EFEK SUBSTITUSI Fe 2+ DAN Fe 3+ TERHADAP STRUKTUR
KRISTAL, SIFAT OPTIK DAN MAGNETIK PADA NANOPARTIKEL ANATASE Ti 1-  (   %Fe 2+ )O 2
Wisnu Ari Adi dan Adel Fisli 1 Pusat Sains dan Teknologi Bahan Maju (PSTBM) - BATAN
Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang Selatan E-mail: dwisnuaa@batan.go.id Diterima: 25 Januari 2017 Diperbaiki: 21 Juli 2017 Disetujui: 28 Juli 2017

## ABSTRAK
EFEK SUBSTITUSI Fe 2+ DAN Fe 3+ TERHADAP STRUKTUR KRISTAL, SIFAT OPTIK DAN MAGNETIK PADA NANOPARTIKEL ANATASE Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 . Bahan penyerap gelombang elektromagnetik sekarang ini menjadi kajian yang menarik untuk dipelajari lebih mendalam karena sifatnya yang unik ditinjau dari interaksinya dengan gelombang elektromagnetiknya itu sendiri. Syarat utama yang harus dipenuhi sebagai bahan penyerap gelombang elektromagnetik adalah bahan tersebut harus memiliki karakteristik dielectric loss dan magnetic loss yang tinggi. Anatase TiO 2 merupakan bahan dielektrik yang baik namun bahan ini adalah diamagnetic . Substitusi Fe ini diharapkan dapat merekayasa sifat magnetik bahan ini. Modifikasi dari TiO 2 anatase ini dibuat dengan metode presipitasi melalui prosedur sebagai berikut: 25 mL larutan garam besi 0,3M Fe 2+ dan 0,3M Fe 3+ (rasio mol 2:1) masing-masing dicampurkan ke dalam 50 mL larutan 3 M TiCl 4 . Larutan campuran titanium dan besi ini ditambahkan larutan 150 mL amonia 2,5 M dengan laju tetes 3 mL/menit. Setelah itu endapan yang terbentuk dicuci kemudian dipanaskan dalam oven dan dikalsinasi pada 500 o C selama 3 jam. Ada dua jenis sampel anatase yang diperoleh yaitu Ti 1-  (  %Fe 3+ ) dan Ti 1-  (  %Fe 2+ ) dimana (  = 0; 0,5; 1; dan 5 %berat). Identifikasi fasa diukur dengan difraksi sinar-X dan struktur kristal dianalisis dengan menggunakan metode Rietveld . Hasil refinement menunjukkan bahwa sampel memiliki struktur kristal tetragonal fasa tunggal anatase TiO 2 . Atom Fe telah berhasil tersubstitusi ke dalam Ti tanpa mengubah struktur kristal bahan ini. Sementara berdasarkan hasil analisis sifat optik dan magnetik menunjukkan bahwa pengaruh substitusi baik Fe 2+ maupun Fe 3+ telah berhasil menurunkan energy band gap dan dapat mentransformasi fasa magnetik bahan ini dari diamagnetik menjadi paramagnetik di suhu kamar. Disimpulkan bahwa telah berhasil dilakukan rekayasa material bahan anatase TiO 2 dengan substitusi hingga 5 %berat baik ion Fe 2+ maupun Fe 3+ ke dalam ion Ti 4+ dengan metode presipitasi.
