PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM TESIS
PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG
DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM
TESIS
Oleh :
SAUFA TASLIMA
147026006
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUA ALAM
UNIVERSITAS SUMATRA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG DIDOPING
DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar magister
sains dalam program studi ilmu fisika pascasarjana universitas
sumatra utara
Oleh
Saufa Taslima
NIM : 147026006
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATRA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN ORISINALITAS
PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG DIDOPING
DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM
TESIS
Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah
hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan
sumbernya dengan benar.
Medan ,
Desember 2016
SAUFA TASLIMA
NIM 147026006
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN
AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatra Utara, saya yang bertanda tangan di
bawah ini :
Nama
: SAUFA TASLIMA
NIM
: 047026006
Program studi
: Magister Ilmu Fisika
Jenis Karya Ilmiah : Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Sumatra Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive Royalty
Free Right) atas tesis saya yang berjudul : PREPARASI DAN KARAKTERISASI
ZINC OXIDE YANG DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN
CROMIUM
Berserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalty NonEksklusif ini, universitas Sumatra Utara berhak menyimpan, mengalih media,
memformat, mengelola dalam data-base, merawat dan mempublikasikan Tesis saya
tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis
dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya .
Medan, Desember 2016
SAUFA TASLIMA
Universitas Sumatera Utara
Telah diuji pada
Tanggal :
Desember 2016
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua
: Dr. Kerista Sebayang, M.S
Anggota
: 1. Prof. Drs. Masno Ginting M.Sc
: 2. Prof. Dr. Eddy marlinto, M.Sc
: 3. Dr. Bisman Perangin-angin, M.Eng. Sc.
: 4. Prof. Dr. Nasruddin Noer, M.Eng.Sc.
Universitas Sumatera Utara
RIWAYAT HIDUP
DATA PRIBADI
Nama lengkap berikut gelar
: Saufa Taslima, S.Pd
Tempat dan Tanggal Lahir
: Kebayakan, 31 Januari 1990
Alamat Rumah
: Desa kelupak Mata, Kec. Kebayakan, Kab.
Aceh Tengah
Telefon/Faks/HP
: 0823 6531 6008
E-mail
: saufataslima90@gmail.com
DATA PENDIDIKAN
SD
: SDN Kelupak Mata
Tamat : 2001
MTsN
: MTsN 1 Aceh Tengah
Tamat : 2004
SMA
: SMA Muhammadiyah takengon
Tamat : 2007
Strata-1
: FKIP Universitas Al-wasliyah Medan
Tamat : 2011
Srata-2
: Universitas Sumatra Utara
Tamat : 2016
Universitas Sumatera Utara
PENGESAHAN TESIS
JUDUL
: PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE
YANG DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL
FERRIT DAN CROMIUM
NAMA MAHASISWA : SAUFA TASLIMA
NOMOR POKOK
: 147026006
PROGRAM STUDI : MAGISTER ILMU FISIKA
FAKULTAS
: Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
Menyetujui,
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Kerista Sebayang, M.S
NIP 19580623 198601 1 001
Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc
NIP 19561028 198403 1 002
Ketua Program Studi,
Prof. Dr. Nasruddin M.N, M.Eng.Sc
NIP 19550706 198102 1 002
Dekan,
Kepala Pusat Penelitian Fisika-LIPI,
Dr. Kerista Sebayang, M.S
NIP 19580623 198601 1 001
Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng
NIP 19620430 198803 1 001
Tanggal lulus :
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Allah SWT., atas segala nikmatNya sehingga dapat
menyelesaikan penulisan tesis ini yang berjudul : “preparasi dan karakterisasi zinc
oxide yang didoping dengan transisi metal ferrit dan cromium”.
Penulisan tesis ini dilakukan dalam rangka memenuhi gelar Master Fisika pada
Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatra Utara – Medan.
Tersusunnya tesis ini tidak akan lepas dari berbagai pihak, untuk itu segala
kerendahan hati menyampaikan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya
kepada :
1.
Prof. DR. Runtung Sitepu, SH. MHum., selaku Rektor Universitas Sumatra
Utara-Medan.
2.
Dr. Kerista Sebayang, M.S., selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam Universitas Sumatra Urata-Medan.
3.
Prof. Dr.Nasruddin M, M.Eng.Sc dan Dr. Anwar Dharma, MS selaku Ketua dan
sekertaris program Studi Magister Fisika berserta seluruh staf pengajar
pascasarjana FMIPA Universitas Sumatra Utara – Medan terima kasih ilmu yang
diberikan selama ini.
