  pola  kalkulasi adalah  minimum.  Di  mana  yio  adalah  intensitas step observasi, yic adalah intensitas step kalkulasi dan wi adalah bobot statistik yang ditandakan ke masing-masing observasi. Faktor-faktor reabilitas digunakan  untuk  ukuran  tahap  kesuksesan  atau kegagalan dari suatu proses refinement.
𝑅 𝑝 = ∑|𝑦 𝑜 − 𝑦 𝑐 | ∑ 𝑦 𝑜 [13]
Rp yaitu reliabilitas profile
𝑅 𝑤𝑝 = [ ∑ 𝑤(𝑦 𝑜 − 𝑦 𝑐 ) 2 ∑ 𝑤𝑦 𝑜 2 ] 1/2 [14]
Rwp yaitu reliabilitas bobot profile
𝑅 𝑒𝑥𝑝 = [ 𝑁 − 𝑃 ∑ 𝑤𝑦 𝑜 2 ] 1/2 [15]
Rexp yaitu reliabilitas ekspektasi

## METODE
Penelitian  ini  dilaksanakan  di  laboratorium program  P.Fisika  Jurusan  PMIPA  FKIP  UNS  pada bulan  Juni–Juli  2010.  Penelitian  ini  menggunakan metode  eksperimen,  dimana  untuk  analisis  struktur kristal  BSCCO-2212  digunakan  refinement  data XRD dengan waktu sintering yang berbeda. Analisis refinement  struktur  kristal  digunakan  metode refinement  Rietveld  dengan  bantuan  software Fullprof  dan  Celref.  Pada  analisis  refinement,  data model awal akan dicocokkan dengan data dari XRD, di mana semakin cocok data tersebut, maka semakin kecil residu profil hasil refinement.
Gambar 2. Diagram Alur Proses Analisis Refinement Software Fullprof
Tabel  1.  Sampel  Diberi  Perlakuan  Lama  Waktu  Sintering  yang Berbeda-beda
Sampel Molaritas senyawa awal Suhu sintering Waktu sintering S1 Bi 1,6 Pb 0,4 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 7,8 820 0 C 0 jam S2 Bi 1,6 Pb 0,4 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 7,8 820 0 C 12 jam S3 Bi 1,6 Pb 0,4 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 7,8 820 0 C 24 jam S4 Bi 1,6 Pb 0,4 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 7,8 820 0 C 36 jam S5 Bi 1,6 Pb 0,4 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 7,8 820 0 C 48 jam

## Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Hasil
Pengukuran  pola  difraksi  sinar-X  pada  tiap- tiap  sampel  Bi-2212  digunakan  difraktometer
Shimadzu type 6000XRD dengan spesifikasi sinar-X Kα dari Cu, tegangan 40 kV, arus 30mA, divergensi slit 10, receiving slit 0,30, scattering slit 10 serta tipe scan countinuous.
Gambar 3. Pola difraksi sinar – X hasil scanning difraktometer

## Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)

