## Sintesis K 0,5 Na 0,5 VO 3 dengan Metode Reaksi Padat dan Potensi Sebagai Co-Firing Agent
Alfian Putra Sambanyu, Suasmoro Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : suasm@physics.its.ac.id
Abstrak —Sintesis  material  K 0,5 Na 0,5 VO 3 (KNV)  telah berhasil dilakukan dengan metode reaksi padat. Penentuan suhu kalsinasi dan suhu sinter material ini didasarkan pada titik  leleh  vanadium  oksida  yaitu  sekitar  690°C.  Sehingga didapatkan suhu kalsinasi 500°C dan suhu sinter 500°C dan 525°C  selama  masing-masing  2  jam.  Hal  ini  dibuktikan dengan  hasil refinement pengujian  XRD  material  KNV yaitu  memiliki  fasa  tunggal  dengan  struktur  monoklinik, parameter  kisi  a=10,544  Å,  b=9,977  Å  dan  c=5,817  Å  dan grup  ruang  C2/c  .  Densitas  terukur  dari  KNV  525  adalah 3,03  g/cc,  sedangkan  untuk  KNV  500  adalah  3,25  g/cc. Material  KNV  dapat  digunakan  sebagai co-firing  agent pada bahan dielektrik keramik.
Kata  Kunci — Co-firing  Agent,  Reaksi  Padat,  Vanadium Oksida .

## I. PENDAHULUAN
ada  sepuluh  tahun  terakhir,  perovskite  kalium natrium  niobat  (K,Na)NbO 3 telah  banyak  menarik perhatian  peneliti  karena  sangat  berpotensi  untuk digunakan  pada  aplikasi  industri.  Material  KNN  juga dapat  digunakan  sebagai  bahan  dielektrik  gelombang mikro  meliputi  osilator  gelombang  mikro  dan  teknologi nirkabel.  Hal  ini  dikarenakan  KNN  memiliki  konstanta dielektrik, dielectric  loss dan kestabilan  suhu  yang baik. Material KNN memiliki konstanta dielektrik sebesar 462 dan dielectric  loss sebesar  0,039.  Namun  material  KNN memiliki  suhu  kalsinasi  dan  sinter  yang  cukup  tinggi, yaitu  850°C  dan  1115°C.  Untuk  digunakan  dalam  skala industri tentunya hal ini cukup sulit untuk diimplementasikan [1] .
Pada  penelitian  ini  akan  disintesis  material  perovskite (K,Na)VO 3 dimana  niobat  (Nb)  pada  KNN  akan digantikan  dengan  vanadium  (V).  Seperti  yang  kita ketahui,  vanadium  memiliki  elektron  valensi  5  dan berada  satu  grup  dengan  niobium  dalam  tabel  periodik. Vanadium  oksida  (V 2 O 5 )  memiliki  titik  leleh  sebesar 690°C, sedangkan niobium oksida (Nb 2 O 5 ) memiliki titik leleh  sebesar  1512°C.  Berdasarkan  data  tersebut diharapkan dapat mensintesis material keramik dielektrik dengan  suhu  kalsinasi  dan  sinter  yang  lebih  rendah. Selain itu diharapkan material ini dapat menjadi co-firing agent sehingga  dapat  diaplikasikan  sebagai  material komposit  berbasis  keramik  maupun  sebagai  material campuran  yang  dapat  menurunkan  suhu  sinter  dan kalsinasi bahan dielektrik [2].
Material  perovskite  memiliki  rumusan  umum  ABO 3 , sebuah kation dan anion membentuk susunan fcc dengan octahedron yang  besar  pada  pusat  unit  sel,  namun  tidak terdapat  tetrahedral  (dikarenakan  muatannya).  Struktur perovskite  ideal  adalah  kubik  sederhana  (Gambar  1). Salah  satu  mineral  perovskite  adalah  CaTiO 3 dan
berstruktur  orthorombik  pada  suhu  ruang,  lalu  menjadi kubik  pada  suhu  diatas  900°C.  Keramik  lain  dengan struktur  perovskite  adalah  BaTiO 3 ,  SrTiO 3 ,  dan  KNbO 3 , dimana seluruhnya dalam bentuk umum ABO 3 [2] .
Gambar 1. Struktur kristal perovskite (A) model atom (B) polyhedron[2].