4.
Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc, selaku pembimbing kedua dan pembimbing
lapangan yang selalu bersedia meluangkan waktunya dalam mengarahkan dan
membimbing, sehingga penelitian ini dapat terlaksana dengan baik.
5.
Dr. Kerista Sebayang, M.S., (pembimbing I), Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc
(pembimbing II) yang selalu memberikan masukan.
6.
Didik Aryanto, S.Si, MS,. Selaku pembimbing lapangan yang selalu bersedia
meluangkan waktunya dalam membimbing dan mengarahkan, seingga penelitian
ini dapat terlaksana dengan baik.
7.
Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Sc., selaku pembimbing lapangan yang
bersedia meluangkan waktunya dalam mengarahkan dan membimbing. Sehingga
penelitian ini dapat terlaksana dengan baik serta pendamping pembimbing
lapangan
i
Universitas Sumatera Utara
8.
Ayah Ismail Muljib dan Ibu Siti Hajar yang telah banyak membantu doa, biaya,
semangat dan nasehat kepada penulis.
9.
Teman – teman seperjuangan angkatan 2014 Enda Rasilta T, Sondang Martini
CS dan Selamat fatulo H, yang telah membantu menyelesaikan penelitian ini.
Dalam penulisan tesis ini disadari bahwa masih terdapat kekurangan dan
kelemahan. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun
demi penyempurnaan isi dan analisa yang disajikan. Akhir kata semoga tulisan ini
bermamfaat bagi yang membutuhkannya. Amin
Medan, Desember 2016
SAUFA TASLIMA
ii
Universitas Sumatera Utara
Preparasi Dan Karakterisasi Zinc Oxide yang Didoping dengan
Transisi Metal Ferrit Dan Cromium
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian tentang preparasi ZnO yang didoping dengan Fe dan ZnO
doping Cr. Pada penelitian ini proses preparasi ZnO doping Fe dan ZnO doping Cr
dilakukan dengan menggunakan metode solid state reaction, dengan variasi komposisi
(2,5;3,5 dan 4,5% atom) yang disintering dengan suhu 9000C selama 4 jam. mikrostruktur,
sifat magnet dan listrik sampel yang dihasilkan telah dikarakterisasi dengan XRD (X-Ray
Diffraction), Vibrating Sampel Magnetometer (VSM), I-V dan C-V meter. Hasil
karakterisasi XRD menunjukkan bahwa Fe dan Cr telah bergabung dengan ZnO (hexagonal
wurtzite) dengan bertambahnya komposisi dari Fe dan Cr menunjukkan hadirnya impurity
yaitu ZnFe2O4 dan ZnCr2O4, dimana ukuran kristal dari ZnO doping Fe berkisar antara 53,5
nm – 50,8 nm dan ZnO yang didoping Cr memiliki ukuran kristal antara 51,7 nm-51,9 nm.
Dari hasil VSM ZnO doping Fe dan Cr menunjukkan sifat diamagnetik menjadi
paramagnetik. Hasil I-V dan C-V meter ZnO yang didoping Fe dan Cr menunjukkan hasil
yang berbeda dimana doping Fe menghasilkan nilai resisitivitas menurun (konduktivitas
meningkat) dan konstanta dielektrik menurun sedangkan doping Cr nilai resistivitas
meningkat (konduktivitas menurun) dan konstanta dileketrik menurun.
Kata kunci : Ferrit, kromium, ZnO, struktur, sifat magnet dan sifat listrik.
iii
Universitas Sumatera Utara
Preparation and Characterization of Zinc Oxide Doped with
Transition Metals of Ferrite and Chromium
ABSTRACT
The research was of the preparation ZnO doped with Fe and Cr. The preparation ZnO
doped Fe and Cr is done by solid state reaction method. With the variety composition (2,5:
3,5 and 4,5% atom) which sintering at 9000C for 4 hours. The microstructure, magnetic
and electrical properties of resulted sample had been characterized with XRD (X-Ray
Diffraction), Vibrating Sample Magnetometer (VSM), I-V and C-V meter. The XRD
characterization result indicated that Fe and Cr has been incorporated into ZnO (wurtzite
hexagonal) with increases the composition of the Fe and Cr result present of impurity that
is ZnFe2O4 and ZnCr2O4, where is the crystallite size ZnO doped with Fe around 53.5 nm –
50.8 nm and crystallite size of ZnO doped with Cr around 51,7 nm-51,9 nm. From the
result of VSM ZnO doped with Fe and Cr showed that diamagnetic to paramagnetic
properties. Result of I-V and C-V meter ZnO doped with Fe and Cr showed that the
different result which Fe doping generates decreased value of resistivity (conductivity
increases) and decreased dielectric constant while the value of resistivity Cr doping
increases (conductivity decreases) and dielectric constant decreases.