Kata kunci : TiO 2 , Anatase , Nanopartikel, Modifikasi, Struktur kristal, Sifat optik dan magnetik

## ABSTRACT
EFFECT OF Fe 2+ AND Fe 3+ SUBSTITUSION ON THE CRYSTAL STRUCTURE, OPTICALAND MAGNETIC PROPERTIES OFANATASE Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 NANOPARTICLES. Recently electromagnetic wave absorber materials are becoming a very interesting study to be studied more deeply because it is unique in terms of its interaction with electromagnetic waves itself. The main requirement to be met as an electromagnetic wave absorber material is that the material must have the characteristics of dielectric loss and magnetic loss are high. Anatase TiO 2 is a good dielectric material but these material is diamagnetic. Fe substitution was expected to manipulate the magnetic properties of this material. Modification of anatase TiO 2 was prepared by the precipitation method through the procedure as follows: 25 mL of iron salt solution containing 0.3M Fe 2+ and 0.3M Fe 3+ (mol ratio of 2: 1) respectively mixed into 50 mL of 3 M TiCl 4 . The mixture solution of titanium and iron was added to a 150 mL solution of 2.5 M ammonia with dropwise rate 3 ml/min. After that the precipitate was washed then heated in an oven and calcined at 500 °C for 3 hours. There are two types of samples obtained namely anatase Ti 1-  (  %Fe 3+ ) dan Ti 1-  (  %Fe 2+ ) where  = 0, 0.5, 1, and 5 wt%). Phase identification was measured by X-ray diffraction and crystal structure was analyzed by using the Rietveld method. Refinement result indicates that the sample has tetragonal crystal structure a single phase of anatase TiO 2 . Fe atoms have been successfully substituted into Ti without changing the crystal structure of this material. While based on the results of the analysis of optical and magnetic properties showed that the substitution effect of both Fe 2+ and
Efek Substitusi Fe 2+ dan Fe 3+ Terhadap Struktur Kristal, Sifat Optik dan Magnetik pada Nanopartikel Anatase Ti 1-  (  %Fe)O 2 (Wisnu Ari Adi)

## PENDAHULUAN
Titanium dioksida (TiO 2 ) merupakan salah satu senyawa oksida logam titanium (Ti).TiO 2 memiliki beberapa macam alotrof diantaranya adalah baddeleyite, brookite, rutile dan anatase . TiO 2 ini juga menjadi salah satu bahan baku pembuatan bahan keramik maju yang bersifat ringan, keras, tahan karat, memiliki massa jenis rendah, dan biokompatibel. Apabila ditinjau dari sifat listriknya, TiO 2 adalah bahan semikonduktor yang memiliki sifat dielektrik yang sangat baik dan stabil secara termal [1]. Selain itu, TiO 2 juga mudah untuk distabilkan oleh oksida logam lain untuk memodifikasi sifat fisik, mekanik, dan kimianya. Berdasarkan pada sifat-sifat yang dimiliki oleh TiO 2 tersebut, maka bahan ini sangat menarik untuk dipelajari bila dikembangkan menjadi bahan penyerap gelombang elektromagnetik ( microwave absorbing material ) [2-7].
Bahan penyerap gelombang elektromagnetik adalah sebuah bahan yang mampu melemahkan bahkan menghilangkan intensitas refleksi dari pancaran gelombang elektromagnetik.Adapun syarat intrinsik yang harus dipenuhi agar bahan tersebut dapat berfungsi sebagai bahan penyerap gelombang elektromagnetik adalah bahan tersebut harus memiliki permitivitas dielektrik dan permeabilitas magnetik yang tinggi. Untuk itu dengan modifikasi bahan melalui rekayasa struktur diharapkan bahan ini menjadi kandidat bahan penyerap gelombang elektromagnetik. Soethe dan kawan-kawan telah berhasil membuat lapisan tipis berbasis titanium menggunakan teknik sputtering [8], sementara Kumar dan kawan-kawan membuat nanokomposit metal dispersed TiO 2 dan mendapatkan kemampuan penyerapan gelombang mikro sebesar 13,7 dB pada 10,13 GHz [9]. Perkembangan terbaru telah dilaporkan oleh Ting Xia bahwa melalui nanokristal TiO 2 terhidrogenasi penyerapan gelombang mikro dan nilai- nilai permitivitasnya lebih tinggi dari pada bahan penyerap seperti karbon saat ini. Bukan mengandalkan rotasi dipol atau mekanisme resonansi feromagnetik, nanokristal TiO 2 terhidrogenasi bekerja berdasarkan pada gerakan kolektif dari hadirnya dipol antarmuka. Namun hipotesis ini masih belum mampu dijelaskan secara langsung dari efek antarmuka dari mekanisme gerakan kolektif hadirnya dipol antarmuka ini [10].
Pada penelitian ini akan dilakukan modifikasi dan rekayasa struktur bahan TiO 2 melalui substitusi ion Fe 2+ dan Fe 3+ ke dalam ion Ti 4+ dengan cara menggantikan sebagian posisi atom Ti dengan atom Fe. Konsep ini bertujuan untuk membangun sifat permeabilitas
magnetic di dalam TiO 2 .Studi awal digunakan TiO 2 fasa anatase . Namun fokus dari pembahasan ini akan dipelajari efek substitusi Fe 2+ dan Fe 3+ terhadap perubahan struktur kristal dan sifat magnetik dari modifikasi bahan TiO 2 tersebut.

