PEMBUATAN SUPERKONDUKTOR SUHU TINGGI Tl 2-x Crx Ba2 CaCu2O 8- δ (Tl-2212) DENGAN REAKSI STOIKIOMETRI
PEMBUATAN SUPERKONDUKTOR SUHU TINGGI Tl Cr Ba CaCu O 2-x x
2 2 8- δ
(Tl-2212) DENGAN REAKSI STOIKIOMETRI
1
1
1
2 Syahrul Humaidi, Eddy Marlianto, Marhaposan S dan Roslan Abd-Shukor
1 Departemen Fisika, FMIPA, Universitas Sumatera Utara
Jalan Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155, Indonesia
2 School of Applied Physics, FST, Universiti Kebangsaan Malaysia
Email: humaidi2009@gmail.com
ABSTRAK
Superkonduktor Tl Cr Ba CaCu O (Tl-2212) dengan x= 0.0, ..., 0.3 telah disediakan
2-x x
2 2 8- δ
melalui metode konvensional (reaksi stoikiometri) dengan bahan pelopor serbuk Barium Karbonat. Bahan pelopor disinter pada suhu 900 C selama 24 jam dengan 2 kali penggerusan. Setelah Tl O dan Cr O ditambahkan, serbuk ditekan dengan penekan
2
3
2
3
hidrolik sebesar 7 ton selama 10 menit untuk menghasilkan pelet setebal 2 mm dan
o
diameter 13 mm. Pelet selanjutnya disinter pada 900 C dalam tube kuarsa sambil dialiri gas oksigen selama 4-5 menit dan didinginkan sampai temperatur kamar. Hambatan sampel ditentukan dengan metode van der Pauw dengan cat perak sebagai kontaknya menggunakan pompa vakum model kompressor Edwards Cryogenics 8200 dan CTL- Cryogenics model 22 dalam batas temperatur 300K-30K. Keberadaan fasa Tl-2212
o o
ditentukan dengan difraksi sinar- -60 . Dari hasil kurva X metode serbuk dengan 2Θ= 0 hambatan melawan temperatur, terlihat bahwa sample bersifat logam sebelum menunjukkan gejala superkonduktivitas. Temperatur kritis berkisar dari 75K sampai 96 yang mengindikasikan sampel tergolong superkonduktor suhu tinggi. Temperatur kritis meningkat dari 93K menjadi 96K dengan penambahan 0.2 mole% Cr O , Analisa XRD
2
3 menunjukkan semua sampel yang disediakan berfasa mayor Tl-2212.
Kata kunci: superkonduktor suhu tinggi, temperatur kritis, Tl-2212 dan cryogenics
ABSTRACT
High Temperature Superconductor Tl 2-x Cr x Ba
2 CaCu
2 O 8- δ (Tl-2212) dengan x= 0.0, ..., 0.3
have been synthesized via the solid state reaction method (stoichiometric) with BaCO
3
o
precursor. The powders were sintered at 900 C for 24 hours with twice grounding. The powders were then pressed into pellets of 13 mm diameter and 2 mm thickness under a load of 7 metric tons using hydraulic press for 10 minutes with addition of Tl O and
2
3 o
Cr
2 O
3 . The pellets were sintered at 900 C in a quarz tube in oxygen flow for 4-5 mins
followed by furnace cooling. The van der Pauw method with silver paste contact has been employed to study the resistance of materials. The resistance and temperatur dependence were conducted in the range of 300K-30K using Edwards Cryogenics 8200 and CTL-Cryogenics model 22 compressor and X-ray powder diffraction has been
o o
employed to identify the Tl-2212 phase occurence with -60 . The resistance versus 2Θ= 0 temperature dependance curve showed that all samples have a metal characteristic at normal state. The critical temperature in the range of 75K-96K have been achieved.
These results indicated that all of our samples were high temperature superconductors. The critical temperature increased from 93K to 96K with addition of 0.2%mole Cr
2 O 3 .
XRD results showed that the Tl-2212 as a major phase. Keywords: , critical temperature, superconductorsTl-2212 and cryogenics
1. Pendahuluan
Perkembangan superkonduktor, bahan tanpa hambatan listrik pada temperatur kritisnya dimulai sejak fisikawan Belanda ( H. Kamerlingh-Onnes) menemukan fenomena
[1]
superkonduktivitas pada 1911. Sejak penemuan ini, perlombaan mencari bahan superkonduktor dengan temperatur kritis yang lebih tinggi dilakukan para ahli di seluruh dunia. Sampai pertengahan 1980-an, hanya aloi niobium-germanium yang mempunyai suhu genting tertinggi sekitar 23 K. Kenyataan ini membuat komunitas ahli sains hampir frustasi dan sampai pada kesimpulan superkonduktor telah mencapai klimaks, maka harapan memperoleh superkonduktor suhu kamar hampir dilupakan. Seiring dengan perkembangan cryogenics, maka bahan superkonduktor dibagi atas 2
[2] kelompok besar yaitu superkonduktor suhu rendah dan superkonduktor suhu tinggi.