Keywords: Ferrite, Chromium, ZnO, structure, magnetic properties and electrical
properties
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ........................................................................................
i
Abstrak ....................................................................................................
iii
Abstract ...................................................................................................
iv
Daftar isi ..................................................................................................
v
Daftar Gambar ........................................................................................
vii
Daftar Tabel ...........................................................................................
x
BAB I PENDAHULUAN .....................................................................
1
1.1. Latar Belakang ...................................................................
1
1.2. Perumusan Masalah ...........................................................
5
1.3. Batasan Masalah ................................................................
5
1.4. Tujuan penelitian ...............................................................
6
1.5. Manfaat Penelitian .............................................................
6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..........................................................
7
2.1 Dilute
Magnetic
Semiconductor
(DMS)
dan
Perkembanganya ................................................................
7
2.2 Senyawa ZnO .....................................................................
8
2.3 Doping logam besi (Fe) .....................................................
10
2.4 Chromium (Cr) ...................................................................
10
2.5 Sifat Kemagnetan Bahan ...................................................
11
1.5.1 Bahan diamagnetik .................................................
11
1.5.2 Bahan paramagnetik ...............................................
12
1.5.3 Bahan Ferromagnetik .............................................
13
1.5.4 Bahan Anti Ferromagnetik .....................................
14
2.6 Solid State Reaction Method ..............................................
14
2.6.1 Penggilingan dan Pencampuran Serbuk (Milling
and Mixing of Powder) ..........................................
15
2.6.2 Penekanan (compaction) ........................................
17
2.6.3 Pemanasan (Sintering) ...........................................
18
2.7 X-Ray Difraction (XRD) ....................................................
20
2.8 VSM ( Vibrating Sampel Magnetometer) ..........................
21
v
Universitas Sumatera Utara
2.9 Sifat listrik..........................................................................
22
2.9.1 Resisitivitas dan Konduktivitas..............................
22
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...........................................
26
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ............................................
26
3.1.1. Tempat penelitian ...................................................
26
3.1.2. Waktu penelitian ....................................................
26
3.2. Bahan dan Alat...................................................................
26
3.2.1. Bahan .....................................................................
26
3.2.2. Alat .........................................................................
26
3.3. Diagram Alir Penelitian .....................................................
28
3.4. Preparasi Sampel................................................................
29
3.5. Karakterisasi ......................................................................
32
3.5.1. X-Ray Difraction (XRD) ........................................
32
3.5.2. VSM ( Vibrating Sampel Magnetometer) ..............
33
3.5.3. Karakterisasi I-V dan C-V meter ...........................
34
BAB VI HASIL DAN PEMBAHASAN ..............................................
36
4.1 Analisa X-Ray Diffraction (XRD) ........................................
36
4.2 Analisa VSM ( Vibrating Sample Magnetometer) ...............
42
4.3 Analisa sifat listrik ...............................................................
46
4.3.1 Karakterisasi I-V dan C-V ........................................
46
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...............................................
50
5.1 Kesimpulan ........................................................................
50
5.2 Saran ..................................................................................
51
Daftar Pustaka .......................................................................................
52
Lampiran
vi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
(A) semikonduktor biasa, (B) semikonduktor magnetik,
dan (C) Dilute Magnetic Semiconductor (Ohno, 1998) . … 7
Gambar 2.2
serbuk ZnO murni............................................................
8
Gambar 2.3
Struktur ZnO, bola abu-abu dan hitam menunjukkan Zn
dan O (Verlag & Weinheim, 2009) .................................
9
Gambar 2.4
serbuk besi (Fe) ...............................................................
10
Gambar 2.5
Arah domain dan kurva bahan diamagnetik ....................
11
Gambar 2.6
Arah domain dan kurva bahan paramagnetik (a).
sebelum diberi medan magnet luar, (b). setelah diberi
medan magnet luar. .........................................................