Sinter  adalah  proses  pemanasan  di  bawah  suhu  leleh dan  dalam  bentuk  padat  ( Solid  State )  untuk  membentuk fase  tertentu  dan  mengompakkan  komposisi  fase  yang diinginkan.  Sinter  menyediakan  energi  panas  untuk proses  penyatuan  antar  partikel.  Proses  sinter  akan berpengaruh  cukup  besar  pada  pembentukan  fase  kristal bahan.  Fraksi  fase  yang  terbentuk  umumnya  bergantung pada  lama  atau  tidaknya  proses  sinter.  Semakin  besar suhu  sinter  dimungkinkan  semakin  cepat  proses pembentukan  kristal  tersebut.  Besar  kecilnya  suhu  juga berpengaruh  pada  bentuk  serta  ukuran  celah  dan  juga berpengaruh  pada  struktur  pertumbuhan  kristal.  Pada proses  sinter,  terjadi  proses  pembentukan  fase  baru melalui proses pemanasan dimana pada saat terjadi reaksi komponen  pembentuk  masih  dalam  bentuk  padat  dari campuran  serbuk.  Hal  ini  bertujuan  agar  butiran-butiran ( grain )  dalam  partikel-partikel  yang  berdekatan  dapat bereaksi dan berikatan [3].
Proses  sinter  terbagi  menjadi  tiga  tahapan,  yaitu  fase awal,  fase  pertengahan  dan  fase  akhir.  Pada  fase  awal kontak  antar  partikel  meningkat  seiring  dengan pertumbuhan  “ neck” .  Sedangkan  pada  fase  pertengahan ditandai  dengan  difusi  partikel  dan  vakansi.  Fase  akhir dari  proses  sinter  adalah  adanya  pori-pori  yang  terjepit dan  ditandai  dengan  katiadaan  pori-pori  yang  saling berhubungan.  Ketika  atom  berdifusi  melalui  pori-pori dan  vakansi,  dimana  atom  dipindahkan  dari  pori-pori menuju  batas  butir,  dislokasi,  atau  permukaan  luar  dari kristal,  maka  pori-pori dalam material akan menghilang. Salah satu faktor yang mempengaruhi sinter adalah suhu. Difusi  merupakan  hal  yang  paling  utama  dalam  proses sinter.  Proses necking terjadi  karena  adanya  difusi  dari atom-atom  melalui  batas  butir  dan  bergabung  dengan atom dari partikel lain di dekatnya. Difusi erat kaitannya dengan  suhu  karena  atom  dapat  berdifusi  ketika
P
mendapatkan energi panas dari luar. Selain itu difusivitas (D)  bergantung  pada  suhu.  Energi  aktivasi  dari  difusi bulk  lebih  besar  daripada  energi  aktivasi  dari  difusi permukaan dan difusi batas butir. Akibatnya ketika suhu dinaikkan maka difusi bulk akan semakin besar [4] . Teknologi  pembuatan  material  dielektrik  biasanya menggunakan  teknik  pencampuran  serbuk  biasa.  Nilai tertinggi  dari  beberapa  koefisien  (konstanta  dielektrik, tan δ, dan sebagainya) didapat ketika komposisinya telah sesuai  dengan  stoikiometri,  pengotor  yang  minimal,  dan densitasnya  semaksimal  mungkin.  Kontaminasi  dengan bahan  lain  dapat  diminimalkan  dengan  menggunakan media milling berbasis zirconia [3] .