## METODE PERCOBAAN
Sintesis nanopartikel semikonduktor oksida magnetik berbasis TiO 2 ter doping logam transisi Fe untuk pengembangan bahan penyerap gelombang elektromagnetik dilakukan dengan metode presipitasi yang dikombinasikan dengan mekanokimia (sonikasi dan wet mill ). Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 disintesis dengan prosedur sebagai berikut: 25 mL larutan garam besi 0,3M Fe 2+ dan 0,3M Fe 3+ (rasio mol 2:1) masing-masing dicampurkan ke dalam 50 mL larutan 3 M TiCl 4. Larutan campuran diencerkan menjadi 500 mL dan diaduk dengan magnet stirer . Larutan campuran titanium dan besi ini ditambahkan larutan 150 mL amonia 2,5 M dengan laju tetes 3 mL/menit. Selanjutnya endapan yang terbentuk dicuci berulangkali dengan air demin untuk menghilangkan garam NH 4 Cl. Endapan dipanaskan dalam oven dan dikalsinasi pada suhu 500 o C selama 3 jam. Berdasarkan dengan jumlah dari variasi yang telah dibuat, ada dua jenis sampel anatase yang diperoleh yaitu Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 (  = 0; 0,5; 1; dan 5).
Beberapa pengujian pada masing-masing sampel dilakukan untuk mengetahui karakteristik yang diperlukan sesuai dengan tujuan pada penelitian ini. Karakterisasi awal adalah identifikasi fasa dari masing-masing sampel menggunakan peralatan Difraktometer Sinar-X ( XRD ) merek Phillips Panalytical Empyrean PW1710. Analisis fasa baik secara kualitiatif dan kuantitatif digunakan metode Rietveld (program GSAS) dengan parameter kesesuaian refinement adalah Rwp dan Chi squared [11]. Pengujian sifat optik dilakukan untuk mengetahui perubahan band gap energy dengan menggunakan Spektrofotometer UV-Vis Lambdha 25 PERKIN ELMER. Pengujian sifat magnetiknya dilakukan dengan menggunakan Vibrating Sample Magnetometer ( VSM ) tipe OXFORD dengan kisaran medan magnet luar ± 1 Tesla pada suhu ruang. Sedangkan morfologi nanopartikel diamati dengan Transmission Electron Microscope ( TEM ) merek JEOL.
Fe 3+ has managed to reduce energy of band gap and can transform this magnetic phase of this material from diamagnetic becomes paramagnetic at room temperature. It was concluded that it has successfully carried out material engineering of anatase TiO 2 with a substitution of up to 5 wt% of either Fe 2+ or Fe 3+ into ion Ti 4+ by the precipitation method.
Keywords : TiO 2 , Anatase, Nanoparticle, Modification, Crystal structure, Optical properties and magnetic
Jurnal Sains Materi Indonesia Vol. 19, No. 2, Januari 2018, hal. 54-60

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Analisis Fasa
Hasil sintesis pada penelitian ini telah diperoleh 7 buah sampel yaitu, TiO 2 , Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dengan (  = 0; 0,5; 1; dan 5) dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 dengan (  = 0; 0,5; 1; dan 5). Pada Gambar 1 ditunjukkan hasil pengukuran dan identifikasi fasa dari pola difraksi sinar-X sampel anatase sistem Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 dengan (  = 0; 0,5; 1; dan 5).
Berdasarkan hasil pengukuran dan identifikasi pola XRD menunjukkan bahwa sampel baik sistem Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 maupun Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 dengan (  = 0; 0,5; 1; dan 5) memiliki fasa yang sama dengan struktur anatase TiO 2 (  = 0% Fe). Identifikasi fasa TiO 2 ini merujuk pada crystallography open database (COD : 9015929). Hal ini berarti bahwa substitusi ion Fe 2+ atau Fe 3+ ke dalam ion Ti 4+ telah terjadi. Sebagian dari posisi ion Ti 4+ telah ditempati oleh ion Fe 2+ atau Fe 3+ namun kandungan ion Fe yang berhasil tersubstitusi ke dalam Ti 4+ diperlukan analisis lebih lanjut terkait dengan parameter struktur dan analisis distribusi kationiknya.