12
Grafik Mvs H yang menunjukkan sifat diamagnetik,
paramagnetik dan ferromagnetik pada bahan (Morkoc
& Ozgur, 2009) ................................................................
13
Gambar 2.8
Arah domain dan kurva bahan Ferromagnetik ................
13
Gambar 2.9
Arah domain dan kurva bahan anti ferromagnetik, (a)
sebelum diberi medan magnet luar, (b) setelah diberi
medan magnet luar. .........................................................
14
Gambar 2.10 Rangkaian proses solid state reaction secara
konvensional: (1) milling, (2) compacting, dan (3)
sintering; (a) menunjukkan kondisi partikel ketika (b)
menunjukkan operasi dan kerja alat selama rangkain
proses preparasi (Groover, 2012) ....................................
15
Gambar 2.11 Beberapa model alat untuk blending/milling dan mixing
: (a) rotating drum (b) rotating double-cone (c) screw
mixer (d) blade mixer (Groover, 2012) ...........................
16
Gambar 2.12 (a) Efek dari pemberian tekanan selama proses
kompaksi (1) serbuk awal setelah filling (2) repacking,
dan (3) deformasi partikel; (b) kerapatan serbuk sebagai
fungsi tekanan (Groover, 2012) .......................................
18
Gambar 2.13 Proses sintering pada skala mikrokopis (Groover, 2012)
19
Gambar 2.14 Perlakuan panas dalam proses sintering ..........................
20
Gambar 2.15 Difraksi bidang atom .......................................................
20
Gambar 2.7
vii
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.16 Kisaran konduktivitas untuk isolator, semikonduktor,
dan konduktor ..................................................................
24
Gambar 3.1
Diagram alir penelitian ....................................................
28
Gambar 3.2
Mesin High Speedshaker Mill (HSM) .............................
30
Gambar 3.3
Oven ................................................................................
30
Gambar 3.4
Autometic Hydraulic press ..............................................
31
Gambar 3.5
Tungku pembakaran (furnance) tipe KSL-1700X............
32
Gambar 3.6
Mesin Smartlab Rigaku ...................................................
33
Gambar 3.7
Vibrating Sample Magnetometer (VSM) ........................
33
Gambar 3.8
I-V meter Fluke 8842A multimeter..................................
34
Gambar 3.9
C-V Keithley model 590 CV Analyzer .............................
35
Gambar 4.1
Pola XRD dari ZnO doping Fe dan Cr untuk sampel A,
B, C, D, E, F dan G yang disintering pada suhu 9000C
selama 4 jam ....................................................................
Gambar 4.2
37
(a) pola intensitas XRD dari ZnO doping Fe pada
puncak bidang (002) (b) pola intensitas XRD dari ZnO
doping Cr pada puncak bidang (002) ..............................
38
Gambar 4.3
Detail observasi pola XRD dari sudut 20 sampai 80° ....
39
Gambar 4.4
(a) Kurva histeresis dari ZnO yang didoping dengan Fe
untuk sampel A, B, C dan D, (b), (c), (d), (e) ZnO
doping Fe (x = 0;2,5;3,5 dan 4,5% atom) ........................
43
Gambar 4.5 (a) Kurva histeresis dari ZnO yang didoping dengan Cr
untuk sampel A, E, F dan G, (b), (c), (d) ZnO doping
Cr (x = 0;2,5;3,5 dan 4,5% atom) ....................................
45
viii
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.6
Gambar 4.7
(a) Kurva I-V dari ZnO doping Fe dan (b) Kurva I-V
dari ZnO doping Cr .........................................................
46
Sampel bulk yang telah dilapisi pasta perak....................
48
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Karakterisasi ZnO ............................................................
9
Tabel 2.2
Karakterisasi logam Fe (besi) ..........................................
10
Tabel 2.3
Karakterisasi logam Cr (Crom) .......................................
11
Tabel 3.1
Perhitungan komposisi sample ZnO doping Fe...............
29
Tabel 3.2
perhitungan komposisi sample ZnO doping Cr ...............
29
Tabel 4.1
Kode sample ....................................................................
36
Tabel 4.2
Parameter kristal untuk sampel A sampai G puncak
pada orientasi (002) .........................................................
Tabel 4.3
41
Hasil pengukuran dan perhitungan sifat listrik dari ZnO
doping Fe dan Cr .............................................................