Tabel 1. Sifat fisis dan dielektrik material bebas timbal
Komposisi Suhu Sinter (°C)
((K 0.5 Na 0.5 ) 1-x Li x )NbO 3 (x = 0,07) [5] 1070 BaTiO 3 [6] 1380 K 0.5 Na 0.5 NbO 3 [1] 1115 0.995(K 0.5 Na 0.5 ) NbO 3 –0.005CaTiO 3 [1] 1115 BaTiO 3 -Ni [7] 1200

## II. METODE PENELITIAN
Sintesis Material K 0,5 Na 0,4 Li 0,1 NbO 3
Peralatan  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah Timbangan digital O’haus PA214, Laboratory planetary mill “Pulverisette  5”  (Fritsch  GmbH),  Evaporator  rotatif “VV  Micro”  (Heidolph),  Furnace  “Thermolyne”  tipe F1400 (Barnstead), Crucible , Cetakan pellet diameter 13 mm  dan  bola  zirconia.Untuk  bahan  yang  digunakan dalam  penelitian  ini  terdiri  dari  serbuk  K 2 CO 3 ,  Na 2 CO 3 , dan V 2 O 5 ( merck ), alkohol 96% dan aquades. Material  (K,Na)VO 3 disintesis  dengan  menggunakan metode  reaksi  padat.  Serbuk  K 2 CO 3 ,  Na 2 CO 3 ,  dan  V 2 O 5 ditimbang sesuai dengan perbandingan stoikiometri yang telah  dihitung.  Kemudian  serbuk-serbuk  tersebut dicampurkan  dan  dimasukkan  ke  dalam  jar  serta ditambah  dengan  alkohol  sebagai  medium  milling. Campuran  serbuk  ini  di  milling  dengan  menggunakan planetary  milling  dengan  kecepatan  150  rpm  selama  1 jam.  Untuk  menghilangkan  kandungan  alkohol,  maka dilakukan  pemanasan  dengan  menggunakan  evaporator. Material  (K,Na)VO 3 yang  telah  kering  selanjutnya dihaluskan  dengan  mortar  hingga  berbentuk  serbuk. Serbuk (K,Na)VO 3 dikalsinasi pada suhu 500°C selama 2 jam. Kemudian serbuk (K,Na)VO 3 yang telah dikalsinasi dibentuk  pellet  disc  dan  disinter  pada  suhu  500°C  dan 525°C dengan waktu penahanan selama 2 jam.

## Karakterisasi material KNV
Pengujian  dengan  menggunakan X  Ray  Diffraction (XRD)  dilakukan  untuk  mengetahui  fasa  apa  saja  yang terdapat pada material. Hasil dari pengujian XRD berupa grafik  antara  intensitas  dan  sudut  difraksi.  Untuk  dapat mengetahui  fasa  material,  dilakukan  analisa  hasil  XRD dengan  menggunakan  software  Match!. Dari  data  XRD juga dapat diperoleh parameter kisi bahan yang dianalisa melalui  penghalusan  pola  terhitung  dan  terukur menggunakan  program Rietica yang  berbasis  metode Rietveld. Pengujian densitas dilakukan dengan mengukur dimensi  dan  volume  dari  pelet  KNV.  Berikut  ini merupakan diagram alir dari penelitian.
Gambar 2. Diagram alir penelitian K 0,5 Na 0,5 VO 3 .

## III. III. HASIL DAN DISKUSI
Proses sintesis material K 0,5 Na 0,5 VO 3 (KNV)
dilakukan  dengan  menggunakan  metode  reaksi  padat dengan mencampurkan serbuk K 2 CO 3 , V 2 O 5 dan Na 2 CO 3 sesuai dengan kesetimbangan mol. Pencampuran serbuk- serbuk  tersebut  menggunakan Planetary  Milling selama 1  jam.  Untuk  menghilangkan  alkohol,  maka  material KNV  dipanaskan  dengan  menggunakan Evaporator hingga  KNV  menjadi  kering.  Serbuk  KNV  yang  telah dihaluskan  dengan  menggunakan  mortar  dikalsinasi untuk  menghilangkan  fasa-fasa  yang  tidak  diinginkan, dalam  hal  ini  adalah  fasa  CO 2 yang  dihasilkan  melalui reaksi  kimia  pada  saat  proses  pencampuran  material serbuk K 2 CO 3 , V 2 O 5 dan Na 2 CO 3 . Berikut ini merupakan reaksi kimia pembentukan material KNV.
0,5 K 2 CO 3 + 0,5 Na 2 CO 3 + V 2 O 5 2 K 0,5 Na 0,5 VO 3 + CO 2
Metode  reaksi  padat  yang  digunakan  pada  penelitian ini  dikarenakan  proses  sintesisnya  yang  sederhana  dan lebih  akurat  dalam  pembentukan  komposisi  mol  yang diinginkan. Setelah dilakukan proses kalsinasi selanjutnya diuji XRD.