## Analisis Struktur Kristal
TiO 2 anatase memiliki sistem kristal tetragonal dengan space group I 41/a m d (141) dan parameter kisi a = b = 3.7845 Å dan c = 9.5143 Å. Pada awalnya posisi atom Ti berada pada site 4a (0; 0; 0) dan atom O berada pada site 8e (0; 0; 0,208) dengan masing-masing atom memiliki kebolehjadian factor hunian atomnya terisi penuh (occ = 1). Namun hasil refinement menunjukkan
puncak difraksi bidang (200) tidak hadir, sehingga diperlukan transformasi koordinat atom dengan posisi equivalen yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Hasil refinement dari pola difraksi sinar-X menggunakan program GSAS dan ilustrasi model struktur kristal untuk sampel TiO 2 (  = 0) ditunjukkan pada Gambar 2.
Sedangkan untuk kedua jenis sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 (  = 0,5; 1; dan 5), posisi atom Ti dan Fe berada pada site yang sama di 8c dan atom O tetap berada pada site 16h dengan kebolehjadian faktor hunian atom Ti tidak terisi penuh (occ < 1) karena sebagian telah diisi atom Fe seperti diperlihatkan pada Tabel 2.
Hasil refinement dari pola difraksi sinar-X sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 (  = 0,5; 1; dan 5) ditunjukkan pada Gambar 3.
Parameter kesesuaian hasil refinement dihitung berdasarkan faktor ratio weight profile ( Rwp ) yang merupakan rasio bobot dari selisih antara pola XRD hasil observasi dan kalkulasi. Parameter lain adalah nilai goodness of fit  2 (chi-squared) yang merupakan rasio pola XRD hasil observasi sebanding dengan
Unsur Site Koordinat posisi atom Faktor Hunian (occ) U iso x Y z Ti 4+ 8c 0 -0,25 0,125 1 0,025 O 2- 16h 0 -0,25 0,333 1 0,025 Table 1 . Data kristalografi dari fasa anatase TiO 2 .
Gamabr 2 . Analisis struktur kristal sampel TiO 2 (  = 0) (a). Hasil refinement pola XRD , (b). Model struktur kristal. (a) (b) (b) (a) Gambar 1 . Hasil pengukuran dan identifikasi fasa dari pola difraksi sinar-X sampel (a). Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dengan (d = 0; 0,5; 1; dan 5), (b). Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 dengan (d = 0; 0,5; 1; dan 5).
Efek Substitusi Fe 2+ dan Fe 3+ Terhadap Struktur Kristal, Sifat Optik dan Magnetik pada Nanopartikel Anatase Ti 1-  (  %Fe)O 2
(Wisnu Ari Adi)
ekspektasinya (nilai ideal dari rasio ini adalah 1). Dari kurva tersebut menunjukkan bahwa kualitas fitting dari hasil refinement sudah relatif baik karena hanya meninggalkan pola background . Data rangkuman dari distribusi kationik, parameter struktur kristal dan parameter kesesuaian secara statistik ditunjukkan pada Tabel 3.
Hasil analisis struktur kristal yang diperoleh berdasarkan Gambar 3 dan Tabel 3 menunjukkan bahwa substitusi ion Fe 2+ atau Fe 3+ ke dalam ion Ti 4+ telah berhasil dilakukan tanpa mengubah struktur dan fasa dari bahan ini seperti ilustrasi model struktur kristal pada Gambar 4.
Struktur kristal sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 tampak tidak berubah namun volume unit sel meningkat seiring dengan bertambahnya kandungan ion-ion baik Fe 2+ maupun Fe 3+ . Hal ini sangat wajar terjadi karena ion-ion Fe menempati koordinat site yang sama dengan ion Ti sehingga dapat mempengaruhi volume unit sel total dari masing-masing komposisi. Disamping itu tampak pula bahwa kerapatan atomik juga meningkat seiring dengan bertambahnya kandungan ion-ion Fe. Diketahui bahwa kerapatan sebuah atom Ti sebesar 4,5 gram/cm 3 sementara kerapatan sebuah atom Fe sebesar 7,86 gram/cm 3 sehingga kerapatan total dari hasil substitusi tersebut akan meningkat seiring dengan bertambahnya jumlah ion-ion Fe yang tersubstitusi. Berdasarkan analisis distribusi kationik dengan merefine faktor hunian atom masing-masing site ditunjukkan
(b).  = 1% Fe 2+
(d).  = 0,5% Fe 3+ (c).  = 5% Fe 2+
Unsur Site Koordinat posisi atom Faktor Hunian
(occ) U iso x Y z Ti 4+ 8c 0 -0,25 0,125 1 –  0,025 Fe 2+ /Fe 3+ 8c 0 -0,25 0,125  0,025 O 2- 16h 0 -0,25 0,333 1 0,025 Table 2 . Data kristalografi dari fasa anatase Ti 1-  (  %Fe)O 2 .