47
x
Universitas Sumatera Utara
DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM
TESIS
Oleh :
SAUFA TASLIMA
147026006
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUA ALAM
UNIVERSITAS SUMATRA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG DIDOPING
DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar magister
sains dalam program studi ilmu fisika pascasarjana universitas
sumatra utara
Oleh
Saufa Taslima
NIM : 147026006
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATRA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN ORISINALITAS
PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE YANG DIDOPING
DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN CROMIUM
TESIS
Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah
hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan
sumbernya dengan benar.
Medan ,
Desember 2016
SAUFA TASLIMA
NIM 147026006
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN
AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatra Utara, saya yang bertanda tangan di
bawah ini :
Nama
: SAUFA TASLIMA
NIM
: 047026006
Program studi
: Magister Ilmu Fisika
Jenis Karya Ilmiah : Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Sumatra Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive Royalty
Free Right) atas tesis saya yang berjudul : PREPARASI DAN KARAKTERISASI
ZINC OXIDE YANG DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL FERRIT DAN
CROMIUM
Berserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalty NonEksklusif ini, universitas Sumatra Utara berhak menyimpan, mengalih media,
memformat, mengelola dalam data-base, merawat dan mempublikasikan Tesis saya
tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis
dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya .
Medan, Desember 2016
SAUFA TASLIMA
Universitas Sumatera Utara
Telah diuji pada
Tanggal :
Desember 2016
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua
: Dr. Kerista Sebayang, M.S
Anggota
: 1. Prof. Drs. Masno Ginting M.Sc
: 2. Prof. Dr. Eddy marlinto, M.Sc
: 3. Dr. Bisman Perangin-angin, M.Eng. Sc.
: 4. Prof. Dr. Nasruddin Noer, M.Eng.Sc.
Universitas Sumatera Utara
RIWAYAT HIDUP
DATA PRIBADI
Nama lengkap berikut gelar
: Saufa Taslima, S.Pd
Tempat dan Tanggal Lahir
: Kebayakan, 31 Januari 1990
Alamat Rumah
: Desa kelupak Mata, Kec. Kebayakan, Kab.
Aceh Tengah
Telefon/Faks/HP
: 0823 6531 6008
: saufataslima90@gmail.com
DATA PENDIDIKAN
SD
: SDN Kelupak Mata
Tamat : 2001
MTsN
: MTsN 1 Aceh Tengah
Tamat : 2004
SMA
: SMA Muhammadiyah takengon
Tamat : 2007
Strata-1
: FKIP Universitas Al-wasliyah Medan
Tamat : 2011
Srata-2
: Universitas Sumatra Utara
Tamat : 2016
Universitas Sumatera Utara
PENGESAHAN TESIS
JUDUL
: PREPARASI DAN KARAKTERISASI ZINC OXIDE
YANG DIDOPING DENGAN TRANSISI METAL
FERRIT DAN CROMIUM
NAMA MAHASISWA : SAUFA TASLIMA
NOMOR POKOK
: 147026006
PROGRAM STUDI : MAGISTER ILMU FISIKA
FAKULTAS
: Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
Menyetujui,
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Kerista Sebayang, M.S
NIP 19580623 198601 1 001
Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc
NIP 19561028 198403 1 002
Ketua Program Studi,
Prof. Dr. Nasruddin M.N, M.Eng.Sc
NIP 19550706 198102 1 002
Dekan,
Kepala Pusat Penelitian Fisika-LIPI,
Dr. Kerista Sebayang, M.S
NIP 19580623 198601 1 001
Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng
NIP 19620430 198803 1 001
Tanggal lulus :
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Allah SWT., atas segala nikmatNya sehingga dapat
menyelesaikan penulisan tesis ini yang berjudul : “preparasi dan karakterisasi zinc
oxide yang didoping dengan transisi metal ferrit dan cromium”.
Penulisan tesis ini dilakukan dalam rangka memenuhi gelar Master Fisika pada
Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatra Utara – Medan.
Tersusunnya tesis ini tidak akan lepas dari berbagai pihak, untuk itu segala
kerendahan hati menyampaikan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya
kepada :
1.
Prof. DR. Runtung Sitepu, SH. MHum., selaku Rektor Universitas Sumatra
Utara-Medan.
2.
Dr. Kerista Sebayang, M.S., selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam Universitas Sumatra Urata-Medan.
3.
Prof. Dr.Nasruddin M, M.Eng.Sc dan Dr. Anwar Dharma, MS selaku Ketua dan
sekertaris program Studi Magister Fisika berserta seluruh staf pengajar
pascasarjana FMIPA Universitas Sumatra Utara – Medan terima kasih ilmu yang
diberikan selama ini.