Berdasarkan  hasil  analisi  XRD  dengan  menggunakan software Match! (Gambar  3)  maka  dapat  dikatakan bahwa serbuk KNV yang telah dikalsinasi memiliki fasa tunggal  dengan  struktur  kristal  monoklinik.  Kemudian serbuk  KNV  dibuat  pelet  dan  disinter  pada  suhu  525°C selama  2  jam.  Untuk  mengetahui  fasa  apa  saja  yang terbentuk setelah proses sinter, maka dilakukan uji XRD.

## Gambar 4. Hasil pola difraksi KNV setelah disinter pada suhu 525˚C selama 2 jam
Hasil analisis pola XRD pada Gambar 4 menunjukkan bahwa  pelet  KNV  yang  telah  disinter  pada  suhu  525°C memiliki fasa tunggal dengan struktur kristal monoklinik. Menurut Calculated  from  ICSD  using  POWD-12++ 25, 285  (1997) KNV  memiliki  struktur  kristal  monoklinik dan  grup  ruang  C2/c  yang  tertera  pada data  sheet software  Match!. Untuk  mengetahui  parameter  kisi  dari pelet  KNV  yang  telah  disinter,  maka  dilakukan  proses refinement dengan  menggunakan software  Rietica. Analisis  ini  menggunakan  metode Le  Bail ,  dimana  akan menghasilkan  data  kuantitatif  berupa  parameter  kisi. Prinsip utama dari metode tersebut adalah mencocokkan data  hasil  pengujian  XRD  dengan data  sheet sehingga didapatkan  data  hasil  pencocokan  berupa  parameter  kisi sampel yang telah diuji XRD.
Tabel 2. Hasil refinement pelet KNV yang disinter pada
suhu 525°C R P (%) R wp (%) R-Bragg GoF(%) 12,40 10,61 0,26 0,068 Parameter kisi a (Å) b (Å) c (Å) Volume Sel (Å) 10,544 9,977 5,817 593,113 α (°) β (°) γ (°) 90 104,25 90
Pada Tabel 2 dapat dilihat bahwa pelet KNV memiliki sudut β sebesar 104,25 °, sedangkan sudut α dan β sebesar 90°.  Selain  itu  pelet  KNV  memiliki  panjang  a,  b,  dan  c yang  berbeda.  Sehingga  dapat  disimpulkan  bahwa  pelet KNV  memiliki  struktur  monoklinik  dengan  grup  ruang C2/c.
Pengujian  densitas  pelet  KNV  dilakukan  dengan mengukur  dimensi  serta  massanya.  Didapatkan  hasil yang tertera pada Tabel 2 berikut.
Tabel 3. Hasil uji densitas pelet KNV Material Densitas (gr/cc) KNV 500 3,25 KNV 525 3,03
Berdasarkan  hasil  pada  Tabel  3  dapat  dilihat  bahwa pelet  KNV  500  memiliki  densitas  yang  lebih  tinggi daripada  pelet  KNV  525.  KNV  memiliki  titik  leleh sekitar 550°C sehingga bahan ini memiliki rentang suhu sinter  dan  kalsinasi  serta  titik  leleh  yang  sangat  pendek jika dibandingkan dengan bahan lain yang memiliki suhu sinter  atau  kalsinasi  yang  tinggi.  Sehingga  antara  suhu kalsinasi dengan suhu sinter serta titik lelehnya memiliki rentang yang panjang.
Peningkatan  suhu  sinter  akan  berdampak  pada pemadatan  suatu  bahan  seiring  dengan  berkurangnya porositas  [7].  Namun  pada  KNV,  dimana  rentang suhunya  sangat  pendek,  hal  tersebut  tidak  berlaku.  Hal tersebut  dikarenakan  pendeknya  rentang  suhu  antara suhu sinter dengan titik leleh mempengaruhi pemadatan. Vanadium  sebagai  bahan  yang  paling  mudah  meleleh dibandingkan dengan Kalium dan Natrium sangat sensitif terhadap  perubahan  suhu.  Ketika  KNV  dilakukan pemanasan  pada  suhu  525°C,  maka  sebagian  kecil  dari vanadium yang lebih dekat dengan permukaan batu tahan api akan lebih dahulu meleleh. Hal tersebut mengakibatkan  terbentuknya  porositas  pada  pelet  KNV, sehingga  KNV  500  memiliki  densitas  yang  lebih  tinggi jika dibandingkan dengan KNV 525.