Dewasa ini modifikasi dilakukan untuk menghasilkan bahan baru yang memiliki temperatur kritis yang lebih tinggi, sampai temperatur kamar tercapai. Diantara bahan yang menarik perhatian para ahli sain adalah superkonduktor berdasarkan Thalium Barium Tebaga Oksida (Tl-Ba-Ca-Cu-O atau TBCCO), yang memiliki beberapa sistem
[2, 3]
yang masing-masing sistem memiliki berbagai phasa mensuperkonduksi. Walaupun
[4]
pembuatannya agak sulit, namun kombinasi unsur Tl dengan tembaga oksida umumnya
[5]
memiliki temperatur kritis yang tinggi. Setelah ditambah aditif unsur lain, temperatur
[6]
kritis diatas 100K dapat dicapai. Umumnya bahan superkonduktor berdasarkan Talium Barium Tebaga Oksida (Tl-Ba-Cu-O) ini disediakan dengan berbagai cara seperti : metode konvensional (stoikiometri), screen-printing, ko-presipitasi dan tape. Disamping itu dikenal pula sistem tertutup (closed system) dan sistem terbuka (open system) berkaitan
[1]
dengan sifat Talium. Pada penelitian ini kami memilih metode konvensional (stoikiometri)dengan sistem terbuka mengingat unsur Talium yang berbahaya. Pada
[10]
penelitian kami terdahulu , kami sudah mendapatkan temperatur sinter optimum untuk
o
penambahan Thalium pada 900 C dengan lama sintering (18 jam + 6 jam) dengan reaksi stoikiometri. Selanjutnya kami akan mencoba untuk memberikan doping Cr O untuk
2
3 [6]
melihat pengaruhnya terhadap temperatur kritis. M Fatmasari telah menyelidi penambahan Cr O pada phasa Tl-1212. Mereka mendapatkan temperatur kritis diatas
2
3
100K dapat setelah penambahan doping. Usaha untuk menaikkan temperatur kritis bahan superkonduktor ini adalah dengan membentuk phasa yang stabil. Penelitian yang
[6,7]
terdahulu telah menyelidiki phasa Tl-1212 dan mendapatkan adanya komposisi optimum untuk Tc onset sebesar 105K. Hal ini mendorong kami untuk mencari komposisi baru dengan phasa yang baru pula, phasa Tl-2212. Dengan penambahan lapisan CuO
2 pada struktur mikronya, diharapkan bahan yang akan dihasilkan mempunyai Tc onset yang lebih tinggi dari 105K. Temperatur kritis bahan superkonduktor yang masih rendah menyebabkan keterbatasan aplikasi praktisnya. Sampai sekarang, semua bahan superkonduktor masih memerlukan proses pendinginan untuk beroperasi. Dengan demikian masalah temperatur kritis yang masih rendah harus diatasi dengan inovasi baru peningkatan temperatur kritis yang signifikan.
2.Bahan dan Metodologi
2.1. Metode pembuatan sampel
Dalam pembuatan sampel, maka metode reaksi zat padat (solid state reaction) dengan reaksi stoikiometri. Reaksi dimulai dari pencampuran dengan perbandingan % mole bahan dasar yakni: serbuk BaO (99,99%), serbuk BaCO
3 (99.99%), serbuk CaO (99.95%)
dan serbuk CuO (4N). Selanjutnya bahan dasar ini di grain dalam suatu mortar porselen selama 1 jam dan dibentuk menjadi pellet dengan tebal (2-3) mm dan diameter 13 mm.
o
Selanjutnya sampel disinter selam 18 jam pada suhu 900
C. Sampai tahap ini telah diperoleh suatu bahan pelopor (precursor material). Setelah itu sampel digrain kembali
o
dan disinter selama 6 jam pada suhu sintering 900 C juga dengan menggunakan furnace yang sama dan dibiarkan sampai mencapai suhu kamar.. Setelah itu dicampurkan Thallium Oksida (99,99%) dan Cr
2 O 3 (99.95%) dengan perbandingan mol sebelum o
disinter kembali pada 900 C sambil dialirkan gas oksigen selama 4 menit. Secara teori, reaksi stoikiometri dapat digambarkan sebagai berikut [syahrul Humaidi, 2012b]:
2BaCO
3 + CaO + 2CuO Ba
2 CaCu
2 O 5 + 2CO
2 Dengan tahapan sintering sebagai berikut: o
T(
C) 900- 25- | | | 0 1.5 19,5 21 t (jam)
Gambar 1: Proses sintering bahan pelopor (precursor) Ba
2 CaCu
2 O
5 Selanjutnya setelah digerus selama 1 jam, serbuk disinter kembali selama 6 jam pada
o
900 C dan dibiarkan mendingin sampai suhu kamar dengan penambahan Tl O dan
2
3 Cr O yang secara matematis dapat dilukiskan sebagai berikut:
2
3 Tl O + Cr O + Ba CaCu O Tl Cr Ba CaCu O
2
3
2
3
2
2 5 2-x x
2 2 8- δ
Produk reaksi stoikiometri ini diharapkan menghasilkan phasa Tl-2212 yang akan dikonfirmasi dengan pengujian XRD.