4.
Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc, selaku pembimbing kedua dan pembimbing
lapangan yang selalu bersedia meluangkan waktunya dalam mengarahkan dan
membimbing, sehingga penelitian ini dapat terlaksana dengan baik.
5.
Dr. Kerista Sebayang, M.S., (pembimbing I), Prof. Dr. Masno Ginting, M.Sc
(pembimbing II) yang selalu memberikan masukan.
6.
Didik Aryanto, S.Si, MS,. Selaku pembimbing lapangan yang selalu bersedia
meluangkan waktunya dalam membimbing dan mengarahkan, seingga penelitian
ini dapat terlaksana dengan baik.
7.
Prof. Drs. Perdamean Sebayang, M.Sc., selaku pembimbing lapangan yang
bersedia meluangkan waktunya dalam mengarahkan dan membimbing. Sehingga
penelitian ini dapat terlaksana dengan baik serta pendamping pembimbing
lapangan
i
Universitas Sumatera Utara
8.
Ayah Ismail Muljib dan Ibu Siti Hajar yang telah banyak membantu doa, biaya,
semangat dan nasehat kepada penulis.
9.
Teman – teman seperjuangan angkatan 2014 Enda Rasilta T, Sondang Martini
CS dan Selamat fatulo H, yang telah membantu menyelesaikan penelitian ini.
Dalam penulisan tesis ini disadari bahwa masih terdapat kekurangan dan
kelemahan. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun
demi penyempurnaan isi dan analisa yang disajikan. Akhir kata semoga tulisan ini
bermamfaat bagi yang membutuhkannya. Amin
Medan, Desember 2016
SAUFA TASLIMA
ii
Universitas Sumatera Utara
Preparasi Dan Karakterisasi Zinc Oxide yang Didoping dengan
Transisi Metal Ferrit Dan Cromium
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian tentang preparasi ZnO yang didoping dengan Fe dan ZnO
doping Cr. Pada penelitian ini proses preparasi ZnO doping Fe dan ZnO doping Cr
dilakukan dengan menggunakan metode solid state reaction, dengan variasi komposisi
(2,5;3,5 dan 4,5% atom) yang disintering dengan suhu 9000C selama 4 jam. mikrostruktur,
sifat magnet dan listrik sampel yang dihasilkan telah dikarakterisasi dengan XRD (X-Ray
Diffraction), Vibrating Sampel Magnetometer (VSM), I-V dan C-V meter. Hasil
karakterisasi XRD menunjukkan bahwa Fe dan Cr telah bergabung dengan ZnO (hexagonal
wurtzite) dengan bertambahnya komposisi dari Fe dan Cr menunjukkan hadirnya impurity
yaitu ZnFe2O4 dan ZnCr2O4, dimana ukuran kristal dari ZnO doping Fe berkisar antara 53,5
nm – 50,8 nm dan ZnO yang didoping Cr memiliki ukuran kristal antara 51,7 nm-51,9 nm.
Dari hasil VSM ZnO doping Fe dan Cr menunjukkan sifat diamagnetik menjadi
paramagnetik. Hasil I-V dan C-V meter ZnO yang didoping Fe dan Cr menunjukkan hasil
yang berbeda dimana doping Fe menghasilkan nilai resisitivitas menurun (konduktivitas
meningkat) dan konstanta dielektrik menurun sedangkan doping Cr nilai resistivitas
meningkat (konduktivitas menurun) dan konstanta dileketrik menurun.
Kata kunci : Ferrit, kromium, ZnO, struktur, sifat magnet dan sifat listrik.
iii
Universitas Sumatera Utara
Preparation and Characterization of Zinc Oxide Doped with
Transition Metals of Ferrite and Chromium
ABSTRACT
The research was of the preparation ZnO doped with Fe and Cr. The preparation ZnO
doped Fe and Cr is done by solid state reaction method. With the variety composition (2,5:
3,5 and 4,5% atom) which sintering at 9000C for 4 hours. The microstructure, magnetic
and electrical properties of resulted sample had been characterized with XRD (X-Ray
Diffraction), Vibrating Sample Magnetometer (VSM), I-V and C-V meter. The XRD
characterization result indicated that Fe and Cr has been incorporated into ZnO (wurtzite
hexagonal) with increases the composition of the Fe and Cr result present of impurity that
is ZnFe2O4 and ZnCr2O4, where is the crystallite size ZnO doped with Fe around 53.5 nm –
50.8 nm and crystallite size of ZnO doped with Cr around 51,7 nm-51,9 nm. From the
result of VSM ZnO doped with Fe and Cr showed that diamagnetic to paramagnetic
properties. Result of I-V and C-V meter ZnO doped with Fe and Cr showed that the
different result which Fe doping generates decreased value of resistivity (conductivity
increases) and decreased dielectric constant while the value of resistivity Cr doping
increases (conductivity decreases) and dielectric constant decreases.