## 3.2. Analisis Data
Tabel 2. Fraksi volum Bi-2212 dan Impuritas
Waktu Sintering (jam) Bi–2212 (%) Bi–2223 (%) Impuritas (%) Sample S1 0 64 11 25 Sample S2 12 68 13 19 Sample S3 24 75 10 15 Sample S4 36 78 9 13 Sample S5 48 80 8 12
Tabel 3. Parameter Kisi Sampel dari Hasil Refinement Struktur Kristal
Waktu Sintering (jam) a (Å) b (Å) c (Å) Sample S1 0 5,385330 5,388237 30,758562 Sample S2 12 5,373465 5,373823 30,635239 Sample S3 24 5,379032 5,379391 30,653206 Sample S4 36 5,385330 5,388237 30,709913 Sample S5 48 5,387876 5,388237 30,711378
Tabel 4. Reliabilitas Sampel dari Hasil Refinement Struktur Kristal
Waktu Sintering (jam) R p R wp R exp 𝝌 𝟐 Sample S1 0 42,9 37,6 10,2 13,6 Sample S2 12 36,7 31,4 16,2 3,77 Sample S3 24 36,3 30,7 8,83 12,1 Sample S4 36 28,9 25,7 7,20 12,0 Sample S5 48 23,0 20,3 6,66 9,33
Gambar 4. Grafik Fraksi Volum terhadap Lama Waktu Sintering
Gambar 5. Grafik Parameter Kisi a & b terhadap Lama Waktu Sintering
Gambar 6. Grafik Parameter Kisi c terhadap Lama Waktu Sintering
Gambar 7. Grafik Residu terhadap Lama Waktu Sintering
Posisi atom-atom struktur kristal hasil refinement Bi – 2212 Sampel S5 Grup Ruang :  F m m m struktur kristal  :  Orthorombik
Tabel 5. Posisi atom – atom Atom Wyc x y z Biso Occ Ca 4b 0.00000 0.00000 0.50000 0.00000 0.31971 Sr 8i 0.00000 0.00000 0.39598 0.00000 0.22202 O3 8i 0.00000 0.00000 0.29610 0.00000 0.44139 Bi 8i 0.00000 0.00000 0.19967 0.00000 0.31066 O2 8i 0.00000 0.00000 0.12850 0.00000 0.00977 Cu 8i 0.00000 0.00000 0.04475 0.00000 0.32141 O1 16j 0.25000 0.25000 0.04747 0.00000 1.13647
Profil XRD dari Hasil Refinement Sampel S5

## Model Struktur Kristal dari Hasil Refinement Sampel S5
Gambar 9. Model Struktur Kristal dari Hasil Refinement Sampel S5

## 3.3. Pembahasan
Pada  pembentukan  superkonduktor  BSCCO- 2212  umumnya  terdapat  fraksi  impuritas  sebagai hasil  reaksi  padatan  yang  tidak  terbentuk  secara merata  dan  sempurna,  kecuali  pembentukan  kristal tunggal  BSCCO-2212  yang  dapat  murni  tanpa impuritas.  Hasil  perhitungan  fraksi  volume  pada sampel  BSCCO-2212  (Gambar.4)  menunjukkan peningkatan fraksi volume BSCCO-2212 bersamaan bertambahnya  lama  waktu  sintering.  Sedangkan fraksi  volume  impuritas  mengalami  penurunan bersamaan bertambahnya lama waktu sintering. Nilai parameter  kisi  a,  b,  dan  c  (Gambar.5  &  6)  sempat mengalami  pengurangan  nilai  terendah  pada  lama waktu  sintering  12  jam  dan  mendekati  stabil  pada lama waktu sintering 48 jam.
Hasil  analisis  refinement  menggunakan program  Fullprof  menunjukkan  Residu  Profil  dan Residu  Berat  Profil  mengalami  penurunan  terhadap lama  waktu  sintering  (Gambar.7)  yang  artinya semakin banyak kesesuaian antara bentuk kurva data XRD dengan kurva hasil kalkulasi lewat refinement. Sedangkan  Residu  Chi  Square  sempat  mengalami penurunan  pada  lama  waktu  sintering  12  jam.  Jarak antar  resevoir  muatan  pada  sampel  BSCCO-2212 memiliki nilai terendah pada lama waktu sintering 12 jam dan bernilai tetap pada 48 jam. Jarak antar atom Bi  struktur  kristal  BSCCO-2212  memiliki  nilai
tertinggi  pada  lama  waktu  sintering  12  jam  dan bernilai tetap pada 48 jam.
Sampel superkonduktor BSCCO-2212 mempunyai  struktur  kristal  orthorombik  yang  dapat diketahui  dari  kesesuaian  data  eksperimen  dan  data hasil  kalkulasi  dengan  grup  ruang  Fmmm  pada  file pcr  Fullprof.  Di  samping  itu,  semakin  lama  waktu sintering  pada  bahan  superkonduktor  BSCCO-2212 semakin  banyak  fraksi  volume  BSCCO-2212  yang terbentuk  sehingga  meningkatkan  kesesuain  antara profil  data  XRD  hasil  eksperimen  dengan  profil kalkulasi  hasil  refinement  yang  ditunjukkan  dengan semakin berkurangnya nilai residu Rp dan R wp .