(a).  = 0,5% Fe 2+
Gambar 3 . Hasil refinement pola XRD sampel (a-c): Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 (  = 0,5; 1; dan 5) dan (d-f): Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 dimana (d = 0,5; 1; dan 5).
(f).  = 5% Fe 3+ (e).  = 1% Fe 3+
bahwa komposisi yang terjadi pada masing-masing substitusi adalah sebagai berikut : sampel 0,5%Fe 2+ (Ti 0,994 Fe 0,006 O 2 ), 1%Fe 2+ (Ti 0,985 Fe 0,015 O 2 ), 5%Fe 2+ (Ti 0,975 Fe 0,025 O 2 ), dan 0,5%Fe 3+ (Ti 0,995 Fe 0,005 O 2 ), 1%Fe 3+ (Ti 0,974 Fe 0,026 O 2 ), 5%Fe 3+ (Ti 0,948 Fe 0,052 O 2 ).
Keberhasilan substitusi ion Fe 2+ atau Fe 3+ ke dalam ion Ti 4+ ini tanpa mengubah struktur dan fasa dari bahan juga dapat dikonfirmasi secara mikroskopik berdasarkan hasil pengamatan Transmission Electron Microscope ( TEM ) seperti pada Gambar 5.
Tampak bahwa baik sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-   (  %Fe 3+ )O 2 telah memiliki ukuran nanopartikel dengan diameter rata-rata berkisar 10 nm hingga 20 nm. Morfologi partikel terlihat homogen diseluruh permukaan sehingga dapat mengkonfirmasi bahwa partikel tersebut memiliki struktur dan fasa yang sama. Disamping itu distribusi ukuran partikel juga terlihat hampir seragam baik pada sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2
Sampel (  % ) Distribusi Kationik Lattice parameter (Å) V  (g/cm 3 )  R w p (%) χ 2 Ti 4+ Fe 2+ Fe 3+ a = b c (Å 3 ) 0 1 - - 3,7831(9) 9,495(2) 135,90(8) 3,905 18,81 1,11 Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 (  = 0,5; 1; dan 5) 0,5 0,994 0,006 - 3,7813(5) 9,490(1) 135,70(5) 3,907 14,51 1,07 1 0,985 0,015 - 3,7821(7) 9,490(1) 135,75(6) 3,916 14,36 1,08 5 0,975 0,025 - 3,7866(9) 9,497(2) 136,19(9) 3,923 15,03 1,32 Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 (  = 0,5; 1; dan 5) 0,5 0,995 - 0,005 3,7812(6) 9,491(1) 135,70(6) 3,907 13,98 1,12 1 0,974 - 0,026 3,7826(7) 9,492(2) 135,82(7) 3,976 14,66 1,21 5 0,948 - 0,052 3,7862(8) 9,497(2) 136,15(8) 4,001 13,50 1,23 Tabel 1 . Nilai dari distribusi kationik, parameter struktur, criteria of fit (R wp ), dan goodness of fit (  2 ) sampel anatase sistem Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 dengan (  = 0; 0,5; 1; dan 5).
maupun Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 . Namun demikian yang perlu dikaji lebih jauh adalah efek dari substitusi baik ion Fe 2+ maupun Fe 3+ terhadap fenomena sifat optik ( band gap energy ) dan perubahan sifat magnetik dari bahan.