Keywords: Ferrite, Chromium, ZnO, structure, magnetic properties and electrical
properties
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ........................................................................................
i
Abstrak ....................................................................................................
iii
Abstract ...................................................................................................
iv
Daftar isi ..................................................................................................
v
Daftar Gambar ........................................................................................
vii
Daftar Tabel ...........................................................................................
x
BAB I PENDAHULUAN .....................................................................
1
1.1. Latar Belakang ...................................................................
1
1.2. Perumusan Masalah ...........................................................
5
1.3. Batasan Masalah ................................................................
5
1.4. Tujuan penelitian ...............................................................
6
1.5. Manfaat Penelitian .............................................................
6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..........................................................
7
2.1 Dilute
Magnetic
Semiconductor
(DMS)
dan
Perkembanganya ................................................................
7
2.2 Senyawa ZnO .....................................................................
8
2.3 Doping logam besi (Fe) .....................................................
10
2.4 Chromium (Cr) ...................................................................
10
2.5 Sifat Kemagnetan Bahan ...................................................
11
1.5.1 Bahan diamagnetik .................................................
11
1.5.2 Bahan paramagnetik ...............................................
12
1.5.3 Bahan Ferromagnetik .............................................
13
1.5.4 Bahan Anti Ferromagnetik .....................................
14
2.6 Solid State Reaction Method ..............................................
14
2.6.1 Penggilingan dan Pencampuran Serbuk (Milling
and Mixing of Powder) ..........................................
15
2.6.2 Penekanan (compaction) ........................................
17
2.6.3 Pemanasan (Sintering) ...........................................
18
2.7 X-Ray Difraction (XRD) ....................................................
20
2.8 VSM ( Vibrating Sampel Magnetometer) ..........................
21
v
Universitas Sumatera Utara
2.9 Sifat listrik..........................................................................
22
2.9.1 Resisitivitas dan Konduktivitas..............................
22
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...........................................
26
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ............................................
26
3.1.1. Tempat penelitian ...................................................
26
3.1.2. Waktu penelitian ....................................................
26
3.2. Bahan dan Alat...................................................................
26
3.2.1. Bahan .....................................................................
26
3.2.2. Alat .........................................................................
26
3.3. Diagram Alir Penelitian .....................................................
28
3.4. Preparasi Sampel................................................................
29
3.5. Karakterisasi ......................................................................
32
3.5.1. X-Ray Difraction (XRD) ........................................
32
3.5.2. VSM ( Vibrating Sampel Magnetometer) ..............
33
3.5.3. Karakterisasi I-V dan C-V meter ...........................
34
BAB VI HASIL DAN PEMBAHASAN ..............................................
36
4.1 Analisa X-Ray Diffraction (XRD) ........................................
36
4.2 Analisa VSM ( Vibrating Sample Magnetometer) ...............
42
4.3 Analisa sifat listrik ...............................................................
46
4.3.1 Karakterisasi I-V dan C-V ........................................
46
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...............................................
50
5.1 Kesimpulan ........................................................................
50
5.2 Saran ..................................................................................
51
Daftar Pustaka .......................................................................................
52
Lampiran
vi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
(A) semikonduktor biasa, (B) semikonduktor magnetik,
dan (C) Dilute Magnetic Semiconductor (Ohno, 1998) . … 7
Gambar 2.2
serbuk ZnO murni............................................................
8
Gambar 2.3
Struktur ZnO, bola abu-abu dan hitam menunjukkan Zn
dan O (Verlag & Weinheim, 2009) .................................
9
Gambar 2.4
serbuk besi (Fe) ...............................................................
10
Gambar 2.5
Arah domain dan kurva bahan diamagnetik ....................
11
Gambar 2.6
Arah domain dan kurva bahan paramagnetik (a).
sebelum diberi medan magnet luar, (b). setelah diberi
medan magnet luar. .........................................................