Beberapa  penelitian  sebelumnya  menunjukkan  bahwa bahan  dielektrik  cenderung  memiliki  suhu  sinter  dan kalsinasi  yang  tinggi.  Misalnya  BaTiO 3 memiliki  suhu sinter  1380°C[5].  Sedangkan  material  MgZnTiO 3 memiliki  suhu  sinter  1400°C  [8].  Untuk  mewujudkan bahan  dielektrik  dengan  suhu  sinter  maupun  kalsinasi yang  rendah  serta  sifat  dielektrik  yang  baik,  maka  perlu dilakukan  pengembangan  lebih  lanjut.  Salah  satunya dengan  memadukan  bahan  satu  dengan  lainnya.  KNV memiliki  suhu  sinter  525°C  dan  suhu  kalsinasi  500°C. Sehingga material KNV 525 dapat digunakan sebagai co- firing  agent bahan  dielektrik  yang  nantinya  dapat menurunkan  suhu  sinter  maupun  kalsinasi  bahan dielektrik.

## IV. KESIMPULAN
Bahan  keramik  K 0,5 Na 0,5 VO 3 yang  telah  disintesis melalui  metode  reaksi  padat  memiliki  fasa  tunggal dengan struktur kristal monoklinik dengan parameter kisi a=10,544  Å,  b=9,977  Å  dan  c=5,817  Å;  memiliki  suhu sinter  500°C  dan  525°C;  serta  memiliki  densitas  3,25 g/cc untuk KNV 500 dan 3,03 g/cc untuk KNV 525 serta berpotensi sebagai co-firing agent.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Allah SWT Rabb  Semesta  Alam,  kedua  orang  tua,  Bapak  Prof.  Dr. Suasmoro,  DEA  selaku  dosen  pembimbing  sekaligus penyandang dana riset, seluruh elemen pengajar dan staf jurusan  Fisika,  serta  teman-teman  Penulis  yang  telah memberikan  dukungan,  semangat  dan  motivasi  kepada Penulis dalam melakukan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Y.  Chang,  Z.  Yang,  X.  Chao,  R.  Zhang,  and  X.  Li, “Dielectric  and  piezoelectric  properties  of  alkaline- earth  titanate  doped  (K0.5Na0.5)NbO3  ceramics,”
Mater. Lett. , vol. 61, no. 3, pp. 785–789, Feb. 2007.
[2] C.  C.  Barry  and  N.  M.  Grant,  “Ceramic  materials: science  and  engineering,” N.  Y.  Springer ,  pp.  635– 651, 2007.
[3] K.  Wang  and  J.-F.  Li,  “(K,  Na)NbO3-based  lead- free  piezoceramics:  Phase  transition,  sintering  and property  enhancement,” J.  Adv.  Ceram. ,  vol.  1,  no. 1, pp. 24–37, Jun. 2012.
[4] M. Barsoum  and  M. W.  Barsoum, Fundamentals  of ceramics . CRC press, 2002.
[5] S.  Wongsaenmai,  S.  Ananta,  and  R.  Yimnirun, “Effect  of  Li  addition  on  phase  formation  behavior and  electrical  properties  of  (K  0.5  Na  0.5)  NbO  3 lead free ceramics,” Ceram.  Int. ,  vol.  38,  no.  1,  pp. 147–152, 2012.
[6] M.-J. Wang, H. Yang, Q.-L. Zhang, Z.-S. Lin, Z.-S. Zhang,  D.  Yu,  and  L.  Hu,  “Microstructure  and dielectric properties of BaTiO 3 ceramic doped with yttrium,  magnesium,  gallium  and  silicon  for  AC capacitor application,” Mater. Res. Bull. , vol. 60, pp.
485–491, 2014.
[7] M. Saleem, I. S. Kim, J. S. Song, S. J. Jeong, M. S. Kim,  and  S.  Yoon,  “Synthesis,  sintering  and dielectric  properties  of  a  BaTiO  3–Ni  composite,” Ceram. Int. , vol. 40, no. 5, pp. 7329–7335, 2014.
[8] F. U. Ermawati, S. Pratapa, S. Suasmoro, T. Hübert, and U. Banach, “Preparation and structural study of Mg1-  x  Zn  x  TiO3  ceramics  and  their  dielectric properties  from  1  Hz  to  7.7  GHz,” J.  Mater.  Sci. Mater. Electron. , pp. 1–9.