## Analisis Sifat Optik
Setiap bahan padat akan memiliki karakteristik struktur energy-band masing-masing. Lebar celah energi ( band gap energy ) ini merupakan karakteristik bahan semikonduktor terjadi perbedaan energi antara bagian pita valensi dan pita konduksi sehingga diperlukan celah energi tertentu agar elektron dapat melompat dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron dapat memperoleh energi yang cukup untuk melompat ke pita konduksi dengan menyerap baik phonon (panas) atau foton (cahaya). Fenomena penyerapan cahaya ini yang digunakan sebagai dasar untuk menghitung lebar celah energi menggunakan spektrofotometer UV-Vis reflektan. Karakteristik lebar celah ini yang kemudian secara fundamental bertanggung jawab terhadap berbagai karakteristik sifat listrik bahan termasuk permitivitas atau sifat dielektrik bahan tersebut. Pada Gambar 6 ditunjukkan hasil pengujian penyerapan optik sebagai fungsi band gap energy untuk kedua jenis sampel.
Hasil perhitungan dari pengujian spektrofoto meter UV-Vis reflektan sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 diperlihatkan pada Tabel 4.
Korelasi antara konstata dielektrik dan lebar celah energi ini pertama kali ditunjukkan oleh Moss dan kawan kawan [12] mengikuti hubungan  -2 = konstanta.  E, dimana e adalah relatif statis konstanta dielektrik dan  E adalah lebar celah energi. Dengan demikian pengaruh subtitusi Fe ini sangat mempengaruhi berkurangnya lebar celah energi yang berarti pula dapat meningkatkan kuadratik sifat dielektrik bahan tersebut. Kehadiran sifat dielektrik yang baik ini merupakan salah satu karakteristik yang harus dipenuhi apabila bahan tersebut akan digunakan sebagai bahan penyerap gelombang elektromagnetik disamping juga harus memiliki sifat
Gambar 4 . Model struktur kristal sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 (a).  = 5% Fe 2+ , (b).  = 5% Fe 3+ . (a) (b)
Gambar 5 . Morfologi nanopartikel sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 . (a).  = 5% Fe 2+ , (b).  = 5% Fe 3+ .
(a) (b)
Efek Substitusi Fe 2+ dan Fe 3+ Terhadap Struktur Kristal, Sifat Optik dan Magnetik pada Nanopartikel Anatase Ti 1-  (  %Fe)O 2
(Wisnu Ari Adi)
magnetik yang baik pula. Untuk itu karakteristik selanjutnya adalah mengetahui perubahan sifat magnetik dari bahan ini akibat adanya substitusi baik ion Fe 2+ maupun ion Fe 3+ ke dalam ion Ti 4+ .

## Analisis Sifat Magnetik
Pada Gambar 7 ditunjukkan hasil pengujian sifat magnetic sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 menggunakan Vibrating Sample Magnetometer ( VSM ) dengan medan magnet luar ± 1 Tesla pada suhu ruang. Hasil pengujian sifat magnetik ini beruba kurva loop hysterisis antara magnetisasi (emu/gram) sebagai fungsi medan magnet luar (Tesla). Pola dari kurva loop hysterisis ini menjadi dasar untuk menentukan sifat magnetik bahan baik bersifat diamagnetik, antiferomagnetik, paramagnetik maupun feromagnetik.
Parameter yang diperlukan pada studi sifat magnetic ini adalah karakteristik perubahan magnetisasi (dM) terhadap perubahan medan magnet terapan (dH) yang dikenal dengan kaarakteristik susceptibility
magnetic (  = dM/dH). Pada sampel  = 0,5 % baik untuk substitusi Fe 2+ maupun Fe 3+ menunjukkan bahwa  bernilai negatif yang artinya bahwa bahan tersebut bersifat diamagnetik. Seiring dengan meningkatnya kandungan ion Fe dalam bahan, nilai  mulai berubah menjadi bernilai positif. Hal ini mengindikasikan bahwa telah terjadi transformasi fasa magnetik dari diamagnetik menjadi paramagnetik.