12
Grafik Mvs H yang menunjukkan sifat diamagnetik,
paramagnetik dan ferromagnetik pada bahan (Morkoc
& Ozgur, 2009) ................................................................
13
Gambar 2.8
Arah domain dan kurva bahan Ferromagnetik ................
13
Gambar 2.9
Arah domain dan kurva bahan anti ferromagnetik, (a)
sebelum diberi medan magnet luar, (b) setelah diberi
medan magnet luar. .........................................................
14
Gambar 2.10 Rangkaian proses solid state reaction secara
konvensional: (1) milling, (2) compacting, dan (3)
sintering; (a) menunjukkan kondisi partikel ketika (b)
menunjukkan operasi dan kerja alat selama rangkain
proses preparasi (Groover, 2012) ....................................
15
Gambar 2.11 Beberapa model alat untuk blending/milling dan mixing
: (a) rotating drum (b) rotating double-cone (c) screw
mixer (d) blade mixer (Groover, 2012) ...........................
16
Gambar 2.12 (a) Efek dari pemberian tekanan selama proses
kompaksi (1) serbuk awal setelah filling (2) repacking,
dan (3) deformasi partikel; (b) kerapatan serbuk sebagai
fungsi tekanan (Groover, 2012) .......................................
18
Gambar 2.13 Proses sintering pada skala mikrokopis (Groover, 2012)
19
Gambar 2.14 Perlakuan panas dalam proses sintering ..........................
20
Gambar 2.15 Difraksi bidang atom .......................................................
20
Gambar 2.7
vii
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.16 Kisaran konduktivitas untuk isolator, semikonduktor,
dan konduktor ..................................................................
24
Gambar 3.1
Diagram alir penelitian ....................................................
28
Gambar 3.2
Mesin High Speedshaker Mill (HSM) .............................
30
Gambar 3.3
Oven ................................................................................
30
Gambar 3.4
Autometic Hydraulic press ..............................................
31
Gambar 3.5
Tungku pembakaran (furnance) tipe KSL-1700X............
32
Gambar 3.6
Mesin Smartlab Rigaku ...................................................
33
Gambar 3.7
Vibrating Sample Magnetometer (VSM) ........................
33
Gambar 3.8
I-V meter Fluke 8842A multimeter..................................
34
Gambar 3.9
C-V Keithley model 590 CV Analyzer .............................
35
Gambar 4.1
Pola XRD dari ZnO doping Fe dan Cr untuk sampel A,
B, C, D, E, F dan G yang disintering pada suhu 9000C
selama 4 jam ....................................................................
Gambar 4.2
37
(a) pola intensitas XRD dari ZnO doping Fe pada
puncak bidang (002) (b) pola intensitas XRD dari ZnO
doping Cr pada puncak bidang (002) ..............................
38
Gambar 4.3
Detail observasi pola XRD dari sudut 20 sampai 80° ....
39
Gambar 4.4
(a) Kurva histeresis dari ZnO yang didoping dengan Fe
untuk sampel A, B, C dan D, (b), (c), (d), (e) ZnO
doping Fe (x = 0;2,5;3,5 dan 4,5% atom) ........................
43
Gambar 4.5 (a) Kurva histeresis dari ZnO yang didoping dengan Cr
untuk sampel A, E, F dan G, (b), (c), (d) ZnO doping
Cr (x = 0;2,5;3,5 dan 4,5% atom) ....................................
45
viii
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.6
Gambar 4.7
(a) Kurva I-V dari ZnO doping Fe dan (b) Kurva I-V
dari ZnO doping Cr .........................................................
46
Sampel bulk yang telah dilapisi pasta perak....................
48
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Karakterisasi ZnO ............................................................
9
Tabel 2.2
Karakterisasi logam Fe (besi) ..........................................
10
Tabel 2.3
Karakterisasi logam Cr (Crom) .......................................
11
Tabel 3.1
Perhitungan komposisi sample ZnO doping Fe...............
29
Tabel 3.2
perhitungan komposisi sample ZnO doping Cr ...............
29
Tabel 4.1
Kode sample ....................................................................
36
Tabel 4.2
Parameter kristal untuk sampel A sampai G puncak
pada orientasi (002) .........................................................
Tabel 4.3
41
Hasil pengukuran dan perhitungan sifat listrik dari ZnO
doping Fe dan Cr .............................................................
47
x
Universitas Sumatera Utara