2.2. Metode pengujian sampel
Sampel yang akan dihasilkan dalam bentuk pelet selanjutnya diukur hambatannya
dengan multimeter digital sebelum dikarakterisasi dengan Vacuum pump of
model Edwards Cryogenics 8200 Compressor dan CTL Cryogenesis Model 22
Refrigenator Controller model Lakeshore 325 autotuning temperature controller
pada range suhu kamar hingga 30K dengan pendingin Helium cair. Metode 4 titik
akan digunakan untuk mengukur hambatan sampel menit ke menit dengan
menggunakan silver paste. Sumber arus menggunakan 220 Programmable
Current Source dan Keithley 2000 Autoranging Microvolt DMM dengan arus 20
mA. Dari alat ini keluar grafik antara temperatur dan tegangan yang kemudian
dikonversi menjadi hambatan (resistance). Keberadaan phasa Tl-2212 dianalisa
odengan Difraksi Sinar-X (XRD) metode serbuk dengan sampai
sudut 2Θ dari 5 o
60 dan pola yang terjadi direkodkan dengan menggunakan diffraktometer Bruker
model D8 dengan radiasi CuK .α
3. Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menunjukkan grafik hasil pengukuran temperatur kritis (Tc), besaran yang sangat penting untuk superkonduktor suhu tinggi. Kesemua sampel menunjukkan sifat logam pada keadaan normal. Untuk sampel tanpa doping, terlihat adanya fluktuasi hambatan dibanding komposisi lainnya. Hal ini disebabkan masalah kontak yang dibuat. Sampel ini menunjukkan gejala superkonduktivitas pada suhu 93K, sementara hambatannya mulai terlihat disediakan berada diatas 70K yang mengkonfirmasikan bahwa semua sampel dapat digolongkan kepada superkonduktor suhu tinggi.
Gambar 2: Kurva hambatan terhadap waktu untuk Tl Ba CaCu O . Inzet adalah kurva
2
2 2 8- δ
trendline masing-masing komposisi
Penambahan Cr
2 O 3 sebanyak 0.1% mol menaikkan temperatur kritis dari 93K menjadi 94K, penambahan 0.2% mol menjadikan temperatur kritis menjadi 96K.
Sedangkan jika Cr
2 O 3 terus ditambah sampai 0.3% mol, menyebabkan temperatur kritis turun menjadi 92K. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk reaksi stoikiometri dengan Karbonat sebagai bahan dasar, penambahan Cr O sebanyak 0.2% mol merupakan komposisi optimum untuk menaikkan
2
3
ini disebabkan reaksi stoikiometri dapat berlangsung sempurna
temperatur kritis. Hal [8]
pada komposisi ini. Pada penelitian terdahulu, M A Subramaniam et al. melaporkan
[4]
temperatur kritis maksimum yang teramati 110K. Sementara Faizah et al. melaporkan temperatur kritis sebesar 95K dengan phase dominan Tl-2212. Perbedaan ini disebabkan oleh perbedaan metode pembuatan bahan pelopor. Namun demikian temperatur kritis untuk komposisi ini sangat mungkin ditingkatkan lagi dengan menggunakan bahan baku yang lebih tulen (high purity). Bagaimanapun, jika dibanding dengan sistem lain (Bi-2212)
[9]
yang telah dilaporkan Nasri dan R. Abd-Shukor dengan temperatur kritis 79K-81K , sistem Tl-2212 ini telah memperbaiki temperatur kritis sebesar 13K. Hasil analisa XRD seperti yang ditunjukkan pada gambar 3 dibawah ini.