Hal ini terjadi karena perubahan moment dipole magnetic pada bahan ini. Berdasarkan kaidah konfigurasi elektron dimana awal dari bahan ini hanya mengandung Ti 4+ yang berada pada konfigurasi 3d 0 (artinya nilai magneton efektif, p = 0 sehingga bersifat diamagnetic ) disubstitusi sejumlah ion Fe 2+ yang memiliki konfigurasi 3d 6 (nilai p = 5,4 sehingga moment dipole magnetic totalnya menjadi 5,4  B ( magneton Bohr ) atau disubstitusi sejumlah ion Fe 3+ yang memiliki konfigurasi 3d 5 ( moment dipole magnetic totalnya sebesar 5,9  B ), maka dengan demikian moment dipole magnetic total hasil substitusi akan memiliki nilai positif sebanding dengan jumlah ion-ion Fe yang tersubstitusi. Tampak pula bahwa nilai k pada sampel 5% Fe 2+ lebih besar dibanding dengan sampel 5% Fe 3+ . Hal ini jelas karena nilai moment dipole total dari Fe 3+ lebih besar dibanding dengan Fe 2+ sehingga terlihat nilai magnetisasi dari sampel 5% Fe 3+ jauh lebih tinggi dibanding dengan 5% Fe 2+ . Sementara interaksi magnetik yang muncul diduga adalah mekanisme
Gambar 6 . Hasil pengujian spektrofotometer UV-Vis reflektan sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 (a). Efek substitusi Fe 2+ , (b). Efek substitusi Fe 3+ . (b) (a) Gambar 7 . Hasil pengujian sifat magnetik menggunakan VSM pada sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 (a). Efek substitusi Fe 2+ , (b). Efek substitusi Fe 3 (b) (a) Sampel (  )
 E untuk substitusi Fe 2+  E untuk substitusi Fe 3+ 0 % 3,31 eV 3,31 eV 0,5 % 3,23 eV 3,23 eV 1 % 3,23 eV 3,12 eV 5 % 3,23 eV 2,88 eV Tabel 4 . Hasil pengujian band gap energy sampel Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 .
Jurnal Sains Materi Indonesia Vol. 19, No. 2, Januari 2018, hal. 54-60 superexchange bahwa interaksi magnetik antara ion Fe 3+ atau Fe 3+ yang berdekatan dimediasi oleh ion non magnetik O 2- dengan spin elektron yang berpasangan. Dalam hal ini, ion Fe 3+ atau Fe 3+ berada berturut-turut pada konfigurasi 3d 6 atau 3d 5 yang terdiri dari orbital t 2g ( triply degenerate orbital ) dengan level energi yang lebih rendah dan orbital e g ( excited degenarate orbital ) yang memiliki level energi lebih tinggi. Dengan demikian orbital yang terlibat adalah orbital e g ( excited degenarate orbital ) yang kosong dari ion Fe 3+ atau Fe 3+ dan orbital 2p ion O 2- yang terisi. Jadi elektron pada orbital 2p ion O 2- terbagi diantara dua ion Fe 3+ atau Fe 3+ yang berdekatan yang mengisi orbital e g yang kosong. Ini merupakan transfer elektron secara tidak nyata ( virtual transfer ) yang menjadi ciri khas dari mekanisme interaksi superexchange .

## KESIMPULAN
Pada penelitian ini telah berhasil disintesis dan dikarakterisasi sampel nanopartikel anatase sistem Ti 1-  (  %Fe 2+ )O 2 dan Ti 1-  (  %Fe 3+ )O 2 dimana (  = 0; 0,5; 1; dan 5) sekaligus telah diketahui efek dari substitusi Fe 2+ dan Fe 3+ terhadap struktur kristal, sifat optik dan magnetik dari bahan ini. Berdasarkan analisis fasa diperoleh bahwa semua sampel merupakan fasa tunggal anatase TiO 2 dengan komposisi sampel 0,5%Fe 2+ (Ti 0,994 Fe 0,006 O 2 ), 1%Fe 2+ (Ti 0,985 Fe 0,015 O 2 ), 5%Fe 2+ (Ti 0,975 Fe 0,025 O 2 ), dan 0,5%Fe 3+ (Ti 0,995 Fe 0,005 O 2 ), 1%Fe 3+ (Ti 0,974 Fe 0,026 O 2 ), 5%Fe 3+ (Ti 0,948 Fe 0,052 O 2 ). Hasil analisis sifat optik diperoleh bahan efek substitusi ion Fe ke dalam ion Ti dapat menurunkan lebar celah energi yang berarti bahwa bahan memiliki sifat dielektrik meningkat seiring dengan bertambahnya kandungan ion Fe. Sedangkan hasil analisis sifat magnetik menunjukkan bahwa sampel mengalami transormasi fasa magnetik dari diamagnetik menjadi paramagnetik seiring dengan bertambahnya kandungan ion Fe. Dengan demikian diharapkan hasil sintesis nanopartikel sistem ini dapat digunakan sebagai salah satu kandidat bahan penyerap gelombang elektromagnetik berdasarkan dengan hipotesis yang ada.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak Drs. Gunawan selaku Kepala Pusat Sains dan Teknologi Bahan Maju yang telah memberikan kesempatan dan dukungannya pada penelitian ini, juga kepada Bapak Drs. Bambang Sugeng dan Ibu Dra. Mujamilah, M.Sc. yang telah membantu dalam mengkarakterisasi sampel.