## KESIMPULAN
Dari  data  XRD  dan  hasil  analisis  refinement yang  telah  dilakukan,  dapat  ditarik  kesimpulan sebagai berikut : (1) Bahan superkonduktor BSCCO- 2212  mempunyai  struktur  kristal  orthorombik  yang dapat diketahui dari kesesuaian data eksperimen dan data hasil kalkulasi dengan grup ruang Fmmm pada file  pcr  Fullprof;  (2)  Semakin  lama  waktu  sintering pada  bahan  superkonduktor  BSCCO-2212  semakin besar  faksi  volume  BSCCO-2212  dan  dapat meningkatkan  kesesuain  antara  profil  data  XRD dengan profil hasil kalkulasi yang

## Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika (JMPF)
ditunjukkan  dengan  semakin  berkurangnya  nilai residu Rp serta Rwp dengan nilai terendah 23% serta 20,3%
Saran pada alat percobaan Hukum II Newton menggunakan  sensor  cahaya  photodioda  dalam penggunaannya  lebih  baik  digunakan  pada  tempat yang  redup  (tidak  terdapat  banyak  cahaya)  karena cara kerja alat percobaan ini dengan membandingkan intensitas  cahaya  yang  diterima  oleh  sensor photodioda.  Jika  mendapatkan  banyak  cahaya  alat percobaan ini tidak akan bekerja secara maksimal dan sebaiknya  peneliti  melakukan  percobaan  ditempat yang  tinggi  sehingga  trolly  bisa  berjalan  hingga mencapai ujung lintasan. Lebih diperhatikan lagi saat melepaskan  troli,  sehingga  hasil  waktu,  kecepatan dan percepatannya lebih akurat.

## Daftar Pustaka
Cullity,  B.D.  (1978). Element  of  x-ray  diffraction  2 nd edition . London : Addison-Wesley,. Cyrot, M. & Pavuna, D. Introduction to superconductivity  and  high-tc  materials . London : World Scientific. Hahn, T. (1983). International tables for crystallography, volume a . London : D. Reidel Publishing. Huashan  Liu,  Libin  Liu,  Hao  Yu,  Yuelan  Zhang, Zhanpeng  Jin.  (1999).  Optimizatian  of  the composition  for  synthesizing  the  high-Tc phase  in  Bi(Pb)SrCaCuO  system. Journal  of Materials Science 34 : 4329-4332.
Kisi,    E.H.  (1994).  Rietveld    analysis    of  powder diffraction      patterns. Journal  of  Materials Forum 18 : 135-153. McCusker, L.B., Von Dreele, R.B., Cox, D.e., Louër, D.,  Scardi,  P.  (1999).  Rietveld  refinement guidelines. Journal
of
Applied Crystallography 32 : 36-50. Ming  Xu, Polonka, J.,
Goldman, A.I, Finnemore,  D.K.  (1993). Investigations  of crystalline phase in the melting of Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O x ”,  applied  superconductivity Vol  I  No.I/2,  pp.  53-60 ,  London  :  Pergamon Press Ltd. Rodriguez,  J.,Carvajal  (1997). Introduction  to  the program  fullprof manual  book .  London  : Saclay. Stout,  G.H.,  Jensen,  L.H.  (1968). X-ray  structure determination”,  a  practical  guide .  London  : The Macmillan Company. Strobel,  P.,  Toledano,  J.C.,  Morin,  D.,  Schneck,  J., Vaquier,  G.,  Monnereau,  O.,  Primot,  J.,  dan Fournier,  T.,  (1992).  Phase  diagram  of  the
system Bi 1,6 Pb 0,4 Sr 2 CuO 6 – CaCuO 2 between 825 0 C and 1100 0 C”, Physica C, 201 : 27 – 42.