Gambar 3: Hasil XRD untuk masing-masing komposisi, tanda (#) menunjukkan phase dengan indeks ganda Pola difraksi XRD menunjukkan tiga puncak difraksi (105, 107 dan 110) berada pada
o o
range 25 -35 yang merupakan ciri phasa Tl-2212. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa bahan pelopor Karbonat dengan sistem terbuka reaksi stoikiometri ini dapat membentuk phasa Tl-2212 Dari pola difraksi diatas terlihat kehadiran phasa minor Tl-
o o
1212 untuk sampel tanpa doping ( a=b=3,8543 A dan c= 29,2940 A ). Penambahan
o
0.1% Cr
2 O 3 mengurangi phasa minor dan merubah nilai c menjadi 29,2596 A , nilai c o
bertambah menjadi 29,388 A pada penambahan 0,2%. Sedangkan jika kadar Cr
2 O
3 o
dinaikkan menjadi 0,3% akan menurunkan nilai c menjadi 29,21 A . Hasil-hasil ini menunjukkan bahwa penggantian atom Tl oleh atom Cr efektif pada penembahan 0,2% mol saja. Dapat disimpulkan bahwa komposisi ini selain akan membuat phasa Tl-2212 lebih stabil juga dapat memanjangkan sumbu-c sekaligus menghasilkan penambahan volume kekisi maksimum. Dengan demikian komposisi ini dapat dikembangkan untuk menyelidi lapisan Cu-O yang terbentuk.
4. Kesimpulan dan Prospek Bahan superkonduktor suhu tinggi Tl 2-x Cr x Ba
2 CaCu
2 O 8- telah dibuat melalui δ
metode solid state (reaksi stoikiometri) dengan temperatur kritis antara 93K-96K.
Keberadaan phasa minor dapat dikurangi dengan penambahan Cr O . Didapati
2
3 bahwa kenaikan temperatur kritis dan kestabilan phasa Tl-2212 optimum dicapai dengan penambahan Cr
2 O 3 sebesar 0,2% mol. Komposisi ini mempunyai prospek untuk dikembangkan dalam upaya meningkatkan temperatur kritis yang lebih tinggi lagi.
5. Ucapan Terima Kasih Kami mengucapkan terima kasih kepada DIKTI RI atas bantuan dana melalui Hibah Penelitian Disertasi Doktor dengan no kontrak: 1086/UN.5.1R/KEU/2014 tanggal 17 Februari 2014.
6. Daftar Pustaka
[1] Syahrul Humaidi, Achiruddin dan Tua Raja Simbolon, 2012, Perkembangan Temperatur Kritis (Tc) Bahan Superkonduktor, REINTEK, vol.7 No.1 (28-32) ISSN 1907-5030
[2] Roslan Abd-Shukor, 2004, Introduction to Superconductivity, Penerbit Universiti Pendidikan Sultan Idris, Tanjong Malim. [3]
D. Thopart , J. Hejtmanek , D. Pelloquin , C. Martin , A. Maignan, 2000, New Tl/Hg-2212 and -2223 superconducting crystals: growth, structures and superconductivity, Physica C 336 _2000. 143–150
[4] Faizah M Salleh, A K Yahya, I Hamadneh and R Abd-Shukor,2002, “ Effects of Ag Addition and Propertiesof Tl-2212 Superconductors“,Solid State Science and Technology, Vol.10 No 1 & 2 , 30-36
[5] Efil Yusrianto · R. Abd-Shukor, 2012, Effect of Te Substitution on Tl0.5Pb0.5)Sr2(Ca1
−xTex)Cu2O7 (x = 0.0 to 0.5) Superconductor, J Supercond Nov Magn, DOI 10.1007/s10948-012-1616-z .
[6] M. Fatmasari · R. Abd-Shukor, 2012, Formation of Tl-1212 Phase in Bi- and Cr- Substituted (Tl0.5Pb0.5
−xMx)Sr2CaCu2O7 Superconductor, J Supercond Nov Magn DOI 10.1007/s10948-011-1335-x. [7] R Abd-Shukor, Baharuddin Yatim & Lau R S L, 1997, Formation of Tl-1212 phase in (Tl
0.8 M 0.2 )Sr 2 (Ca,Cr)Cu
2 O 7 (M: Cd and Sc) High-Tc Superconductor, Journal of
Materials Science Letters16: 818-820] [8] M A Subramaniam, J C Calabrese, C C Torardi, J Gopalakrishnan, T R Askew, R
B Flippen, K J Morrisey, U Chowdhry & A W Sleight, 1988, Crystal structure of the high-temperature superconductor Tl
2 Ba
2 CaCu
2 O 8 , Nature vol. 332 420-422
[9] Nasri A-Hamid dan R Abd-Shukor, 1999, Fabrication and Characterization of Ag- Sheatled Bi
2 Sr
2 CaCu
2 O 8 , Solid State Science and Technology, vol. 7, No. I , 113-
119 [10] Syahrul Humaidi, Awan Maghfirah dan Tua Raja Simbolon, 2012, Pembuatan
Bahan Baku Superkonduktor Thallium Kuprum Oksida (Tl
2 Ba
2 CaCu
2 O 8- δ ),
Laporan Penelitian Dana PNBP FMIPA USU 2012, SK No. 45/ UN5.2.3.1/ PPM/SKP/2013, LP USU.