## DAFTAR ACUAN
[1]. A. Wypych, I. Bobowska, M. Tracz, A. Opasinska, S. Kadlubowski, A. Krzywania-Kaliszewska, J. Grobelny, and P. Wojciechowski, “Dielectric properties and characterisation of titanium dioxide
obtained by different chemistry methods.” J. Nanomater., vol. 2014, ID 124814, 2014.
[2]. Biao Zhao, Gang Shao, Bingbing Fan, Wanyu Zhao and Rui Zhang. “Investigation of the Electromagnetic Absorption Properties of Ni@TiO 2 and Ni@SiO 2 Composite Microspheres with Core- Shell Structure.” Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 17, pp. 2531-2539, 2015.
[3]. Gengping Wan, Lei Yu, Xiange Peng, Guizhen Wang, Xianqin Huang, Haonan Zhao and Yong Qin. “Preparation and Microwave Absorption Properties of Uniform TiO 2 @C Core-Shell Nanocrystals, RSC Adv., vol. 5, pp. 77443-77448, 2015.
[4]. Wanchun Jiang, Yu Wang, Aming Xie and Fan Wu. “Microwave Absorption of a TiO 2 @PPy Hybrid and Its Nonlinear Dielectric Resonant Attenuation Mechanism.” Journal of Physics D: Applied Physics., vol. 49, no. 38, 2016.
[5]. Junye Dong, Rohan Ulla, Jie Han, Shanghai Wei, Xin Ouyang, Junzhe Dong and Wei Gao. “Partially Crystallized TiO 2 for Microwave Absorption.” J. Mater. Chem. A, vol. 3, 5285-5288, 2015.
[6]. Kexue Li, Jilian Xu, Xiaodong Yan, Lei Liu, Xiaobo Chen, Yongshi Luo, Jun He and D. Z. Shen. “The Origin of the Strong Microwave Absorption in Black TiO 2 .” Appl. Phys. Lett. 108, 183102, 2016; http://dx.doi.org/ 10.1063/1.4948456.
[7]. Sukanta Das, G. C. Nayak, S. K. Sahu, P. C. Routray, A. K. Roy&H. Baskey. “Titania-Coated Magnetite and Ni-Ferrite Nanocomposite-Based RADAR Absorbing Materials for Camouflaging Application.” Journal Polymer-Plastics Technology and Engineering, vol. 54, Issue 14, pp. 1483-1493, 2015, http://dx.doi.org/10.1080/ 03602559.2015.1010217.
[8]. V. L. Soethe, E. L. Nohara, L. C. Fontana, and M. C. Rezende. “Radar Absorbing Materials Based on Titanium Thin Film Obtained by Sputtering Technique, vol. 3, 279-286, 2011.
[9]. A. Kumar, V. Agarwala, and D. Singh. “Microwave Absorbing Behavior of Metal Dispersed TiO 2 Nanocomposites, vol. 25, pp. 483-489, 2014.
[10]. Ting Xia, Chi Zhang, Nathan A. Oyler and Xiaobo Chen. “Enhancing Microwave Absorption of TiO 2 Nanocrystals via Hydrogenation, Journal of Materials Research, vo. 29, Issue 18, pp. 2198-2210, 2014.
[11]. Toby B. H. “EXPGUI A Graphical User Interface for GSAS.” J. Appl. Crystallogr. 34, pp. 210-221, 2001.
[12]. Haiming Lu, Xiangkang Meng, Correlation between band gap, dielectric constant, Young’s modulus and melting temperature of GaN nanocrystals and their size and shape dependences, Scientific Reports5,Article number: 16939, 2015, doi:10.1038/ srep 16939.